隧洞掘進周邊孔水壓聚能控制爆破實踐與應(yīng)用研究

孫余好，邢鵬飛，吳亞華，周 煌

（核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限公司企業(yè)技術(shù)中心，浙江 湖州 313000）

0 引言

隧洞是民用基礎(chǔ)設(shè)施的主要組成部分，主要用作公共交通設(shè)施、水道和其他設(shè)施，如電力或通信電纜安裝。鉆爆碎石廣泛應(yīng)用于采礦、采石和土木工程建設(shè)中，然而，爆炸過程中釋放的能量只有 20 %～30 % 直接用于巖石破碎，而其余的能量則以地面振動、空氣爆炸、飛石和噪音的形式消散［1］。

目前大多數(shù)的隧洞在開挖時都會應(yīng)用爆破技術(shù)。爆破具有沖擊力大、效率高等特點，在隧洞的掘進施工中起到至關(guān)重要的作用。常規(guī)爆破方法安全隱患較多，多種化學(xué)原料碰撞在一起會產(chǎn)生較大危險，隧洞施工中，一旦爆破技術(shù)把握不當(dāng)，將會嚴重影響隧洞的掘進［2］。

運用光面爆破技術(shù)對巖壁完成作業(yè)后，掌子面會比較完整，可以起到控制爆破的效果，不會影響圍巖平衡或穩(wěn)定性，可以減少圍巖應(yīng)力集中，降低裂縫出現(xiàn)的概率，保持圍巖完整，使圍巖自身的承載能力變強，給施工創(chuàng)造便利，保障現(xiàn)場施工安全［3］。

水壓聚能控制爆破技術(shù)相比常規(guī)光面爆破技術(shù)，不僅可以節(jié)省人力和物力、加快施工進度，還可以有效降低粉塵等有害物質(zhì)對人體的危害，并通過控制爆破振動范圍，降低對隧洞圍巖的影響程度［4］。

1 工程概況

1.1 工程特點

大溪 1# 隧洞位于浙江省麗水市大港頭鎮(zhèn)，屬于麗水-龍游天然氣管道一期工程隧洞工程中的一部分。該隧洞采用“斜巷（411 m）+平巷（760 m）+斜巷（447.5 m）”的穿越形式。隧洞水平長度為 1 700 m，隧洞實際長度為 1 711.5 m，進口端坡度為 -19.55 %，隧洞出口坡度為 18.50 %；其中三類圍巖 890 m，占總長度的52.35 %；Ⅴ級圍巖長度 810 m，占總長度的 47.65 %。凈空斷面為 3.0 m×3.0 m（寬×高）。

1.2 工程存在的問題

在隧洞掘進施工中采用常規(guī)光面爆破技術(shù)，由于其爆破技術(shù)相對粗糙等原因造成隧洞掘進超挖嚴重，造成了很大的人力及物力的損耗。

1）炮孔布置太密集、炮眼數(shù)量太多、工人鉆孔作業(yè)時間太長。

2）炮孔內(nèi)充滿了空氣，爆炸的應(yīng)力波部分能量用于壓縮炮孔內(nèi)的空氣，因此削弱了對圍巖的破碎，爆破效果不佳。

3）超挖現(xiàn)象嚴重，大大增加了混凝土的使用量，造成多余物力的損耗。

4）爆破作業(yè)后粉塵濃度較大。爆破作業(yè)后需要通風(fēng) 50 min 左右，通風(fēng)結(jié)束后才能夠進行下一步作業(yè)，造成了很大的時間損耗。

2 水壓聚能控制爆破技術(shù)

在大溪 1# 隧洞掘進施工中遇到隧洞超欠挖嚴重、人力及物力嚴重損耗等問題，經(jīng)研究決定采用新型水壓聚能控制爆破技術(shù)來解決隧洞掘進超挖嚴重等問題。

2.1 技術(shù)原理

水壓聚能控制爆破技術(shù)在原有光面爆破技術(shù)上對隧洞爆破工藝進行適當(dāng)改進，炮孔中增加了聚能管裝置、水袋和炮泥［5］，如圖 1 所示。①水壓聚能控制爆破技術(shù)使用水袋和炮泥對炮孔進行堵塞；②使用部分水袋代替部分炸藥與炸藥一起裝填炮孔；③在對周邊孔進行爆破作業(yè)時孔中使用聚能管裝置，充分利用爆炸的能量對巖石進行定向的切割。

圖1 炮孔裝藥示意圖

周邊炮孔中依次放入水袋、聚能管裝置、水袋和炮泥，通過導(dǎo)爆管起爆［6］。聚能管裝置起爆后，聚能槽產(chǎn)生的高強射流足以在巖石上切割出裂縫，在相鄰炮孔的切線上形成貫通裂隙；同時利用水不可壓縮的性質(zhì)，將炸藥能量全部傳遞出去，使爆破產(chǎn)生的沖擊波更加強烈，水在爆炸產(chǎn)生的膨脹作用下，形成“水楔”，作用于巖石裂隙中，加大巖石裂縫的擴展延伸。炮孔處由炮泥和水袋組成的封堵形式，阻止爆炸性氣體從炮孔噴出，減少了爆炸能量的損失，使得爆炸能量得以充分利用。爆破后，水因為高溫呈霧化形態(tài)，可以有效地降低爆破產(chǎn)生的粉塵污染，通風(fēng)作業(yè)時間得以縮短。

2.2 技術(shù)原理

相較傳統(tǒng)周邊孔光面爆破，周邊孔水壓聚能控制爆破主要增加了以下 3 道工藝流程。

2.2.1 聚能管裝置

聚能管裝置主要由聚能管、炸藥、傳爆線、起爆雷管 4 部分構(gòu)成，聚能管是一種抗靜電的異形雙槽 PVC 管。管長 2、2.5、3 m 不等，聚能管如圖 2、圖 3 所示。聚能管的長度一般約占炮孔的 70 % 左右，兩個一樣的半壁管組合形成一個完整的聚能管，PVC 聚能管壁厚度為 2 mm，聚能管的每個半壁管都有一個凹進去的聚能槽，其聚能槽頂角為 70°，管內(nèi)兩個聚能槽頂部相距 17.27 mm，半壁管的寬度為 24.18 mm，組成的聚能管寬度為 28.35 mm，兩半壁管可調(diào)角度為 8°～10°［7］。所填炸藥為乳化炸藥，炸藥的截面即為聚能管內(nèi)部的截面。每延米裝藥量按照圍巖變化及設(shè)計參數(shù)加以適當(dāng)?shù)母淖儭?/p>

圖2 截面尺寸圖（單位：mm）

圖3 聚能管圖

2.2.2 水袋制作

水袋通常采用聚乙烯塑料水袋或者尼龍水袋，在塑料袋中灌入水，用封裝機密封制成密封水袋，一般長度為 200～300 mm，直徑為 35～40 mm，安裝時把已制作好水袋填入炮孔底部和中部位置，水袋可由炮孔水袋自動封裝機制作，水袋封裝機工效為 700 袋/h。制作好的水袋如圖 4 所示。

圖4 自制水袋

2.2.3 炮泥制作

炮泥采用河砂、黏土、水由炮泥機完成拌制，比例為砂∶土∶水=0.1∶0.75∶0.15，炮泥機擠出的這個比例的炮泥規(guī)格統(tǒng)一、軟硬適中、質(zhì)地均勻、表面光滑，速度快捷，易于安裝。制作時前現(xiàn)將土、砂過篩，過篩的篩孔為 5 mm×5 mm 左右，不得有 1 mm×1 mm×1 cm 以上的石料，再把拌制的混合料加入機器中進行制作，每小時可制作出長 200 mm、直徑 35 mm 炮泥約 900 根。所用炮泥通常提前 1 h 左右制作準備完成，并做好保濕措施，如圖 5 所示。

圖5 自制炮泥

2.3 操作要點

2.3.1 聚能管裝置制作

1）把準備好的半壁管放置在操作桌面上，表面清洗干凈，保持干燥。

2）打開藥卷的一端，再縱向切開藥卷的外包裝，把兩個處理好的藥卷沿切開處一起放入如圖 6 所示的注藥槍中，閉合注藥槍封閉蓋。

圖6 注藥槍

3）注藥槍端部的白色軟管與空壓機相連，空壓機緩慢加壓，當(dāng)壓力達到 0.2 MPa 時，手持注藥槍緩慢對半壁管填充炸藥，如圖 7 所示。

圖7 注藥槍注藥

4）在一個已經(jīng)填充好乳化炸藥的半壁管中加入一根比聚能管長約 10 cm 左右的傳爆線，然后與另一個處理好的管相扣在一起，固定牢靠。

5）聚能管裝置前端套上圓形定位圈，后端套上方形定位圈，便于炮孔內(nèi)定位安裝。

2.3.2 水壓聚能控制爆破技術(shù)炮孔裝填次序

水壓聚能控制爆破和常規(guī)傳統(tǒng)光面爆破相較而言，其在周邊孔內(nèi)添加了水袋、聚能管裝置及炮泥。

1）周邊孔內(nèi)先放入一個提前制作好的水袋；

2）放入聚能管裝置，其底部要緊靠已裝好的水袋，約為整個炮孔的 70 % 左右，使其聚能槽方向與隧洞輪廓線方向保持一致；

3）再放入 2 個制作好的標準水袋，如圖 8 所示；

圖8 炮孔內(nèi)裝填次序

4）水袋至炮孔口用預(yù)制好的炮泥封堵，用木質(zhì)炮棍將封堵炮泥搗實，完成后應(yīng)確保所有炮孔堵塞長度＞20 cm，以確保爆破能量不會從炮孔口損失，提高爆破能量的利用率。

2.3.3 水袋和炮泥制作要點

充水塑料袋由塑料制造商專門加工供應(yīng)，通常為聚乙烯材質(zhì)。水袋封口是制作過程中的關(guān)鍵步驟，水的體積為水袋體積的 90 % 較為適宜，裝水時不應(yīng)過滿，水袋口應(yīng)密封。在儲存和搬運過程中，水袋可能會發(fā)生稍微變軟的現(xiàn)象，這屬于正常現(xiàn)象不會影響裝填和使用中的爆破效果。水袋灌注盡量避免空氣進入，這樣可減少水袋與炮孔間距，減少爆破能量損失。

炮泥的主要成分是黏土和細砂，先使用過篩方式將混在其中的小塊石頭揀出清除，再將其與水混合攪拌。炮泥應(yīng)符合一定的比例，炮泥含砂率控制在 10 %，含水率控制在 15 %，這樣配比的炮泥效果更好。如果含砂率過大，將不利于炮泥成形，如果含砂率過小，將導(dǎo)致炮泥所占比重降低。如果含水率較大，炮泥將會較軟，如果含水率較小，將無法起到黏合及降塵等作用。

2.4 爆破效果

周邊孔水壓聚能控制爆破大大提高了炸藥的有效能量利用率，打眼數(shù)僅為常規(guī)爆破的一半，降低了人員成本，節(jié)約了材料成本。炮孔中的水袋在爆破中產(chǎn)生的“水楔”作用，再次破碎炮孔周邊巖體，減少巖石的大塊率，便于出渣。隧洞成型好（見圖 9），超欠挖控制得當(dāng)，混凝土回填成本大為降低，節(jié)約了施工成本。爆炸后水被大量霧化，吸附了爆炸時產(chǎn)生的粉塵及氣體等有害物質(zhì)，減少了通風(fēng)時間，保護了人身健康。

圖9 成型隧洞圖

3 技術(shù)經(jīng)濟效果分析

3.1 技術(shù)效果分析

通過對常規(guī)光面爆破與水壓聚能控制爆破的爆破參數(shù)及效果統(tǒng)計如表 1 所示，研究分析表明水壓聚能控制爆破在爆破效果上具有明顯的優(yōu)勢。

表1 技術(shù)效果對比表

3.2 經(jīng)濟效果對比

在同樣環(huán)境下，分別統(tǒng)計研究了常規(guī)光面爆破與水壓聚能控制爆破的爆破效果，研究結(jié)果表明應(yīng)用水壓聚能控制爆破技術(shù)獲得了較好的經(jīng)濟效果。

根據(jù)傳統(tǒng)光面爆破和水壓聚能控制爆破的爆破效果對比發(fā)現(xiàn)，在同樣條件下，水壓聚能控制爆破更具有優(yōu)勢，其每個循環(huán)能多進尺 0.2 m，節(jié)省炸藥量 4 kg，最大的改進是每循環(huán)縮短了 15 min 的通風(fēng)時間，減少工時消耗，節(jié)省了大量的工期。

4 結(jié)論

所采用的周邊孔水壓聚能控制爆破技術(shù)不但減少了對隧洞圍巖的擾動，確保了巖體的穩(wěn)定性，還能保證開挖輪廓線的圓順、整齊，減少超挖量，加快施工進度。在施工質(zhì)量、施工進度、生產(chǎn)成本等方面取得的經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

1）開挖輪廓線圓順、整齊，降低對隧洞周圍巖體的擾動，有效控制超挖現(xiàn)象，節(jié)約了混凝土的成本。

2）周邊孔開孔率可減少 50 % 左右，減少了鉆孔與出渣的勞動力與時間，節(jié)約了炸藥等材料成本。

3）每循環(huán)縮短了 15 min 的通風(fēng)時間，減少工時消耗，節(jié)省了大量的工期。