劉志超

摘要：隨著高速公路隧道施工技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)大長(zhǎng)隧道施工中遇到的爆破煙塵大、施工效率低、炸藥單耗高的難題，我們組織研究并應(yīng)用了一種隧道水楔破巖復(fù)合爆破施工技術(shù)，此技術(shù)在隧道水壓爆破的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新及優(yōu)化，通過(guò)采用炮孔快速投影定位裝置、擠壓式自封口水袋、水袋批量快速充裝排管、粘塵試劑水溶液及樹(shù)脂快凝炮孔封堵材料等新裝置、新材料應(yīng)用于隧道水壓爆破施工中，極大提高了爆破開(kāi)挖施工效率、減少了爆破煙塵的產(chǎn)生、降低了炸藥單耗，是隧道爆破開(kāi)挖施工的新技術(shù)新工藝。

Abstract： With the development of highway tunnel construction technology， for the problem encountered in the construction of large tunnel， such as blasting dust， low construction efficiency and high explosive consumption， we have organized and applied a kind of composite blasting technology of tunnel water wedge breaking rock. This technology is innovated and optimized on the basis of tunnel hydraulic blasting， by adopting blast hole rapid projection positioning device， extrusion type self-sealing bag， fast filling pipes， sticky reagent water solution and resin fast setting hole sealing material and other new equipment， new materials into tunnel water pressure blasting construction， it greatly improves the blasting excavation construction efficiency， reduces the generation of blasting dust and reduces the unit consumption of explosives， which is a new technology and new technology for tunnel blasting excavation.

關(guān)鍵詞： 隧道水楔破巖;復(fù)合爆破;施工技術(shù)

Key words： tunnel water wedge breaking rock;composite blasting;construction technology

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）07-0147-03

0 引言

重慶江習(xí)高速公路四面山特長(zhǎng)隧道為分離式和一般小凈距組合式隧道，雙向四車(chē)道，全長(zhǎng)4880m。隧道穿越地層為砂巖、泥巖護(hù)層，圍巖差，主要為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖，Ⅴ級(jí)為43%，Ⅳ級(jí)為57%。隧道起止樁號(hào)：左線(xiàn)LZK0+200～LZK5+080，長(zhǎng)4880m，右線(xiàn)LYK0+202～LYK5+077.35，長(zhǎng)4875.35m，四面山特長(zhǎng)隧道采取鉆爆法進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖采用雙向單頭掘進(jìn)，最大單洞進(jìn)深達(dá)2.8km。

1 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

四面山特長(zhǎng)隧道工程采取鉆爆法掘進(jìn)施工，粉塵、有毒煙氣生成量較大;同時(shí)四面山隧道進(jìn)口屬于上坡施工，其施工工況造成該隧道通風(fēng)排塵難度加大，隧道內(nèi)的施工環(huán)境較差。由風(fēng)機(jī)至作業(yè)人員到達(dá)掌子面開(kāi)始施工花費(fèi)時(shí)間多達(dá)1.5～3h。隨著隧道不斷掘進(jìn)深入，施工通風(fēng)難度進(jìn)一步加大，132kW×2的軸流風(fēng)機(jī)持續(xù)通風(fēng)下仍難以有效除塵，嚴(yán)重影響隧道內(nèi)施工作業(yè)人員健康。

隧道施工作業(yè)流程產(chǎn)塵較多的環(huán)節(jié)是掘爆。這些爆破粉塵對(duì)施工人員身體造成的危害極大，設(shè)法降低隧道粉塵濃度需在掘爆作業(yè)過(guò)程中采取多項(xiàng)技術(shù)措施。

2 技術(shù)設(shè)計(jì)路線(xiàn)、原理及特點(diǎn)

技術(shù)設(shè)計(jì)路線(xiàn)：隧道水楔破巖復(fù)合爆破施工技術(shù)，在爆破施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行工藝創(chuàng)新和改變，在基于傳統(tǒng)隧道爆破及隧道水壓爆破的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化和改善。

技術(shù)原理：在水壓爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上，將摻有0.5%濃度的粘塵試劑水溶液，通過(guò)一種排管裝置批量注入至一種擠壓式自封口爆破水袋，批量形成爆破水卷。在不改變?cè)斜茀?shù)的情況下，在每個(gè)炮孔內(nèi)按特定的爆破裝藥結(jié)構(gòu)塞入水卷，并在爆破孔口采用一種快凝樹(shù)脂封堵劑進(jìn)行封堵。在水中傳播的沖擊波對(duì)水的不可壓縮，爆炸能量無(wú)損失地經(jīng)過(guò)水傳遞到炮孔的圍巖裂隙，這種無(wú)能量損失的應(yīng)力波十分有利于巖石破碎，達(dá)到在不降低爆破效果的基礎(chǔ)上，減少炸藥的單耗;同時(shí)孔內(nèi)爆破后抨擊的介質(zhì)水體使掌子面霧化，水膜包裹巖石，從源頭阻止爆破粉塵產(chǎn)生，達(dá)到降塵改善施工作業(yè)環(huán)境。

技術(shù)特點(diǎn)：采用了一種炮孔投影技術(shù)準(zhǔn)確快速的將掌子面爆破孔進(jìn)行精確定位;研制應(yīng)用一種排管注水裝置批量灌注一種擠壓式自封口爆破水袋，使得爆破水袋裝填更加飽滿(mǎn)圓潤(rùn)且極大的提高了裝填爆破水袋的效率;通過(guò)在灌注水源溶液加入一種粘塵試劑水溶液，提高爆破水霧與粉塵的結(jié)合率，進(jìn)一步降低粉塵的產(chǎn)生量;再采用一種樹(shù)脂類(lèi)的快凝封堵劑進(jìn)行炮孔封堵，極大減少爆破能量的損失，提高爆破效果降低炸藥單耗。endprint

3 爆破裝置的研制及新材料應(yīng)用

3.1 掌子面爆破孔快速定位裝置的研發(fā)

根據(jù)需要設(shè)計(jì)一種快速定位隧道掌子面炮孔位置的裝置，如圖1所示。隧道施工過(guò)程中，通過(guò)隧道內(nèi)現(xiàn)有導(dǎo)向點(diǎn)確定爆破定位裝置的位置，通過(guò)已知的基面高程位置調(diào)整定位裝置的支架高度，并通過(guò)定位裝置的下部紅外垂線(xiàn)儀器確定儀器精確位置，然后通過(guò)觀(guān)測(cè)圓形氣泡和條形氣泡，調(diào)動(dòng)調(diào)平螺栓進(jìn)行粗調(diào)平和精調(diào)平，達(dá)到投影高度和方向的精確。然后根據(jù)不同的圍巖類(lèi)別選擇不同的爆破圖幻燈片，通過(guò)該儀器強(qiáng)紅光投影光斑至掌子面，達(dá)到炮孔定位的目的。通過(guò)采用此掌子面爆破孔位投影定位裝置能快速將方案的爆破圖投影至掌子面，同時(shí)根據(jù)不同圍巖選用不同的爆破圖進(jìn)行投影，極大提高了爆破參數(shù)的合理性和方案的指導(dǎo)性，同時(shí)也節(jié)約了爆破孔位放點(diǎn)時(shí)間。

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操性強(qiáng)、提高功效、造價(jià)低廉。采用此投影投影裝置可在極短的時(shí)間內(nèi)將隧道掌子面的炮孔位置精準(zhǔn)定位，節(jié)約了施工時(shí)間;根據(jù)隧道不同地質(zhì)圍巖，極快切換不同的爆破圖幻燈片，不同圍巖的爆破參數(shù)及孔位直接通過(guò)更換幻燈片即可直接投影定孔。

3.2 擠壓式自封口爆破水袋的研發(fā)

根據(jù)需要設(shè)計(jì)一種擠壓式自封口爆破水袋，如圖2所示。按一定的爆破裝藥結(jié)構(gòu)向爆破孔內(nèi)塞入滿(mǎn)裝液體的條形水袋，通過(guò)爆破霧化和孔內(nèi)二次抨擊，提高爆破效率及排煙降塵的作用。此爆破水袋采用聚乙烯類(lèi)材料，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需將孔口進(jìn)行內(nèi)反包，以通過(guò)在水袋袋口位置設(shè)置兩個(gè)收窄口，在水袋充水過(guò)程中將水反向擠壓至孔口反包層中，水袋充水越多，壓力越大，孔口反包層內(nèi)擠入的水越多，袋口通過(guò)擠壓收縮更緊，達(dá)到水袋儲(chǔ)水和自動(dòng)封口的效果。

采用此自動(dòng)擠壓式封口水袋，省去了水袋封口機(jī)及人工封口工序，提高了爆破水袋的生產(chǎn)效率;常規(guī)人工裝水袋后需進(jìn)行機(jī)械封口，封口后水袋內(nèi)必然存在一定的未充滿(mǎn)的空間，導(dǎo)致爆破水袋不夠飽滿(mǎn)、圓潤(rùn)，影響使用效果，而通過(guò)采用擠壓式封口水袋，充水越多水壓越大，水袋越飽滿(mǎn)封口越緊致，更加利于塞入圓形的爆破孔中，裝填更加容易。

3.3 爆破水袋批量快速注水裝置的研制

根據(jù)需要設(shè)計(jì)一種水袋批量快速注水裝置，如圖3所示。設(shè)計(jì)將注水主管接引至自來(lái)水管口，連接好各主支管并將水袋注水針?lè)謩e依次插入爆破水袋，爆破水袋均勻間隔并平放在平臺(tái)上，開(kāi)啟主水管球閥注入水液，水液均衡的進(jìn)入各個(gè)爆破水袋中，根據(jù)注水的均勻程度，適當(dāng)調(diào)節(jié)各注水針的啟閉開(kāi)關(guān)，達(dá)到均衡進(jìn)水的效果，待水液注滿(mǎn)水袋后，作業(yè)人員輕拍擠壓各個(gè)水袋，使得水液充分反壓進(jìn)入水袋緊縮反包層中，達(dá)到水袋滿(mǎn)裝蓄水并自封口的效果。

該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操性強(qiáng)、提高功效、攜帶方便、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。采用此批量注水裝置，可明顯提高爆破水袋的裝填效率，在施工現(xiàn)場(chǎng)即可完成裝填，邊裝填水袋邊炮孔裝填，節(jié)約時(shí)間，減少了水袋的破損。

3.4 粘塵試劑水溶液的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)調(diào)查論證，選取了一種簡(jiǎn)單易得的粘塵試劑水溶液，其主要成分為十二烷基苯磺酸鈉。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在水體中按0.5%的摻量效果最好。該活性劑加入水中到完全溶解需要4h 左右時(shí)間，通過(guò)攪拌可以加速溶解過(guò)程，但會(huì)產(chǎn)生較多泡沫。為避免制作過(guò)程因表面活性劑未充分溶解，應(yīng)提前進(jìn)行溶液配置，攪拌后靜置足夠時(shí)間備用。

添加表面活性劑的水楔破巖復(fù)合爆破方式主要不同即水袋制作過(guò)程中通過(guò)向制作水袋的設(shè)備水源加入復(fù)配表面活性劑，使成品水袋中的水溶液均具備了較低的表面張力和較好的潤(rùn)濕性能。

3.5 炮孔快凝封堵材料的應(yīng)用

很多爆破工程往往不封堵，而通過(guò)加大炸藥量來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的爆破效果，存在安全隱患同時(shí)增加了成本。本課題采用一種快凝樹(shù)脂錨固材料（Z2360）進(jìn)行炮孔封堵，可減少爆破能量損失，提高爆破效果。專(zhuān)用不飽和聚酯樹(shù)脂與大理石粉，促進(jìn)劑和輔料，按一定比例配制而成的膠泥狀粘接材料，用專(zhuān)用聚酯薄膜將膠泥與固化劑分割呈雙組分包裝藥卷狀。

4 隧道水楔破巖復(fù)合爆破施工方案

隧道水楔破巖復(fù)合爆破，即在原常規(guī)爆破的基礎(chǔ)上改變炮眼內(nèi)部炸藥裝填結(jié)構(gòu)及孔口封堵材料，利用爆破粉塵黏劑水霧化作用和孔口高效填塞封堵作用，增強(qiáng)爆破力碎巖效果，同時(shí)降低粉塵濃度。四面山特長(zhǎng)隧道采用水楔破巖復(fù)合爆破施工技術(shù)，具體工藝流程如圖4。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐情況統(tǒng)計(jì)：

主爆孔炮眼裝填物各段控制長(zhǎng)度：炮孔總長(zhǎng)為L(zhǎng)，炮孔孔底水袋長(zhǎng)L1，炸藥藥卷全長(zhǎng)L2，炮孔藥卷與樹(shù)脂快凝封堵材料中間水袋長(zhǎng)L3，封堵靈長(zhǎng)L4，其關(guān)系式為L(zhǎng)=L1+L2+L3+L4;水楔破巖復(fù)合爆破填藥量為常規(guī)爆破填藥量的80%～85%。

周邊爆孔炮眼裝填物各段控制長(zhǎng)度：炮孔總長(zhǎng)為L(zhǎng)，炮孔孔底水袋長(zhǎng)L1，藥卷全長(zhǎng)L2+L4+L6，炸藥與炸藥間隔裝填水袋為L(zhǎng)3+L5，樹(shù)脂封堵材料長(zhǎng)L7，其關(guān)系為L(zhǎng)=L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7，水楔破巖復(fù)合爆破填藥量周邊孔裝藥量與傳統(tǒng)炸藥裝藥量相同，只是在其炸藥間隔部位裝填了水袋，提高破巖效果及水霧化降塵效果。

5 爆破試驗(yàn)成果對(duì)比分析

隧道主要以四級(jí)圍巖為主，選擇斷面形式為S4b，斷面面積為92.53m2洞段作為實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用段。傳統(tǒng)常規(guī)爆破采取楔形掏槽，全斷面鉆孔炮孔數(shù)量為133個(gè)，其中掏槽孔鉆孔深度為4.9m，周邊孔及主爆孔鉆孔深度為3.8m。單循環(huán)總計(jì)裝藥量為312.8kg，各種炮孔深度、裝藥量等參數(shù)見(jiàn)表1。endprint

為對(duì)比分析常規(guī)爆破、水壓爆破及水楔破巖復(fù)合爆破爆破效果，分別對(duì)此三種爆破方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及效果分析，其成果分析如下：

5.1 常規(guī)爆破

常規(guī)爆破數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為四面山特長(zhǎng)隧道進(jìn)口左洞，采集爆破循環(huán)數(shù)為10個(gè)，里程樁號(hào)LZK1+100～LZK1+134，累計(jì)爆破進(jìn)尺約34m，每個(gè)爆破循環(huán)的鉆孔深度3.8m，實(shí)際爆破循環(huán)進(jìn)尺3.2～3.35m，平均循環(huán)進(jìn)尺3.27m。記錄爆破效果分析數(shù)據(jù)。

5.2 水壓爆破

水壓爆破數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為四面山特長(zhǎng)隧道進(jìn)口右洞，采集爆破循環(huán)數(shù)為10個(gè)，里程樁號(hào)LYK1+100～LYK1+135，累計(jì)爆破進(jìn)尺約35m，每個(gè)爆破循環(huán)的鉆孔深度3.8m，實(shí)際爆破循環(huán)進(jìn)尺3.2～3.6m，平均循環(huán)進(jìn)尺3.47m。記錄爆破效果分析數(shù)據(jù)。

5.3 水楔破巖復(fù)合爆破

水楔破巖復(fù)合爆破數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為四面山特長(zhǎng)隧道進(jìn)口左洞，采集爆破循環(huán)數(shù)為10個(gè)，里程樁號(hào)LZK1+135～LZK1+171.5，累計(jì)爆破進(jìn)尺約36.5m，每個(gè)爆破循環(huán)的鉆孔深度3.8m，實(shí)際爆破循環(huán)進(jìn)尺3.59～3.70m，平均循環(huán)進(jìn)尺3.65m。記錄爆破效果分析數(shù)據(jù)。

5.4 三種爆破工藝效果對(duì)比及經(jīng)濟(jì)效益分析

三種爆破數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總結(jié)果如表2所示。

①炸藥消耗及經(jīng)濟(jì)效益分析。水壓爆破較常規(guī)爆破炸藥單耗節(jié)約0.1kg/m3，則4880m的四面山特長(zhǎng)隧道開(kāi)挖方量為96.12萬(wàn)方，節(jié)約炸藥96.117t，按重慶當(dāng)?shù)卣ㄋ巻蝺r(jià)1.9萬(wàn)元/t計(jì)算，節(jié)約炸藥費(fèi)用182.62萬(wàn)元;水楔破巖復(fù)合爆破較常規(guī)爆破節(jié)約單耗0.16kg/m3，節(jié)約炸藥費(fèi)用292.20萬(wàn)元。

②爆破循環(huán)時(shí)間及經(jīng)濟(jì)效益分析。常規(guī)爆破單個(gè)爆破循環(huán)時(shí)間為555.4min，水壓爆破為540.4min，水楔破巖復(fù)合爆破為531.5min。相比較而言主要為通風(fēng)時(shí)間的變化，水壓爆破較常規(guī)爆破通風(fēng)時(shí)間節(jié)省41.04%，水楔破巖復(fù)合爆破較常規(guī)爆破通風(fēng)時(shí)間節(jié)省64.16%。按當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)1元/kW·h，則4880m的四面山特長(zhǎng)隧道采用水壓爆破將節(jié)約通風(fēng)費(fèi)用14.78萬(wàn)元，水楔破巖復(fù)合爆破將節(jié)約通風(fēng)費(fèi)用23.4萬(wàn)元。

③PM2.5粉塵濃度分析。水壓爆破每個(gè)爆破循環(huán)用水袋數(shù)量為430～500個(gè)，水楔破巖復(fù)合爆破使用數(shù)量與其相同，通過(guò)在水袋水溶液中摻入10%含量的水溶液表面活性劑，極大的提高了爆破霧化液體與粉塵的結(jié)合度。水壓爆破較常規(guī)爆破有害粉塵濃度降低50.23%，水楔破巖復(fù)合爆破較常規(guī)爆破害粉塵濃度降低66.54%。

④開(kāi)挖輪廊線(xiàn)質(zhì)量控制分析。爆破開(kāi)挖炮孔殘留率是衡量開(kāi)挖質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，由表2數(shù)據(jù)分析，水壓爆破較常規(guī)爆破炮孔殘留率提高97.49%，水楔破巖復(fù)合爆破較常規(guī)爆破炮孔殘留率提高111.08%，隧道開(kāi)挖質(zhì)量明顯提高。

⑤炮渣粒徑集中度分析。在0～40cm，40～80cm粒徑區(qū)間的炮渣集中度分析，水楔破巖復(fù)合式爆破為88.7%，水壓爆破為78.7%，常規(guī)爆破為65.4%，水楔破巖復(fù)合式爆破的小粒徑集中度較高，大粒徑數(shù)量較少。小粒徑集中度越高挖裝運(yùn)難度越小、時(shí)間越省。

⑥循環(huán)進(jìn)尺分析。在同質(zhì)巖石、同樣孔深的情況下，3.8m爆破孔深，常規(guī)爆破平均爆破循環(huán)進(jìn)尺為3.3m，水壓爆破采用炮泥封堵平均爆破循環(huán)進(jìn)尺為3.5m，水楔破巖復(fù)合式爆破采用樹(shù)脂快凝材料進(jìn)行封堵平均爆破循環(huán)進(jìn)尺為3.6m。采用樹(shù)脂快凝材料封堵炮孔的水楔破巖復(fù)合式爆破循環(huán)進(jìn)尺最大，且較常規(guī)爆破循環(huán)進(jìn)尺增長(zhǎng)7.9%。

⑦爆破震動(dòng)分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，在隧道距離掌子面30m位置測(cè)出最大爆破震速，常規(guī)爆破Vmax為2.7cm/s，水壓爆破Vmax為1.0cm/s，水楔破巖爆破Vmax為0.9cm/s，可以得出水楔破巖震動(dòng)明顯較常規(guī)爆破震動(dòng)影響更小，對(duì)山體的擾動(dòng)更小，緩沖時(shí)間更長(zhǎng)。

6 結(jié)論

隧道水楔破巖復(fù)合爆破施工技術(shù)，降低了隧道爆破大半塵埃，縮短了傳統(tǒng)通風(fēng)約一半時(shí)間，炸藥單耗降低了0.1kg/m3以上，減小了爆破對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)。其提高了隧道的施工效率，減少了循環(huán)工序時(shí)間，提高了隧道施工環(huán)境質(zhì)量，節(jié)約了施工成本、提前了施工工期。該施工技術(shù)使用方便，作業(yè)人員容易掌握，該技術(shù)成熟、可靠，為高速公路隧道爆破開(kāi)挖降塵、降耗施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，值得在同類(lèi)工程中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張衛(wèi)國(guó).水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，26（2）：46-50.

[2]蔣仲安，王偉.降低爆破煙塵的降塵劑配方的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（10）：1720-1724.

[3]任震，程五一，劉敦華，等.封堵靈-水壓復(fù)合爆破在隧道施工中應(yīng)用[J].工程爆破，2015，21（4）：58-62.endprint