聚能光面爆破在隧道施工中的應用研究

唐云峰，何文巖，熊小軍，廖孫念

（廣西工程技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

現(xiàn)階段，為了能夠更好地挖掘隧道，在挖掘過程中要進行爆破處理，根據(jù)施工技術(shù)人員的實踐經(jīng)驗，在進行爆破處理的過程中通常采用傳統(tǒng)的鉆爆法進行施工，但這種傳統(tǒng)的施工方式受外界因素影響較大，導致隧道挖掘過程中的精度較低，同時會增大施工企業(yè)的經(jīng)濟成本。根據(jù)相關(guān)部門的調(diào)查研究顯示，在隧道挖掘過程中采用傳統(tǒng)的施工方式，容易出現(xiàn)超挖和欠挖現(xiàn)象，這在一定程度上增加了施工人員的工作壓力和工作量。隨著科學技術(shù)水平的不斷提升，為最大限度地彌補傳統(tǒng)施工模式的不足，專業(yè)人士提出在隧道挖掘過程中采用光面爆破技術(shù)，該項技術(shù)具有施工效率高且精準度高的優(yōu)勢。近年來，施工單位的研究人員在現(xiàn)有光面爆破技術(shù)的基礎(chǔ)之上，又研制出聚能光面爆破技術(shù)，并且取得了較為理想的施工效果。相比傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)，聚能光面爆破技術(shù)的爆破原理和處理措施比較特殊，發(fā)生爆破安全事故的概率小，這符合新時代安全施工的有關(guān)要求。這種新型爆破施工技術(shù)能夠更好地利用炸藥的能量，提高爆破施工效率和降低爆破施工成本，在工程建設領(lǐng)域具有不可估量的應用價值。在這種情況下，本文以實際案例為基礎(chǔ)對聚能光面爆破在隧道施工中的具體應用及其效果進行分析，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

天峨至北海高速公路項目（巴馬至平果段）二分部堆角隧道項目位于榜圩鎮(zhèn)春德村堆角屯東南側(cè)，出口端位于榜圩鎮(zhèn)常星村隴浪屯南側(cè)，為雙洞分離式長隧道。右線設計長度為1 295 m，巴馬側(cè)洞口路基設計高程為294.208 m，平果側(cè)洞口路基設計高程為 283.968 m，最大埋深約142.94 m；左線設計長度為1 310 m，巴馬側(cè)洞口路基設計高程為292.928 m，平果側(cè)洞口路基設計高程為283.828 m，最大埋深約 134.8 m。擬從進出口雙向?qū)Υ蚴┕?，其中左洞Ⅳ級圍巖為550 m，V級圍巖為760 m；右洞Ⅳ級圍巖為430 m，V級圍巖為865 m。圍巖開挖后易坍塌，淺埋段易冒頂，經(jīng)項目施工人員研究決定采用聚能光爆技術(shù)對傳統(tǒng)爆破施工技術(shù)進行改進，最終取得了較好的施工效果。

2 聚能光面爆破在隧道施工中的應用原理

聚能光面爆破技術(shù)在隧道工程中的應用，能夠有效地提升隧道施工效率和質(zhì)量，該技術(shù)是利用爆破的聚能效應，使炸藥爆破時所產(chǎn)生的沖擊力處于同一軸線之上，最大限度地提高炸藥爆破所產(chǎn)生的局部破壞作用。普通的炸藥爆破后，爆炸碎片會向四周分散發(fā)射，但如果在爆破過程運用聚能裝藥結(jié)構(gòu)，則炸藥爆炸之后產(chǎn)生較大的沖擊力會形成具有高能量的聚能流，快速切割金屬及巖石等物體。聚能藥包具有操作簡單、爆破性強等特點，因此受到各類施工企業(yè)的廣泛關(guān)注，同時在各類工程中的應用空間也不斷擴大［1］。

線性聚能爆破的成縫過程大致分為5個階段。①產(chǎn)生射流階段：爆轟波作用于聚能罩，所產(chǎn)生沖擊波按照一定規(guī)律運動，一段時間之后于某處相聚并產(chǎn)生射流；②形成切槽階段： 線性射流按照某種規(guī)律聚集于巖體之上，通過對巖體的切割形成溝槽；③形成切槽階段：通過爆破應力切割巖石體上產(chǎn)生的溝槽或向前拓展；④裂縫擴展階段：裂縫形成聚能射流作用后，高溫高壓的爆生氣體楔入切槽裂縫并使之貫穿；⑤掩體分離、崩落階段：由于巖石體形狀與炸藥性質(zhì)不相同，因此在爆破之后，巖石體向前推移的距離也不相同［1-2］。

3 聚能光面爆破在隧道施工中的應用要點

隧道施工相比其他工程施工，具有更高的危險性和復雜性。近年來，隨著聚能光面爆破技術(shù)逐漸成熟，我國隧道施工效率和安全性得到整體提升，這種爆破技術(shù)具有爆破效果突出、炸藥能量利用率高、環(huán)保且經(jīng)濟等優(yōu)勢，因此得到了施工單位的一致認可。作為光面爆破技術(shù)的一種，聚能光面爆破技術(shù)同樣具有不可忽視的應用價值，其具體的應用要點如下。

3.1 周邊孔參數(shù)的確定

應用聚能光面爆破技術(shù)過程中，周邊孔布設時使用工具與傳統(tǒng)施工方式無差異，但施工人員需要注意周邊孔的距離，聚能光面爆破的周邊孔間距一般布置為80 cm左右，施工人員可以根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況適當縮小周邊孔的間距，第一個周邊孔距底角孔的距離為50 cm?？椎淄獠宓纳疃葹?2 cm左右，周邊孔距輔助孔的距離不超過60 cm，輔助孔與周邊孔采用梅花形布孔，具體參數(shù)如下：①孔距a=80～100 cm；②排距b≥50 cm；③孔徑D=42 cm。

3.2 鉆孔

聚能光面爆破施工包括多個步驟，而鉆孔是施工過程的重要環(huán)節(jié)之一，工作人員要結(jié)合隧道工程的爆破需求及周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，確定最佳的鉆孔位置，并進一步確認鉆孔位置與施工方案是否相符，確認完畢后必須由專業(yè)鉆孔技術(shù)人員進行施工。為確保萬無一失，還需要在鉆孔過程中反復進行測算和校驗，以便在第一時間發(fā)現(xiàn)鉆孔位置的偏差，并且要對孔洞的平行度、深度等進行有效的控制。在鉆孔施工整體結(jié)束后，必須安排工作人員進行收尾檢查，發(fā)現(xiàn)問題第一時間糾正，以免影響后續(xù)施工［3］。

3.3 裝藥

裝藥分為聚能藥卷制作和炸藥裝填兩個步驟。①聚能藥卷制作：第一步，取1節(jié) 32 mm的藥卷，用小刀把藥卷從中間切成2節(jié)；第二步，把聚能管兩端分別插入切好的藥卷中；第三步，用小刀把藥卷一端的金屬環(huán)切掉并裝上聚能罩。②炸藥裝填：第一步，將對應雷管反向插入聚能管最底部藥卷內(nèi)并反向起爆；第二步，按照1節(jié)聚能藥卷、1節(jié)空氣間隔袋的順序裝填保證聚能藥卷的聚能罩朝向孔口，聚能管開口沿隧道輪廓切線指向隧道中心，即拱頂裝藥聚能管開口朝向圓心，同時邊墻裝藥聚能管開口朝向隧道中心線；第三步，在距離孔口30 cm處，根據(jù)圍巖情況裝填水袋和炮泥。

3.4 連線

運用光面聚能爆破技術(shù)的過程中，爆破人員要根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況對各類設備進行組裝，建立完整的爆破網(wǎng)絡。與此同時，要對爆破工具的性能進行反復的檢查，保障現(xiàn)場施工人員的安全。爆破作業(yè)過程中需要設置爆破孔，爆破孔需要運用特制的炮泥進行封堵，由于特制的炮泥成本較高，因此為了節(jié)約施成本，天峨至北海高速公路項目（巴馬至平果段）二分部堆角隧道工程的爆破施工單位自主研發(fā)封堵爆破孔的炮泥，選擇性能較高的PVC材料對爆破孔進行封堵，該材料屬于非牛頓液體，具有較好的封堵效果且操作過程簡單方便［4-5］。

3.5 炮后檢查

在爆破工作結(jié)束后，相關(guān)人員要等待15 min后方可進入爆破現(xiàn)場，進入爆破現(xiàn)場要進行全面的檢查，確保爆破過程達到有關(guān)標準，同時進行現(xiàn)場清掃工作和開展統(tǒng)計作業(yè)，統(tǒng)計作業(yè)數(shù)據(jù)可以為下一次爆破決策工作提供重要的參考依據(jù)。

3.6 隧道出渣

相比傳統(tǒng)的隧道工程爆破技術(shù)，利用聚能光面爆破技術(shù)能在炸藥爆炸的過程中產(chǎn)生大量水霧，將爆炸中形成的揚塵快速攜帶到地面，避免對周邊環(huán)境造成污染，更為重要的是在鉆孔深度合理的情況下，爆炸基本不會對隧道掌子面的工作環(huán)境造成影響，爆炸后的巖石渣塊大小均勻，便于運輸。

4 聚能光面爆破技術(shù)的應用效果

天峨至北海高速公路項目（巴馬至平果段）二分部堆角隧道工程應用聚能光面爆破技術(shù)進行爆破施工，取得較好的爆破效果，施工質(zhì)量、效率及安全性得到了施工各方的一致認可。第一，由于增大了周邊孔孔距，所以在隧道掌子面施工中減少了10%的鉆孔量，減少了爆破作業(yè)班組的工作量，如果采用間隔裝藥方式則能進一步減少循環(huán)裝藥量，進而降低施工成本。聚能光面爆破使用的藥量與常規(guī)爆破裝對比見表1。第二，聚能光面爆破技術(shù)能夠在一定程度上降低對圍巖的擾動和影響，爆破后形成的巖石斷面具有光滑平整、巖面無裂縫的特點，能夠規(guī)避不必要安全風險。在本工程案例當中，爆破后的原始巖石結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生變化，利用加固技術(shù)進行處理后，能夠保持較強的支撐能力［6］。第三，聚能光面爆破技術(shù)的合理應用有助于控制超挖和欠挖問題，該工程的半壁孔率從35%提高至83%，聚能光面爆破施工技術(shù)解決了傳統(tǒng)爆破技術(shù)爆破深度不穩(wěn)定、支護噴射混凝土用量不固定的問題，有效地降低了隧道施工成本。與常規(guī)的爆破方式相比，聚能光面爆破技術(shù)的超挖方量更加合理，具體的數(shù)據(jù)對比情況見表2。第四，聚能光面爆破技術(shù)能視現(xiàn)場環(huán)境采用水袋保證爆破效果的同時避免爆炸造成的揚塵污染，在案例工程中，洞內(nèi)通風時間大幅度縮減在一定程度上提升了隧道工程的施工效率，同時避免了環(huán)境污染問題［7］。

表1 聚能光面爆破與常規(guī)爆破裝藥量對比

表2 聚能光面爆破與常規(guī)爆破超挖情況對比 （單位：m3）

5 結(jié)語

相關(guān)人員通過現(xiàn)場爆破實驗并對聚能水壓光面爆破的技術(shù)原理進行分析，并在對比傳統(tǒng)爆破工藝的基礎(chǔ)之上得出以下結(jié)論。

5.1 聚能光面爆破技術(shù)重點在于裝藥結(jié)構(gòu)

運用新型技術(shù)的過程中炮眼之間距離宜控制在90 cm左右，突破了常規(guī)光面爆破炮眼間40～50 cm的界限，同時通過采用新型的結(jié)構(gòu)彌補了傳統(tǒng)爆破技術(shù)的不足，還能夠避免打眼耗時過長等問題，對提高爆破效果和效率具有重要意義。

5.2 聚能光面爆破可減少圍巖擾動

受到傳統(tǒng)爆破理念的影響，部分技術(shù)人員認為在隧道施工過程中對堅硬巖石體進行爆破宜采用光面爆破技術(shù)，對硬度較小的巖石體進行爆破則可以采用其他技術(shù)。事實上，光面爆破技術(shù)可以應用于任何巖石體，聚能光面爆破技術(shù)應用的聚能管能通過聚能槽產(chǎn)生能量密度較大的射流，通過射流將巖石體快速切開，在一定程度上也能夠提升巖石體的平整性。采用光面爆破技術(shù)對巖石體的擾動程度較低，能夠有效保證巖石穩(wěn)定和防止超挖現(xiàn)象，也能提升施工現(xiàn)場的安全性。施工企業(yè)應當結(jié)合現(xiàn)場的實際情況對光面爆破技術(shù)進行不斷改進和升級，不斷拓展該項技術(shù)的應用空間。

5.3 聚能光面爆破具有較好的經(jīng)濟效益

運用聚能光面爆破技術(shù)能夠大大減少周邊孔炮孔數(shù)量，同時縮短鉆孔作業(yè)時間，提高炮眼利用率和半壁孔率，減少循環(huán)炸藥使用量也能夠較好地控制超欠挖現(xiàn)象，降低隧道施工工期，提高施工效率和節(jié)約人工成本。

通過實踐證明，運用聚能水壓光面爆破技術(shù)能明顯提高炸藥能量利用率、施工效率，能夠達到保護環(huán)境、降低施工成本的最終目的，為施工企業(yè)獲得可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益奠定堅實的基礎(chǔ)。

6 展望

聚能光面爆破技術(shù)是目前比較具有代表性的爆破技術(shù)之一，在隧道工程中科學合理地應用該項技術(shù)，能提升施工效率和控制施工成本，還能夠降低安全事故的發(fā)生率，在公路工程隧道施工中發(fā)揮著重要作用。在今后的工作中，工作人員需要結(jié)合隧道工程施工需求，對聚能光面爆破在隧道施工中的應用進行不斷完善。