高速公路隧道破碎圍巖掘進水壓光面爆破施工技術(shù)

任宇寧

（中交建筑集團有限公司，北京）

聚能水壓光面爆破是常用的隧道爆破施工技術(shù)，集安全、爆破精度高、成本低、對周邊生態(tài)環(huán)境的影響小等優(yōu)勢。在破碎圍巖地質(zhì)條件下進行水壓光面爆破時，涉及到的施工細節(jié)較多，專業(yè)性突出，因此深入研究聚能水壓光面爆破施工技術(shù)具有重要意義。

1 工程概況

某高速公路隧道全長3 620 m，為分離式隧道，隧道最大相對高差約86.39 m，沿線最高海拔約779.71 m。隧址區(qū)位于泌水凹陷區(qū)，于K44+590 處存在斷距約為140 m、傾向約為110°、走向約為30°的斷層，寬度約30 m，區(qū)內(nèi)延伸長度約2.4 km。隧址區(qū)的地質(zhì)以破碎圍巖為主，此特殊地質(zhì)條件下的爆破施工屬于本工程的重難點內(nèi)容，經(jīng)技術(shù)研究，采用安全性高、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟、環(huán)保的聚能水壓光面爆破技術(shù)，下文做具體的研究。

2 技術(shù)原理

聚能水壓光面爆破技術(shù)是常規(guī)水壓爆破的升級形式，采用聚能管裝置，取消炮眼中的藥卷和傳爆線，爆破效果更加良好。于炮眼的底部和上部設(shè)置水袋，用足量的炮泥封堵炮眼，保證爆破有效性的同時避免爆破產(chǎn)生過量的粉塵。對于常規(guī)光面爆破技術(shù)，應(yīng)力波在巖石中發(fā)生傳播，炮眼連線兩側(cè)存在強于巖石抗拉強度的拉應(yīng)力，在此力的作用下，產(chǎn)生初始裂縫，且裂縫將由于高壓氣體的作用而進一步擴大。在常規(guī)水壓爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上進行改進，采用技術(shù)更加先進的聚能水壓光面爆破技術(shù)，提供高溫高壓環(huán)境，使聚能管充分釋放能量，以“氣刃”作用實現(xiàn)爆破，位于炮眼底部和上部的水袋具有“水楔”效應(yīng)，且爆破過程中還有膨脹作用，巖石由于受到多重作用而由完整轉(zhuǎn)變?yōu)槠扑闋顟B(tài)，此爆破工藝下的爆堆長度更小，在保證隧道圍巖爆破效果的同時有利于快速出渣[1]。

3 聚能水壓光面爆破的重要性

項目隧址區(qū)地質(zhì)條件復雜，爆破開挖時需要兼顧安全、穩(wěn)定、高效等要求，聚能水壓光面爆破具有重要的應(yīng)用價值，具體體現(xiàn)在如下幾方面：

（1） 聚能水壓光面爆破技術(shù)可適應(yīng)巖性復雜的地層，突破地質(zhì)條件對隧道爆破的限制。

（2） K44+590 處有斷層，爆破控制要求高，若采用聚能水壓光面爆破技術(shù)，在合理優(yōu)化爆破流程以及設(shè)定爆破參數(shù)后，保障施工安全，避免斷層因爆破施工而出現(xiàn)異常。

（3） 通過水壓傳遞能量，在保證爆破效果的同時還可減少爆破時的能耗。

（4） 環(huán)保特性突出，例如在降低噪音、減弱振動等方面均具有優(yōu)勢，可以減小爆破對周邊環(huán)境產(chǎn)生的不良影響[2]。

4 爆破方案

遇軟弱圍巖地質(zhì)段時，采取爆破開挖的施工方法，以雷管段號為準，依次爆破。在保證爆破有效性的同時，減輕爆破時的地震動，減小爆破對周邊環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。在考慮到現(xiàn)場施工條件的特殊性以及破碎圍巖地質(zhì)條件下的各項爆破控制要求后，設(shè)計如下爆破方案：

（1） 適當減少裝藥量，兼顧爆破有效、節(jié)約材料、減少擾動等要求。條件允許時及時封閉圍巖，縮短圍巖的外露時間。遵循短進尺的爆破原則，協(xié)調(diào)各項爆破生產(chǎn)要素，促進工序循環(huán)。

（2） 圍巖破碎且含水量較高，選擇的是非電毫秒雷管和乳化炸藥。

（3） 配置多臺鉆機，由專人指揮，協(xié)同作業(yè)；采用中空直眼掏槽；縮小巖石的拋擲距離，控制拋擲范圍，避免機械設(shè)備因巖石拋擲而受損。

5 聚能水壓爆破要點

施工工藝流程，如圖1 所示。

圖1 聚能水壓爆破工藝流程

5.1 準備工作

（1） 按照如圖2 所示的方式設(shè)置周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)。炮眼內(nèi)由底部向頂部依次設(shè)置的是水袋、聚能管、水袋、炮泥，其中水袋和炮泥的填塞必須嚴密，聚能管的長度為炮眼長度的65%～75%，向周邊眼內(nèi)設(shè)置導爆索，構(gòu)成一個完整的周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，可以在取得良好爆破效果的同時減輕爆破對周邊環(huán)境的危害。

圖2 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意

（2） 制作炮泥：炮泥由黏土、砂、水按比例配制而成。黏土，選擇粒徑不大于10 mm、含水量低于8%、干凈的普通黏土；砂，以河砂為宜，或采用其它潔凈的細砂。經(jīng)過過篩處理后，剔除黏土和砂中的雜物。黏土、砂、水的比例取0.75:0.1:0.15，在制作炮泥的前一天由人工拌和、燜料，用PNJ-A 炮泥機制作出柔韌性良好的炮泥。向料斗內(nèi)裝入20 kg 經(jīng)過燜料處理后的泥料，轉(zhuǎn)動螺旋推壓，借助外力作用促使泥料具有密實性，在確認炮泥的質(zhì)量達標后，用臥式螺旋輸送成型器輸出并進行切斷，單段長度控制在20 cm～30 cm。根據(jù)炮泥的使用要求，提前1 h 左右進行制作，制成后將其置于陰涼區(qū)域，外包塑料薄膜。

（3） 制作水袋：水袋材質(zhì)為聚乙烯，單個水袋的基本規(guī)格為厚度0.8 mm，長度200 mm，直徑35 mm，用KPS-60 灌裝封口機制作水袋。灌裝量可通過調(diào)整位移蝶形螺母的方式予以控制，逆時針、順時針旋轉(zhuǎn)時，分別對應(yīng)的是增加、減少灌裝量。根據(jù)指示燈判斷水袋封口溫度是否合理，若由綠燈轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈，則說明溫度合理。水袋內(nèi)聚集空氣時，需要先將其排出，作業(yè)人員將尺寸、完整性各方面均達標的塑料袋嚴密套至水管上，再由設(shè)備按照預(yù)設(shè)參數(shù)自行完成灌注和封口作業(yè)。

（4） 組裝聚能管：以異形雙槽特種塑料管為基礎(chǔ)單元，經(jīng)過組裝后形成完整的聚能管，管中有凹陷的槽，即聚能槽，槽頂部距離為17.27 mm，頂角為70°，組合成型的聚能管的寬度為28.35 mm。聚能槽對準開挖輪廓面，兩半壁管可調(diào)聚能方向為8°～10°，具有靈活性。根據(jù)裝藥量計算結(jié)果，將適量的乳化炸藥裝入聚能管內(nèi)，截面如圖3 所示。

圖3 聚能管截面示意

圖4 掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)

圖5 輔助眼裝藥結(jié)構(gòu)

起爆器材以起爆雷管和傳爆線為主，組裝成型的起爆器必須安全，各部位連接準確且穩(wěn)定。向半壁管注藥時采用的是空壓機和注藥槍等設(shè)備，注藥的基本流程，如下：

藥卷裝入注藥槍筒內(nèi)，控制好乳化炸藥的裝藥量后，擰上蓋子，用注藥槍以0～2 個大氣壓進行加壓注藥，炸藥在受到推送作用后，由槍口流入半壁管內(nèi)；放置傳爆線，扣接兩個半壁管，扣接部位保持嚴密；再將起爆雷管安裝到位，此時則形成一個完整的聚能管，于兩端套塑料套圈，根據(jù)爆破要求，調(diào)整好聚能槽的布設(shè)位置，以對準隧道輪廓面為宜，一旦聚能槽布設(shè)到位，便要采取固定措施，在后續(xù)不可發(fā)生轉(zhuǎn)動。起爆雷管的安裝方式是先運送至掌子面，再安裝到位，不宜直接在聚能管裝置組裝房內(nèi)安裝，否則存在較多的安全隱患。按照上述流程進行操作，約1 h 即可組裝一個循環(huán)光爆炮孔的聚能管裝置，施工效率高。

5.2 鉆孔及清孔

按照鉆孔施工要求，測放斷面中線和水平線，確定炮眼的位置，向鉆孔施工人員進行技術(shù)交底，使其明確炮眼的位置、間距、角度等參數(shù)。根據(jù)鉆孔要求，安排鉆孔臺車、風槍、空壓機等設(shè)備就位，在指定位置鉆孔。成孔后，清理石屑及其它雜物，使鉆孔內(nèi)部保持干凈。

5.3 裝藥及爆破

（1） 裝藥：①輔助眼和掏槽眼：兩者的裝藥方式基本一致，先向炮眼底部填入水袋，裝入藥卷并使其與水袋緊密貼合至一體，裝填水袋的累計長度以炮眼深度的1/2 為宜。輔助眼、掏槽眼的主要區(qū)別在于裝藥量的不同，分別比常規(guī)爆破方式所用藥卷少1 卷、2卷。②周邊眼：向炮眼內(nèi)裝一節(jié)水袋，布置聚能管裝置，用炮泥封堵嚴密。

（2） 爆破：破碎圍巖地質(zhì)條件下的爆破施工安全隱患多，為保障施工安全，深入優(yōu)化了爆破方式，采用孔內(nèi)延期微差、孔外簇聯(lián)的爆破方法，并聯(lián)引爆雷管。導爆索保持順直和完整，不打結(jié)，用黑膠布在距離一簇導爆管自由端10 cm 以上的部位做包扎處理。起爆網(wǎng)絡(luò)連接成型后，做全面的檢查，判斷連接是否準確，各項條件均無誤后，按照從掏槽眼開始依次向外進行起爆作業(yè)。

5.4 出碴及初期支護

爆破后，加強現(xiàn)場通風，快速排煙降塵；進行排險，判斷是否存在危石、啞炮等，處理安全隱患；確認爆破現(xiàn)場具有安全性后，出碴車外運棄碴；爆破開挖面的穩(wěn)定性較差，在爆破后及時設(shè)置初期支護結(jié)構(gòu)，使開挖面維持穩(wěn)定。

6 爆破方式應(yīng)用效果的對比分析

考慮常規(guī)光面爆破和聚能水壓光面爆破兩種技術(shù)，對比分析單個循環(huán)時兩種爆破技術(shù)的技術(shù)指標，具體如表1 所示。

表1 爆破技術(shù)指標對比

根據(jù)多項技術(shù)指標的對比分析結(jié)果可知，聚能水壓光面爆破施工效果優(yōu)于常規(guī)光面爆破，具體優(yōu)勢為：

（1） 周邊眼孔距增加，周邊眼的數(shù)量減少，縮短鉆眼時間以及節(jié)約鉆眼的資源投入，且無需耗費過多的時間用于裝藥，整個聚能水壓光面爆破施工可高效進行。

（2） 聚能水壓光面爆破的循環(huán)進尺為4.00，相比常規(guī)光面爆破技術(shù)而言增加0.72，提高了炮孔利用率。

（3） 聚能水壓光面爆破技術(shù)有效緩解了超挖、欠挖問題，提高半眼痕率，開挖輪廓面的形態(tài)平順、結(jié)構(gòu)完整，保證了破碎圍巖地質(zhì)條件下的爆破效果。

（4） 聚能水壓光面爆破過程中產(chǎn)生的爆破飛石數(shù)量較少，雖然也存在振動和噪聲，但相比常規(guī)光面爆破技術(shù)而言更弱，合理設(shè)置水袋以及嚴密封堵炮眼后，有效控制了爆破煙塵，對周邊環(huán)境的影響較小。根據(jù)爆破振動測試結(jié)果確定質(zhì)點振動峰值速度，常規(guī)爆破方式為0.568 cm/s，相比之下，聚能水壓光面爆破時該值為0.203 cm/s，降振效果良好，符合安全文明的工程施工要求。

7 結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合高速公路隧道工程實例，主要研究了聚能水壓爆破技術(shù)，明確了此項技術(shù)的應(yīng)用流程、施工要點以及施工注意事項，進行多項技術(shù)指標的對比分析，認為聚能水壓光面爆破技術(shù)具有可行性。現(xiàn)階段，聚能水壓光面爆破技術(shù)仍有較大的進步空間，尤其是在破碎圍巖等特殊地質(zhì)條件下，更要管控好各項施工細節(jié)，因此相關(guān)人員仍需進一步探索，提高技術(shù)應(yīng)用水平。