聚能水壓爆破技術在渝黔高速擴能項目應用分析

崔長貴

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

1 概 述

光面爆破技術作為新奧法原理的重要支撐，已成為隧道輪廓線控制爆破最常見的方法，但由于常規(guī)光面爆破鉆孔工作量大，其對炮孔間距和光爆孔裝藥量的控制還在相當程度上依賴現場管理和操作者的個人素質和自我約束能力，光面爆破工作的持續(xù)性和可靠性較不穩(wěn)定，現場管理難度大[1]。

聚能管水壓光面爆破技術，是目前在隧道爆破領域施工中比較先進的一種爆破技術。渝黔(重慶—貴州)高速公路擴能項目大興隧道工程地質復雜，施工難度大，通過在該項目應用聚能管水壓光面爆破技術，借助聚能管的高壓射流切割作用，不僅能將隧道開挖輪廓線與設計相吻合，降低隧道超挖方量，同時由于在光爆炮孔中采用水袋進行填塞，具有降塵效果，大大改善了隧道施工環(huán)境，有利于綠色施工。聚能管水壓光面爆破技術與常規(guī)光面爆破效果對比見圖1。

圖1 聚能管水壓光面爆破技術與常規(guī)光面爆破效果對比示意圖

2 工程概況

渝黔(重慶—貴州)高速公路擴能項目大興隧道左、右線合計全長1742m，特別是進口段淺埋偏壓嚴重，存在側壁容易失穩(wěn)、塌方、滑坡、冒頂的風險，而且隧道出口段的斜坡坡體存在探煤洞，為低瓦斯隧道。隧道圍巖為石英砂巖、煤層頂板巖、煤矸石、炭質頁巖和夾頁巖。隧道輪廓控制一直是困擾和制約工程進度和安全的問題之一，有必要探索一種易于管理、連續(xù)可靠的隧道輪廓控制爆破方法。

3 聚能水壓爆破技術研究

渝黔高速擴能項目引進了市場上技術先進的聚能管裝置并結合工程自身特點，通過新材料試驗并總結出符合本工程特點、復雜地質條件下隧道輪廓線控制爆破方法并運用于工程實踐中。

3.1 聚能水壓爆破機理

炸藥爆炸后，爆炸能量傳遞到水袋后，因為水袋中的水幾乎不能被壓縮，因此能量通過水傳播后，由于炮眼被炮泥進行了嚴實封堵，水在壓縮氣體爆炸膨脹沖擊下出現緩沖效果，在減少炸藥能量損失的同時，減少了對隧道圍巖的擾動，而水壓爆破在隧道里產生的水幕也起到很好的水霧效果，降低了隧道里粉塵的彌漫。

在隧道光面爆破中采用聚能水壓爆破時，由于能量箱內裝藥線圈的能量聚集作用和非耦合裝藥結構的共同作用下，在能量聚集腔方向的能量最集中，也就意味著產生的爆破沖擊破壞力最大。在炮眼周邊裂紋開始形成的同時，高壓氣體的膨脹和高能氣體流動的氣體邊緣的共同作用下，致使能量射流沿裂紋噴射，從而進一步促進并加強了裂紋的膨脹和擴展。這是隧道聚能光面爆破的原理所在，也是隧道聚能光面爆破能夠有效控制單位面積裝藥量以及單位面積打孔率的重要因素之一。

3.2 聚能光面爆破主要特點

聚能水壓爆破與傳統(tǒng)的爆破技術區(qū)別在于裝藥管的結構型式以及炮孔堵塞有些不同：在聚能水壓爆破炮眼中，部分炸藥被水袋替換(見圖2、圖3)，水壓爆破在炮眼里合適位置裝入專用水袋，并通過炮泥進行封口，把炮眼密封好；聚能水壓爆破通過專用炮泥封口，而傳統(tǒng)光面爆破采用普通紙袋進行封口。

3.3 聚能管裝置組成

在隧道施工中采用聚能管、導爆索、乳化炸藥、雷管等進行聚能水壓光面爆破。而聚能管由聚能槽、聚能穴、蓋板組成，材質通常為PVC，壁厚為2mm，聚能管由專業(yè)生產廠家進行生產配送，根據鉆孔的深度來確定聚能管長度。聚能水壓爆破裝藥與傳統(tǒng)爆破裝藥見圖2、圖3，聚能水壓爆破施工工藝流程見圖4。

圖2 傳統(tǒng)爆破裝藥示意圖

圖3 聚能水壓爆破裝藥示意圖

圖4 水壓爆破施工工藝流程

3.4 聚能藥卷制作

在隧道光面爆破中采用聚能水壓爆破技術時，聚能藥卷制作[6]采用特制的異形管裝入乳化炸藥作為聚能管裝置(見圖5)。制作方法為：根據開挖進尺及炮孔深度選擇聚能管長度，制作時將聚能管擺放在工作臺上；注藥槍與空壓機相連，手持注藥槍沿聚能槽從一端向另一端緩慢注入炸藥，通常裝炸藥的密度可以依據圍巖的實際情況進行合理調整，通常的裝藥量為400g/m；將導爆索裝入已經注入炸藥的聚能槽內，并用手輕壓與乳化炸藥黏連，導爆索通長布置，孔口端尾部預留長度不小于10cm；將聚能管蓋板蓋好，并用電工膠帶每隔1m纏繞黏結牢固，套上定位圈，孔底端安裝1/2節(jié)乳化炸藥卷(加強藥卷)，用膠帶纏繞固定。

圖5 聚能管制作

3.5 聚能藥卷的隧道輪廓線安裝技術

聚能藥卷在隧道掌子面安裝非常快速且便捷，聚能管安裝分以下四個步驟：插入雷管→手工推送進炮孔并調整方向→炮棍送至孔底→孔口堵塞水沙袋(完成)。

第一步預先在加強藥上用刀片劃開小口，插入毫秒雷管；第二步手工將聚能管緩慢推送進周邊眼，推送過程中調整聚能管方向，保持聚能穴與開挖輪廓線平行，方向不得偏離(安裝要點)；第三步采用炮棍繼續(xù)將聚能管推進直至孔底；第四步準備好預先灌滿水和沙子的水沙袋，將其裝入孔口至聚能管之間的孔內，靠近聚能管端部安裝水袋，孔口安裝水沙袋。按照以上步驟將周邊眼全部裝好聚能管及水沙袋，其他炮孔按照常規(guī)裝藥方式裝填完畢炸藥后，連線起爆。周邊眼聚能管裝藥結構見圖3。

4 聚能水壓爆破試驗情況

4.1 聚能光爆試驗數據收集情況

聚能光爆試驗過程中，對數據進行了收集整理，見表1。

4.2 火工品用量對比情況

對火工品用量情況進行了對比分析，見表2。

表2 火工品用量對比

4.3 經濟性對比

現以3.5m孔深，以常規(guī)爆破周邊眼43個與聚能水壓爆破周邊眼30個鉆孔成本12.33元/m、炸藥8.7元/kg、雷管5.3元/發(fā)、導爆索2.74元/m、聚能管17元/m及人工加工費為基本價計算直接成本(見表3)。根據對比數據，在計入鉆孔成本的前提下，采用聚能爆破成本有所節(jié)約，其節(jié)約成本為(13795.45元-12565.23元)/3.5m=351.49元/m；不計入鉆孔成本，節(jié)約成本為(11939.8元-11270.6元)/3.5m=191.2元/m。

表3 經濟性對比

5 聚能水壓爆破適用性分析

5.1 隧道輪廓炮孔裝藥穩(wěn)定性大幅提高

由于聚能水壓爆破藥卷特殊的裝藥結構，需由專人預先在加工點對炸藥進行二次加工，不占用工序循環(huán)時間，光爆孔藥卷加工避開了現場惡劣環(huán)境，便于提高光爆藥卷裝藥結構穩(wěn)定性，也便于工程技術人員對藥量的調整、檢查和控制，對光爆工作促進作用巨大。

5.2 節(jié)約鉆爆工序時間

通過在隧道正洞5級錨噴支護斷面和6級拱架支護斷面的連續(xù)使用，采用聚能水壓爆破減小了隧道輪廓線上的鉆孔工作量13～17個(見圖6、圖7)。以現場實測3.5m孔深、20min/孔的時間計算，能節(jié)約鉆孔時間260～340min，能大大減輕操作者勞動強度，聚能水壓爆破由于藥卷裝藥前已加工好，現場裝藥方便快捷，經現場測試，常規(guī)爆破裝一個炮孔用時3min，而聚能水壓爆破裝藥用時1min，13～17個周邊孔裝藥環(huán)節(jié)時間節(jié)省為26～34min。

圖6 聚能水壓爆破鉆孔布置

圖7 常規(guī)爆破鉆孔布置

綜合節(jié)省鉆爆工序時間約38min，計算如下：

(260min+26min)/8人≈35min；(340min+34min)/8人≈47min(8人為周邊孔打鉆及裝藥人數，隧道上臺階開挖臺架一架2人，二架2人，頂拱4人)；(35min+47min)/2=38min。

5.3 便利現場數據收集和管理

聚能水壓爆破在隧道輪廓線上的炮孔個數較常規(guī)爆破數量少，為測量人員對每個炮孔的孔底超欠挖數據進行測量和收集，提高了可操作性，也對炮孔質量的提高和對光爆工作管理提供了有效依據和手段。

6 聚能水壓爆破試驗工效分析

6.1 工序循環(huán)時間節(jié)約

根據大興隧道項目工序消耗時間統(tǒng)計(取正常循環(huán)工序消耗時間平均數)，循環(huán)用時見表4。

表4 工序時間統(tǒng)計對比

由表4得出：由于聚能光爆能減少操作者勞動強度和得到較好的光面爆破效果，整個循環(huán)時間能節(jié)省19.7h-16.8h=2.9h。

6.2 增加月進尺減少初支消耗量

每月除去4天休息日，按照26個工作日每天平均開挖進度3m進行計算，每月能增加開挖進度是[(26天×24h)/16.8h-(26天×24h)/19.7]×3m/h=16.4m。

周邊孔眼痕率多少，直接反映光面爆破的好壞，聚能水壓爆破效果不但能保證安全，還能減少15%～20%隧道初期支護混凝土消耗。

6.3 降低管理難度

由于常規(guī)爆破周邊眼裝藥結構穩(wěn)定性和可靠性全部依賴現場操作者的個人素質和自我約束能力，管理人員很難在現場把控周邊孔炸藥藥量及裝藥結構穩(wěn)定性，而聚能水壓爆破做到了裝藥結構和現場操作分離，且管理人員的經驗和意見能很直接地指導聚管藥卷加工人員，大大地降低了管理難度，也提升了管理人員對鉆爆龍頭工序的指導性和參與性。

6.4 大幅度提升周邊孔眼痕率

一節(jié)20cm(200g)長度的炸藥在聚能管中炸藥長度可加長為50cm，增加了炸藥在炮孔中的線裝藥長度，使爆破能量更好地分散于整個炮孔中，而常規(guī)爆破通常是炸點分布；加之聚能穴對能量的有效引導，對隧道圍巖的擾動更少，所以聚能光爆眼痕率基本上在95%以上，對工程質量和生產安全的提升效果非常明顯。

7 結 語

通過在大興隧道右線Ⅲ級圍巖錨網噴段落(小里程)和Ⅳ級圍巖鋼拱架段落(大里程)的使用聚能水壓爆破技術，很好地解決了周邊鉆孔量大、裝藥結構不穩(wěn)定和持續(xù)性差的致命缺點，減小了鉆孔工作勞動強度，大幅度提升了半壁孔孔痕保留率，對開挖工序的良性循環(huán)起到了重要促進作用。雖然鉆爆直接成本有所提高，但其對鉆爆工序和管理帶來的促進作用十分明顯。