隧道掘進水壓爆破技術(shù)發(fā)展新階段

李廣濤，李大春

(中鐵十二局集團有限公司，太原 030006)

隧道掘進水壓爆破技術(shù)自2002年研發(fā)成功至今，歷經(jīng)20年兩個發(fā)展階段到如今已發(fā)展到第三個階段即新階段[1-4]。

要特別說明的是關(guān)于隧道掘進水壓爆破基本概念，隧道掘進水壓爆破研發(fā)歷程、隧道掘進水壓爆破技術(shù)原理，尤其是隧道掘進聚能水壓光面爆破中的聚能管裝置結(jié)構(gòu)、制作工藝、技術(shù)原理和使用方法等，已在《鐵道建筑技術(shù)》2021年第7期“隧道掘進水壓爆破技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新”一文中詳細(xì)全面介紹過，不再重復(fù)[1,5]。主要介紹隧道掘進水壓爆破第一、二階段尤其是新階段炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，爆破效果及其新階段與第一、二階段相比優(yōu)越所在。

隧道掘進水壓爆破第一、二階段和新階段的劃分是依炮眼裝藥結(jié)構(gòu)、爆破效果區(qū)分的，相應(yīng)的期限為第一階段2002年至2015年，第二階段2016年至2020年，新階段2021年至今。

1 隧道掘進水壓爆破實際推廣第一階段

自2002年12月18日隧道掘進水壓爆破通過技術(shù)鑒定后便實際推廣，并從隧道掘進水壓爆破擴展到城市地鐵暗挖隧道等[6]。

1.1 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

1.1.1 光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，第一步往炮眼最底部裝1袋水袋，水袋長20 cm(下同)，第二步按常規(guī)爆破間隔裝藥，第三步裝2袋水袋，第四步即最后一步炮泥回填堵塞到炮眼口。

1—1袋水袋；2—1卷炸藥；3—半卷炸藥；4—2袋水袋；5—炮泥；6—導(dǎo)爆索；1-One water bag;2-One explosive column；3-Half column of explosive；4-Two water bags；5-Stemming；6-Detonating cord圖 1 光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of smooth blasting hole charge structure

1.1.2 光爆炮眼以外所有炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

除光爆炮眼外，掌子面所有其他炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—1袋水袋；2—起爆雷管；3—多卷藥卷；4—多袋水袋；5—炮泥；6—導(dǎo)爆索1-One water bag；2-Detonator；3-Multiple explosive columns；4-Multiple water bags；5-Stemming；6-Detonating cord圖 2 光爆炮眼以外所有炮眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of charge structure of all blast holes except the smooth blasting holes

光爆炮眼以外所有炮眼與光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)一樣，也分四步如下：

第一步往炮眼最底部裝1袋水袋，必須裝到底。

第二步裝藥卷，其藥卷數(shù)量比常規(guī)爆破少1卷，例如常規(guī)爆破掏槽炮眼裝8卷，那么水壓爆破裝7卷，常規(guī)爆破輔助炮眼裝6卷，水壓爆破裝5卷。

第三步裝水袋，其裝多少袋是這樣確定的：炮眼第二步裝完藥卷后，炮眼剩余的長度采取二分之一的計算方法和四舍五入的規(guī)則確定水袋的數(shù)量，例如第二步裝完藥卷后炮眼剩余1.2 m長，那么就裝3袋水袋，如果剩余長度1.3 m也裝3袋水袋，如果剩余長度1.4 m就裝4袋水袋。

第四步回填堵炮泥到炮眼口。

1.2 隧道掘進水壓爆破操作規(guī)程

隧道掘進水壓爆破與隧道掘進常規(guī)爆破相比，在隧道開挖形式、掏槽種類、炮眼分布、炮眼數(shù)量與深度，起爆順序與時間間隔等方面一模一樣，但是水壓爆破有特有的操作規(guī)程，敘述如下：

水袋一定要灌滿要挺拔，這樣好往炮眼中裝填；炮泥要軟硬適中，過軟搗固時容易擠出，而過硬搗固不碎，影響堵塞質(zhì)量，要特別說明的是，炮泥當(dāng)天使用當(dāng)天加工，以防炮泥失水過硬；往炮眼最底裝的一袋水袋必須裝填到底，切不得留有空隙；應(yīng)用木棍搗固炮泥，邊回填邊搗固；炮眼中的水袋、藥卷、水袋和炮泥要緊密相接，不得留有空隙。

1.3 隧道掘進水壓爆破效果

隧道掘進水壓爆破經(jīng)多年實際應(yīng)用，與隧道掘進常規(guī)爆破相比，具有極其顯著的“節(jié)能環(huán)?！弊饔?，具體的是有“三提高一保護”的作用效果。

三提高：一提高炸藥有效能量利用率，節(jié)省炸藥20%以上；二提高施工效率，每循環(huán)比常規(guī)爆破多掘進30 cm；三提高經(jīng)濟效益，每延米節(jié)省成本幾百元。

一保護：隧道掘進水壓爆破比常規(guī)爆破粉塵濃度下降約70%，改善了隧道施工環(huán)境，保護隧道施工作業(yè)人員身體健康，不但如此，爆破后排險，視野清楚更安全，而且縮短了通風(fēng)時間，加快了施工進度[7,8]。

2 隧道掘進水壓爆破第二階段

2.1 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

隧道掘進水壓爆破第二階段炮眼裝藥結(jié)構(gòu)[9-11]，光爆炮眼以外的所有炮眼與第一階段一模一樣，不同的僅是光爆炮眼，第二階段光爆炮眼用聚能管裝置取代第一階段間隔裝藥，其光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—1袋水袋；2—聚能管裝置；3—水袋2袋；4—炮泥；5—導(dǎo)爆索1-One water bag；2-Shaped tube device；3-Two water bags；4-Stemming；5-Detonating cord圖 3 光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of smooth blasting hole charge structure in the second stage

隧道掘進水壓爆破第二階段光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)是：第一步往炮眼最底部裝1袋水袋；第二步裝聚能管裝置，其長度為光爆炮眼長度的70%左右；第三步裝2袋水袋；第四步炮泥回填堵塞到炮眼口[12,13]。

2.2 爆破效果

隧道掘進水壓爆破第二階段除與第一階段具有“三提高一保護”的作用效果外，其顯著特點是光爆質(zhì)量甚高，半眼痕保留率達90%以上。另外經(jīng)濟效益高，每延米節(jié)省成本上千元。具體說明如下。

隧道掘進采取鉆爆方法，打眼費用很高，每個炮眼每打眼深1 m，其費用為12.33元。第二階段光爆炮眼間距為80～100 cm，而第一階段為40～50 cm，少打一半光爆炮眼，這是經(jīng)濟效益高的根源[14-17]。

3 隧道掘進水壓爆破新階段

隧道掘進水壓爆破實際推廣新階段僅以新建梅州至龍川鐵路(以下簡稱“梅龍鐵路”)何公塘隧道進口為實例予以說明。

新建梅龍高鐵，地處廣東境內(nèi)，全長21.18 km，何公塘隧道位于梅州市南口鎮(zhèn)南側(cè)，隧道全長4864.75 m，雙線隧道內(nèi)輪廓寬13.3 m，高9.08 m。隧道圍巖為石英砂巖、變質(zhì)巖石、花崗巖，主要為Ⅱ、Ⅲ級圍巖。

何公塘隧道掘進采取三臂鑿巖臺車打眼全斷面開挖，2021年9月前采取隧道掘進常規(guī)爆破，之后改為水壓爆破新階段的炮眼裝藥結(jié)構(gòu)至今。

3.1 隧道掘進常規(guī)爆破

隧道掘進常規(guī)爆破，炮眼布置圖如圖4所示，布置炮眼216個，設(shè)計循環(huán)進尺3.8 m。

圖 4 何公塘隧道進口炮眼布置圖(單位：cm)Fig. 4 Layout of blast holes at the inlet of Hegongtang Tunnel(unit：cm)

所謂“隧道掘進常規(guī)爆破”，系炮眼僅裝藥卷和起爆雷管，不回填堵塞。目前還有不少鉆爆隊伍采取常規(guī)爆破，浪費炸藥和嚴(yán)重污染環(huán)境，是不科學(xué)不可取的，與“節(jié)能環(huán)?！毕噙`。

采取常規(guī)爆破，216個炮眼合計裝藥396 kg，光爆炮眼深3.8 m，實際進尺3.5 m，爆破后通風(fēng)30 min才能進洞裝渣。

3.2 隧道掘進水壓爆破新階段炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

隧道掘進水壓爆破新階段仍采取圖4常規(guī)爆破炮眼分布、炮眼數(shù)量、深度及設(shè)計循環(huán)進尺與不變。

3.2.1 光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

設(shè)計循環(huán)進尺3.8 m，相應(yīng)的光爆炮眼深也為3.8 m，其炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—1袋水袋；2—1卷藥卷；3—導(dǎo)爆索1-One water bag; 2-One explosive column;3-Detonating cord圖 5 光爆炮眼深3.8 m裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig. 5 Charging structure of 3.8 m deep smooth blasting hole(unit：cm)

需要特別說明的是，隧道掘進水壓爆破第一、二階段水袋長20 cm，而隧道掘進水壓爆破新階段水袋長60 cm。

往光爆炮眼裝填水袋和藥卷順序為：第一步往炮眼最底部裝1袋水袋；第二步裝1卷炸藥；第三步裝3袋水袋；第四步裝一卷炸藥；第五步再裝1袋水袋封堵。

要特別指出的是，光爆炮眼中的兩卷炸藥用導(dǎo)爆索起爆。理應(yīng)分別用塑料導(dǎo)爆管非電起爆系統(tǒng)的非電毫秒雷管起爆，比導(dǎo)爆索起爆費用低，而且操作簡便快捷，但當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)管理部門規(guī)定不得使用非電雷管必須使用數(shù)碼雷管。數(shù)碼雷管價格太高，其起爆費用比導(dǎo)爆索高得多。非電雷管禁止使用而數(shù)碼雷管又昂貴，那么最好只能采取導(dǎo)爆索起爆。

3.2.2 光爆炮眼以外所有炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

光爆炮眼以外的所有炮眼裝填水袋和藥卷順序為：第一步往炮眼最底裝1袋水袋；第二步比常規(guī)爆破少裝1袋炸藥；第三步裝填水袋到炮眼口。要說明的是當(dāng)裝填水袋到離炮眼口長度小于60 cm時就不繼續(xù)裝水袋了。

以掏槽炮眼深4.8 m為例，其裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示。掏槽炮眼4.8 m深，常規(guī)爆破裝9卷炸藥，而水壓爆破裝8卷炸藥。

1—水袋；2—藥卷；3—導(dǎo)爆管1-Water bag；2-Explosive；3-Nonel圖 6 掏槽炮眼(深度480 cm)裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig. 6 Charge structure of cut hole(depth of 480 cm)(unit：cm)

3.3 隧道掘進水壓爆破新階段爆破效果

何公塘隧道掘進水壓爆破新階段單位用藥量為0.67 kg/m3，而常規(guī)爆破為0.89 kg/m3，節(jié)省炸藥25%。

何公塘隧道掘進水壓爆破新階段設(shè)計循環(huán)進尺3.8 m，實際進尺3.8 m，單個炮眼利用率100%，而常規(guī)爆破同樣設(shè)計循環(huán)進尺3.8 m，而實際進尺3.5 m，每循環(huán)提高掘進30 cm。光面爆破不欠挖更不超挖，平順整齊，半眼痕保留率達90%以上，提高了炮眼的利用率。見圖7照片。

圖 7 光爆效果Fig. 7 Smooth blasting effect

隧道掘進水壓爆破新階段伊始，炮眼最底部裝1袋長20 cm水袋，還用炮泥堵塞，其爆破后粉塵濃度下降約90%，而何公塘隧道掘進水壓爆破新階段，炮眼最底裝1袋長為60 cm水袋，而且不用炮泥堵塞，粉塵濃度下降會大于90%，有待監(jiān)測[18-21]。

何公塘隧道掘進水壓爆破新階段，由于采取三臂鑿巖臺車打眼和實施水壓爆破新階段炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，一天兩個循環(huán)，進尺達7.6 m，一個月(按25 d計算)累計進尺190 m，現(xiàn)今已走向常態(tài)作業(yè)施工。

4 隧道掘進水壓爆破新階段優(yōu)勢

隧道掘進水壓爆破新階段比其第一、二階段優(yōu)勢體現(xiàn)如下：

一是不用炮泥回填堵塞改用水袋，在山嶺地區(qū)不要說找黏土，就是找土都困難；加工炮泥費工費時，還要當(dāng)天加工當(dāng)天用；炮眼回填炮泥費時。新階段不要炮泥，減輕了鉆爆作業(yè)人員的工作量。

二是水袋長20 cm改為60 cm，這樣加工水袋和往炮眼裝填更方便快捷，再加上不需要炮泥回填堵塞，縮短往炮眼裝填水袋和藥卷時間。

三是在允許使用非電雷管的前提下，光爆炮眼與導(dǎo)爆索不同，不但降低了起爆器材費用，而且裝藥快還避免出現(xiàn)啞炮，保證安全施工。

四是由于炮眼底部裝60 cm長水袋再加上不用炮泥回填堵塞，降塵效果比水壓爆破第一、二階段會更好，有力地改善隧道作業(yè)環(huán)境，保護作業(yè)人員身體健康。

5 結(jié)束語

隧道掘進水壓爆破新階段的裝藥結(jié)構(gòu)經(jīng)實際采用，已取得令人滿意的效果，深受施工單位歡迎，增強了持續(xù)使用隧道掘進水壓爆破的信念。

關(guān)于隧道掘進水壓爆破新階段炮眼最底部裝1袋長60 cm水袋，比20 cm長水袋更有利于降塵，是不是極限長度？還有光爆炮眼以內(nèi)的所有炮眼，水壓爆破比常規(guī)爆破少裝1卷藥卷還可不可以再少裝？等等，有待進一步分析研究[22-24]。隧道掘進水壓爆破新階段粉塵濃度有待進行監(jiān)測，以確定粉塵濃度到底下降多少。

(文章撰寫得到何廣沂教授指點幫助，深表感謝！)