張　寶（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司東南分公司，江西 南昌 330038）

水壓爆破在單線隧道施工中的應(yīng)用

張寶
（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司東南分公司，江西 南昌 330038）

本文針對(duì)隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖掘進(jìn)速度慢、光面爆破效果不理想、炸藥利用不充分、降塵速度慢的問(wèn)題，提出改進(jìn)原始的爆破方法，采用水壓爆破方法對(duì)隧道進(jìn)行爆破。隧道水壓爆破是在傳統(tǒng)的隧道光面爆破中加入水袋的施工方法。因?yàn)檎ㄋ幈ㄒ鸬臎_擊波在水中的衰減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在空氣中衰減的速度，所以加入水袋后，能夠使爆炸沖擊波更好的傳播，減少爆炸能量消耗，從而提高了爆破效率，節(jié)約炸藥用量，降低開(kāi)挖成本，大大的提高了隧道開(kāi)挖的經(jīng)濟(jì)效益。

隧道；水壓爆破；效益

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)在不斷的加大高速公路和高速鐵路鐵路投資，隨著火車速度的提高，對(duì)鐵路選線的要求也不斷提高，橋隧比重在不斷增大，尤其在我國(guó)西南地區(qū)、東南沿海崇山峻嶺地區(qū)，橋隧占的比重越來(lái)越大，隨著科技和機(jī)械設(shè)備的不斷更新和發(fā)展，隧道的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度也越來(lái)越長(zhǎng)，但這也成為了工作的難度，因此我們必須對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)控制。

分析我國(guó)隧道爆破掘進(jìn)工作的情況不難發(fā)現(xiàn)，在隧道爆破掘進(jìn)期間一般不進(jìn)行回填堵塞工作，還可能只將炸藥箱紙殼卷成卷放到眼口上，致使炸藥爆炸能量大部分被浪費(fèi)，炸藥能量利用率低下。而“隧道掘進(jìn)水壓爆破”其創(chuàng)新點(diǎn)是：“往炮眼中一定位置注入一定量的水，并用專用的設(shè)備制成的‘炮泥’回填堵塞炮眼”，大大減少了炸藥能量的外泄，提高了炮眼利用率，加快了隧道開(kāi)挖進(jìn)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益。并且在炮孔中加入水袋后，炸藥爆炸后對(duì)水起到了霧化作用，大大降低了爆炸時(shí)產(chǎn)生的粉塵，真正做到了環(huán)保施工。

2 工程概況

福建漳州港尾項(xiàng)目部承建的太武山隧道全長(zhǎng)3929m，隧道為單線隧道，進(jìn)口已經(jīng)掘進(jìn)了2100m，目前掌子面圍巖為Ⅱ級(jí)圍巖；圍巖揭露為弱風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較硬，強(qiáng)度較高，圍巖整體性較好，帶少量滲水。由于隧道斷面較小，且隧道進(jìn)洞比較深，導(dǎo)致隧道排煙速度慢，洞內(nèi)粉塵很大，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺不理想，嚴(yán)重制約了隧道施工進(jìn)度。針對(duì)隧道掘進(jìn)速度慢、光面爆破效果不理想、炸藥利用不充分、降塵速度慢的問(wèn)題，提出改進(jìn)原始的爆破方法，采用水壓爆破方法對(duì)隧道進(jìn)行爆破。

3 爆破原理

隧道水壓爆破的工作原理就是利用水中爆破應(yīng)力波是不可壓縮的這一性質(zhì)，來(lái)將爆炸能量幾乎百分百的傳達(dá)到炮眼圍巖內(nèi)，這種方式能夠起到非常好的破碎效果。此外，爆炸氣體的膨脹作用會(huì)在水中出現(xiàn)一種“水楔”效用，有助于巖石的再次破碎，且炮眼內(nèi)的水能夠發(fā)揮霧化降塵的效果，能夠避免產(chǎn)生粉塵污染。

（1）炸藥在爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，在水中的衰減速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在空氣中衰減的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸藥產(chǎn)生的沖擊波通過(guò)水袋直接作用在巖石上，大大的減少了炸藥能量的消耗，提高了炮眼利用率。

（2）炮眼中的水袋，在炸藥爆炸的作用下，會(huì)產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，有利于圍巖的進(jìn)一步破碎，減少爆破產(chǎn)生的大塊率。堵塞水袋在爆炸的作用下會(huì)產(chǎn)生霧化作用，可以吸收粉塵，降低爆破后的粉塵濃度，減少了爆后對(duì)環(huán)境的污染。

（3）由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸藥能量的外泄，炸藥能量充分利用在爆破巖石上，使得爆破效率提高，減少了炸藥的消耗，提高了隧道開(kāi)挖的經(jīng)濟(jì)效益。

4 水壓爆破設(shè)計(jì)

水壓爆破的設(shè)計(jì)方案和傳統(tǒng)的隧道光面爆破大致是一樣的，僅僅在裝藥結(jié)構(gòu)與炮孔堵塞方面有細(xì)小的調(diào)整。

圖1 水壓爆破工藝流程圖

圖2 鉆爆設(shè)計(jì)示意圖

4.1 工藝流程

水壓爆破與一般的爆破大致是一樣的，細(xì)微的差異就是在工作前必須要準(zhǔn)備好需要的炮泥和水袋，還要按照規(guī)定的結(jié)構(gòu)來(lái)分步驟裝入水袋、炸藥以及水袋，并使用炮泥添堵。具體工藝流程如圖1所示。

4.2 器材

4.2.1 爆破器材

根據(jù)施工中常用的爆破器材、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的選用，以及水壓爆破的特殊要求，采用塑料導(dǎo)爆管、毫秒雷管起爆系統(tǒng)，毫秒雷管采用15段別毫秒雷管，引爆采用氣雷管。爆破器材選用直徑為32的防水乳化炸藥，炮孔內(nèi)所用水袋及堵塞材料都由專用機(jī)械加工而成，長(zhǎng)度約為20cm。

圖3 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4.2.2 封填器材

（1）水袋制作

往炮眼中注水的工藝是，先把水灌入到塑料袋中，然后把水袋填入炮眼的底部與中上部位。

水袋加工封口機(jī)采用浙江溫州鑫瑞包裝機(jī)械有限公司產(chǎn)KPS-160塑料灌裝封口機(jī)，塑料袋為通用的聚乙烯塑料制成，袋厚0.8mm左右，對(duì)于炮眼直徑為40mm的炮眼，袋徑為35mm，袋長(zhǎng)200mm左右，封口機(jī)使用前，排空其中所有的空氣，并且要在噴嘴上的袋子裝滿水后，進(jìn)行壓口塑封工作。要保證水袋是充滿的，而封口后的水袋應(yīng)該不會(huì)漏水。高質(zhì)量的水袋是很堅(jiān)挺的，因此能夠順利的填入炮眼中。

（2）炮泥制作

炮泥是由黏土、砂和水三種成分組成，三種成分的重量比例為黏土∶砂∶水=0.75∶0.1∶0.15。

炮泥加工采用河南鄭州五星機(jī)械廠炮泥機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)炮孔直徑40mm，炮泥加工直徑一般取36mm～38mm。粘土取自當(dāng)?shù)兀庸で跋葘⒄惩林须s物清除，大顆粒人工破碎，后用噴霧器均勻?yàn)⑺?，放?～3天，然后再調(diào)整含水率至10%～18%（根據(jù)不同土質(zhì)）左右，將拌合后的粘土裝入炮泥機(jī)的進(jìn)料倉(cāng)中，啟動(dòng)電鈕，出口處便能夠出來(lái)長(zhǎng)圓形的炮泥，然后按照20cm每段進(jìn)行切割，這就是炮泥加工的整個(gè)過(guò)程。

高質(zhì)量的炮泥是非常光滑的，用手指按壓時(shí)還會(huì)有痕跡。炮泥制作好后不應(yīng)暴曬，為防止其失水，通常要提前2～3h制作完成。

4.3 爆破參數(shù)

4.3.1 炮眼設(shè)計(jì)

（1）掏槽眼采用復(fù)式楔形掏槽，合計(jì)20個(gè)孔，孔深3.5m，豎向間距45cm～65cm，水平間距40cm～110cm，裝藥集中度均為0.63kg/m。

（2）周邊眼采用光爆設(shè)計(jì)，合計(jì)35個(gè)孔，孔深3m，間距45～65cm，眼內(nèi)間隔裝藥，平均裝藥集中度為0.3kg/m。

（3）輔助眼合計(jì)49個(gè)孔，孔深3m，間距45～65cm，裝藥集中度為0.45～0.55kg/m，內(nèi)圈單孔裝藥較外圈單孔裝藥量稍大。

（4）底板眼分3排，合計(jì)12個(gè)孔，孔深3m，間距45cm～110cm，裝藥集中度為0.55kg/m～0.65kg/m，內(nèi)圈單孔裝藥較外圈單孔裝藥量稍大。

4.3.2 鉆爆設(shè)計(jì)

鉆爆設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖4 掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)

4.4 裝藥及起爆

4.4.1 裝藥方法

要使用人工用木制炮棍來(lái)裝藥，施工者應(yīng)依次將藥卷裝進(jìn)炮孔中，然后用炮棍搗實(shí)，以縮小各個(gè)藥卷間的距離，降低傳爆效果。裝藥期間不能使用炮棍來(lái)?yè)v實(shí)，這樣可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的力而導(dǎo)致水袋破裂或者使裝藥密度過(guò)大，使炸藥壓死無(wú)法爆炸。

4.4.2 裝藥結(jié)構(gòu)

（1）要使用空氣來(lái)間隔空氣眼，并使用爆索起爆的工作方式，要想使導(dǎo)爆索順利進(jìn)入空底藥卷中，必須使用導(dǎo)爆索來(lái)起爆，并保證炸藥分布均勻。還要在底部多放一些藥，這樣能減少底部炮眼的阻力。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長(zhǎng)約20cm的一節(jié)水帶，并在裝藥結(jié)束后再裝入2節(jié)水袋，再進(jìn)行堵塞（如圖3所示）。

（2）掏槽眼、輔助眼、抬炮眼等采用連續(xù)耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長(zhǎng)約20cm的一節(jié)水帶，并在裝藥結(jié)束后再裝入2節(jié)水袋，再進(jìn)行堵塞（如圖4所示）。

4.4.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及起爆方法

起爆網(wǎng)路采用非電微差復(fù)式起爆網(wǎng)路技術(shù)，爆破成功率高，成本低，還可以實(shí)現(xiàn)等間隔微差起爆，并且起爆段數(shù)和炮孔數(shù)不受雷管段別限制，降低了爆破振動(dòng)。各炮眼的導(dǎo)爆管引線連接采用一把抓形式圖，連接線必須采用同種秒段導(dǎo)爆管，尾線不小于5m。非電毫秒雷管插入炸藥內(nèi)，正向裝入眼孔內(nèi)，導(dǎo)爆管引線也采用一把抓式連接線，雷管采用低秒段，同組連接線必須采用同種秒段導(dǎo)爆管（如圖5所示）。

4.4.4 起爆順序

為滿足光面爆破的要求，先起爆掏槽眼，為其他炮孔提供臨空面，再起爆輔助眼、內(nèi)圈眼，最后起爆周邊眼、底眼。為了保證各類炮眼之間的起爆時(shí)差，增強(qiáng)起爆效果，在選用毫秒雷管時(shí)一般隔段使用，即選用1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#等。

4.5 爆后檢查及盲炮處理

響炮30min后方可進(jìn)入爆區(qū)檢查，并對(duì)爆堆的形狀大小、殘孔率、飛石最大距離及盲炮情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，掌握一手資料，適時(shí)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

如發(fā)現(xiàn)盲炮應(yīng)立即通知專職爆破員進(jìn)行處理，處理方法為：

（1）二次起爆法：如果網(wǎng)絡(luò)連接不良也可能會(huì)造成盲炮現(xiàn)象，這時(shí)就需要再次進(jìn)行連線起爆工作；

（2）誘爆法：若盲炮無(wú)法二次起爆，在附近環(huán)境允許的條件下就要探測(cè)裝藥的實(shí)際位置，并在裝藥孔的周圍開(kāi)展鉆孔工作，加入部分炸藥后，就可以將其引爆。

（3）人工排除法：采用高壓風(fēng)吹出堵塞物，取出起爆雷管及炸藥。

在處理盲炮時(shí)無(wú)關(guān)人員不得在場(chǎng)，并在危險(xiǎn)區(qū)邊界設(shè)置警戒，危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)禁止進(jìn)行其他作業(yè)。盲炮處理后應(yīng)仔細(xì)檢查爆堆，并將殘留爆破器材清理干凈。

圖5非電微差復(fù)式起爆網(wǎng)路圖

5 水壓爆破效果及經(jīng)濟(jì)分析

5.1 爆破效果分析

常規(guī)爆破的炮眼利用率為86.67%，而水壓爆破的利用率達(dá)到了93.33%，每循環(huán)耗藥量降低了19.2kg，爆破振動(dòng)速度降低了50.5%，粉塵濃度下降了55%，通風(fēng)排煙由過(guò)去4h縮短為3h，降塵時(shí)間明顯減少1h。所以，水壓爆破在節(jié)約、保證工作進(jìn)度、減少通風(fēng)時(shí)間、提高洞內(nèi)條件方面有著顯著優(yōu)點(diǎn)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

5.2 經(jīng)濟(jì)分析

將常規(guī)的爆破與水壓爆破的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)挖斷面面積一樣，炮眼位置以及鉆孔的深度相同的基礎(chǔ)上，水壓爆破各循環(huán)比普通爆破是多0.2m的，每循環(huán)節(jié)省炸藥19.2kg，每爆破一立方巖石節(jié)省炸藥0.202kg，最為顯著的是通風(fēng)降塵時(shí)間縮短了1h，通過(guò)綜合分析對(duì)比水壓爆破每延米節(jié)省直接費(fèi)用275.3元。

表1 隧道循環(huán)裝藥量

此外，采用節(jié)能環(huán)保水壓光面爆破技術(shù)有效控制了超欠挖，大大減少了因超挖造成的噴射混凝土、襯砌混凝土回填的數(shù)量，成本控制效果明顯。按常規(guī)爆破拱部平均線性超挖15cm、邊墻平均線性超挖10cm，而水壓爆破平均線性超挖10cm計(jì)算，每米可節(jié)省超挖部分噴射混凝土等間接費(fèi)用291元。具體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 隧道掘進(jìn)常規(guī)/水壓爆破效果對(duì)比表

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在太武山隧道進(jìn)口段進(jìn)行的水壓爆破，通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出隧道水壓爆破由于加入了水的元素，確實(shí)能夠使資源獲得最大化應(yīng)用，節(jié)省了炸藥總量，并能夠很好的保證工作進(jìn)度，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。并且炸藥爆炸后對(duì)水袋中的水起到了霧化作用，相當(dāng)于在爆炸后一瞬間對(duì)爆堆進(jìn)行了一次噴水，加大了對(duì)爆后粉塵及有害氣體的吸收，降低了爆后隧道內(nèi)粉塵的濃度，真正做到了環(huán)保施工的要求?？偨Y(jié)水壓爆破優(yōu)點(diǎn)如下：

表3 隧道掘進(jìn)常規(guī)/水壓爆破每米經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

（1）提高了炸藥的能量利用率：炸藥單耗明顯降低。

（2）提高了施工效率：循環(huán)進(jìn)尺明顯加大。

（3）提高了經(jīng)濟(jì)效益：成本明顯減少，效益明顯提升。

（4）保護(hù)了環(huán)境：爆破后粉塵濃度明顯降低，改善了空氣質(zhì)量，保護(hù)了作業(yè)人員身體健康。

本項(xiàng)目全線隧道19座，施工至今仍有6km隧道未貫通，介于水壓爆破效果顯著、優(yōu)點(diǎn)突出，計(jì)劃將水壓爆破這項(xiàng)技術(shù)在全線爆破施工中推廣。

[1] TB10415-2003，鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]鐵路隧道工程施工技術(shù)指南（鐵建設(shè)[2010]241號(hào)）[Z].

[3]何廣沂.工程爆破新技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

[4]張松林.水壓爆破破碎特征研究[M].1986.

[5]王曉雷.水壓爆破裝藥參數(shù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究[D].河北理工學(xué)院，2004.

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