王軼君， 潘衛(wèi)華， 姚文輝， 張永明， 賈悅迪

(中交第二公路工程局有限公司， 陜西 西安 710065)

0 引言

鉆爆法是目前隧道施工的普遍工法，爆破產生的粉塵對施工環(huán)境、施工進度影響較大。水封爆破作為一種優(yōu)越的爆破除塵技術，已成為隧道工程學者研究的熱點問題之一。

文獻[1]采用現場測試方法對定水壩隧道平行導坑水壓爆破效果進行了研究。文獻[2]依托分水關隧道工程驗證了水壓爆破對煙霧的除塵效果。文獻[3]對隧道水壓爆破技術原理、工藝方法流程等問題進行歸納分析，并通過宜萬鐵路齊岳山隧道驗證了水壓爆破技術的優(yōu)越性。文獻[4]深入分析了隧道水壓爆破的基本原理，并以某隧道為依托給出了水壓爆破施工工藝的技術細節(jié)，得出水壓爆破具有優(yōu)化施工爆破環(huán)境及減少炸藥用量的優(yōu)勢。文獻[5]為了改善云南地區(qū)灰?guī)r隧道爆破粉塵偏大問題，采用P-5L2便攜式粉塵儀對老格山隧道水壓爆破效果進行現場測試。文獻[6]基于水壓爆破原理，對滬昆專線茅坪山隧道爆破粉塵的除塵效果進行了分析。文獻[7]歸納了水壓光面爆破的工作原理及施工工藝，并依托張家沖隧道驗證了水壓爆破的優(yōu)勢。文獻[8-9]嘗試將PVC聚能管應用于隧道水壓爆破中，并將其應用于某城市地鐵隧道，驗證了其除塵降霧的優(yōu)越性。文獻[10]以柞木臺隧道為依托，對比研究了水壓爆破與常規(guī)爆破下的防塵抗震、控制成本的效果。文獻[11-12]采用激光粉塵儀、CO檢測儀，對平頂山隧道水壓爆破效果進行了測試研究。文獻[13]采用AKFC-92A型礦粉采樣器，得出了水壓爆破可降低23.3%的粉塵質量濃度。文獻[14]采用小直徑藥卷、大直徑水袋，提高了炸藥與水的耦合系數，優(yōu)化了水壓爆破除塵技術。文獻[15]采用現場實測方法分析九連山隧道的水壓爆破效果，得出其粉塵質量濃度降低幅度為46%。文獻[16]對聚能水壓爆破原理及工藝流程進行分析，并依托金瓶巖隧道驗證該工法在除塵與節(jié)約成本方面的優(yōu)越性。

綜上所述，目前隧道水壓爆破施工技術未能從鉆孔數量、位置、水袋布設數量等方面給出優(yōu)化方案，且對水壓爆破除塵效果研究較少。本文擬采用現場試驗方法，獲得隧道爆破施工后掌子面附近區(qū)域縱、橫向特征試驗位置的煙霧、CO體積分數變化規(guī)律，提出3種新型水壓爆破技術方案，并得出3種新型水壓爆破方案下的粉塵質量濃度、CO體積分數情況，分析其降塵效果。研究結果以期為隧道水壓爆破降塵技術研究提供借鑒與參考。

1 依托工程概述

1.1 工程概況

本研究依托串佛高速轎頂隧道工程。串佛高速屬于昭通市“一環(huán)兩橫四縱三聯絡”高速公路網規(guī)劃中的3條聯絡線之一，路線起于鹽津縣串絲村，與G85渝昆高速相連，止于綏江縣金沙江佛耳巖，與四川G4216蓉麗高速相接，全長49.72 km。

轎頂隧道為單向雙洞單拱特長公路隧道，隧道截面尺寸采用半圓拱型，洞跨(凈寬)10.25 m，凈高5.00 m，隧道全長12 625 m。左、右線隧道長分別為6 318、6 307 m，對應最大埋深分別為547.33、555.11 m。試驗段內圍巖為Ⅳ級，洞身全線采用上、下臺階鉆爆法施工。采用乳化炸藥聯合毫秒管進行起爆，炮孔深度為2.5～3.0 m，單個乳化炸藥尺寸為200 mm×32 mm(長×直徑)。每循環(huán)進尺1.5 m，隧道開挖全斷面尺寸為132 m2，上臺階開挖斷面面積為91 m2。

1.2 現有通風除塵設備

施工過程采用管道壓入式通風，左、右線隧道進、出口各布置1臺160 kW軸流式風機，斜井處布置4臺132 kW軸流式風機，供左、右線4個掌子面通風使用，采用軟風筒懸掛于隧道拱部右側，出風口距掌子面距離為30～60 m。爆破后即開啟通風，降低煙塵，優(yōu)化施工環(huán)境。

2 新型水封爆破除塵技術方案

2.1 炮眼布設

上、下臺階施工是新奧法最為普遍的施工工藝，常見的上臺階炮眼種類、數量如圖1所示。

圖1 炮眼布設

2.2 水袋填充

水封爆破除塵的基本原理是： 由炮孔內部炸藥爆炸所產生的高溫高壓沖擊波將水袋炸破，使得水袋內部填水霧化，水霧與隧道內粉塵相粘結，從而達到降塵效果。

本文提出的新型水封爆破技術，考慮炮眼位置、功能以及水袋對爆破能量的影響，設置3種填充水袋如圖2—4所示。實體水袋如圖5所示，實體水袋尺寸為260 mm×40 mm(長×直徑)，單個水袋裝水質量為326.6 g。

圖2 水袋填充

圖3 “水袋+炸藥+水袋+炮泥”填充

圖4 “水袋+炸藥+炮泥”填充

圖5 水袋實體圖

2.3 新型水封爆破

傳統(tǒng)的水封爆破除塵方案核心技術有2點： 一是水封爆破均在原設計炮孔上進行，無額外鉆孔；二是水袋、炸藥布設形式均一致，自孔底向孔口依次為“水袋+炸藥+水袋+炮泥”?？紤]爆破后炸藥、圍巖、水袋、水霧的基本運動規(guī)律，本文提出3種新型水封爆破技術方案。

2.3.1 方案1： 輔助降塵注水孔方案

在掏槽孔與輔助孔之間新打10個降塵孔，孔間距110 cm，孔深3 m； 每個輔助孔中放入6只單純水袋(見圖2)，共計60只水袋。整體布設方案如圖6所示。

圖6 方案1： 輔助降塵注水孔方案

2.3.2 方案2： 水袋差異布置方案

在位于中心位置的9個掏槽孔中，水袋按圖3方式進行填裝；在周邊孔外側孔、靠外側輔助孔中，隔孔進行水袋填裝，填裝方式按圖4進行，累計填充60只水袋。整體布置方案如圖7所示。

圖7 方案2： 水袋差異布置方案

2.3.3 方案3： 降塵注水孔+水袋差異布置方案

本方案為方案1、2的結合。即在掏槽孔與輔助孔之間新打10個降塵注水孔，累計放置60只單純水袋； 在周邊孔外側孔、靠外輔助孔中，隔孔放置水袋，累計放入60只炸藥水袋。本方案共設置120只水袋，具體布置方案如圖8所示。

圖8 方案3： 降塵注水孔+水袋差異布置方案

采用水封爆破技術方案時，3種爆破方案的技術參數如表1所示。

表1 爆破方案的技術參數

3 現場測試方案

3.1 特征位置選取

3.1.1 縱向特征位置

根據既有隧道施工經驗，在爆破完成后，粉塵、氣體主要積聚于掌子面與二次襯砌臺車之間。從保證現場作業(yè)人員身體健康角度出發(fā)，取測試點為距上臺階底板1.5 m高度處?？紤]爆破結束后，掌子面存在大量圍巖廢碴，第1個測試點設置于掌子面正后方50 m處，第2個測試點設置于距掌子面70 m處，后3個測試點距掌子面距離依次為100、125、150 m。各測試點均位于路線中心位置上。

3.1.2 橫向特征位置

為了分析爆破施工后掌子面處橫向位置粉塵質量濃度、氣體體積分數分布情況，橫向第1個測試點位于掌子面正后方50 m處；以該測試點為基準，在垂直于道路中線方向上左、右各偏3 m，設置2個橫向特征測試點。各特征測試點布設情況如圖9所示。

圖9 特征測試點布設方案

3.2 現場測試工況

3.2.1 爆破后基礎工況(無水袋)

3.2.1.1 無通風

掌子面爆破后，在無通風條件下，對縱、橫向特征測試點的煙塵質量濃度、體積分數情況進行統(tǒng)計，得到掌子面區(qū)域初始粉塵質量濃度、氣體體積分數的分布規(guī)律(即為“初始狀態(tài)”與“基準值”)。

3.2.1.2 有通風

爆破后每通風10 min，對縱向5個特征試驗位置的粉塵質量濃度、CO體積分數進行提取，直至達到勞動保護標準。以此得出在通風條件下，鉆爆法施工掌子面煙塵的擴散規(guī)律。

3.2.2 新型水封爆破試驗工況

在掌子面爆破施工后，且在無通風條件下，對掌子面區(qū)域縱、橫向特征試驗位置的粉塵質量濃度、CO體積分數進行提取，并與基礎工況進行對比分析。

3.3 粉塵、氣體技術標準

參考《公路隧道施工技術規(guī)范》[17]，確定隧道施工粉塵質量濃度、有害氣體與O2體積分數的標準。

3.3.1 粉塵允許質量濃度

10%以上游離NO2的粉塵，質量濃度不得大于2 mg/m3；10%以下游離NO2的礦物性粉塵，質量濃度不得大于4 mg/m3。

3.3.2 有毒有害氣體允許體積分數

1)CO最高允許體積分數為30×10-6；

2)CO2按體積計不得大于0.5%；

3)氮氧化物(NO2)體積分數不超過5×10-6。

3.3.3 隧道內O2含量

隧道內O2含量按體積計，不得低于20%。

3.4 測試儀器

聯合采用礦用粉塵檢測儀、四合一氣體檢測儀、溫度濕度表、空盒氣壓表4種儀器進行數據采集?，F場儀器配置如圖10所示。

圖10 現場試驗及儀器配置

3.4.1 礦用粉塵檢測儀

采用CCHZ-1000型礦用粉塵檢測儀對粉塵質量濃度進行測試，其規(guī)格為0.1～1 000 mg/m3，精度為0.1 mg/m3。

3.4.2 四合一氣體檢測儀

隧道內有害氣體的測試采用四合一氣體檢測儀。O2體積分數規(guī)格與精度分別為0%～30%、0.1%；CO為0～999×10-6、1×10-6；CO2為0～5 000×10-6、1×10-6；NO2為0～100×10-6、0.1×10-6。

3.4.3 溫度濕度表

采用AR217香港西瑪溫度濕度表。溫度規(guī)格為-20～60 ℃，精度為1 ℃；濕度規(guī)格為10%～95%，精度為2%。

3.4.4 空盒氣壓表

采用DYM3型空盒氣壓表，其規(guī)格為800～1 060 hPa，精度為1 hPa。

3.5 測試方法

3.5.1 試驗方法

現場試驗測試時，試驗人員預先進入隧道內部安全距離處，待爆破聲響后佩戴防毒面具，并隨即架設儀器，每個特征位置在掌子面爆破完成15 min后開始進行測試。

3.5.2 數據讀取

每5 min獲得1組數據(期間在0、2.5、5 min分別讀取1次數據，以3次讀數均值為準)，得出不同通風時間下，各特征位置的溫度、濕度、風速、氣壓、粉塵質量濃度、CO體積分數、CO2體積分數，現場試驗情況如圖10所示。

4 現場試驗結果分析

于2019年6月18日—25日，集中進行現場試驗，獲取相關試驗測試數據。

4.1 爆破后初始粉塵、氣體分布規(guī)律

4.1.1 掌子面初始粉塵分布規(guī)律

圖11為在隧道爆破后初始情況下，掌子面區(qū)域縱、橫向粉塵質量濃度的空間分布規(guī)律。

圖11 縱、橫向測試點粉塵質量濃度

由圖11可以看出： 掌子面橫向測試點的粉塵質量濃度水平整體上要高于縱向；橫向測試點質量濃度水平相對較為均勻；縱向測試點呈現出隨著距離掌子面位置的逐步增大，粉塵質量濃度快速減小的趨勢。

隧道爆破后，1號位置粉塵質量濃度略高于1-1位置，并明顯高于1-2位置，即中心區(qū)內粉塵質量濃度最高。由于少量新鮮空氣從風筒側吹向掌子面，并攜帶少量粉塵向另一側移動，從而導致右側質量濃度最低。

爆破后沿隧道縱向方向，粉塵質量濃度呈現逐步下降趨勢。相比于測試點1，2號位置粉塵質量濃度下降幅度為10.64%，3號下降幅度為29.79%，4號為17.38%，5號為60.47%。其中4號位置處于模板臺車后方，粉塵經過該處時斷面產生收縮，流速加快，質量濃度升高。

4.1.2 掌子面初始CO體積分數分布規(guī)律

圖12為在隧道爆破后的初始情況下，掌子面區(qū)域縱、橫向CO體積分數的空間分布規(guī)律。

由圖12可以看出： 掌子面處橫向CO體積分數水平整體較均勻，且體積分數值偏高。3處測試點的平均CO體積分數為625.25×10-6，是CO允許體積分數30×10-6的20倍左右。

圖12 縱、橫向測試點CO體積分數

掌子面爆破后沿隧道縱斷面方向，CO體積分數呈現逐步下降趨勢。1、2號特征位置距離掌子面較近，CO體積分數水平整體較高。相較于試驗位置1，3號試驗位置的CO體積分數降幅為20.15%，4號為66.47%，5號為64.22%。

4.1.3 掌子面初始CO2體積分數分布規(guī)律

圖13為在隧道爆破施工后，初始情況下掌子面區(qū)域縱、橫向CO2體積分數的空間分布規(guī)律。

圖13 縱、橫向測試點CO2體積分數

由圖13可知，CO2體積分數曲線與粉塵質量濃度曲線呈現類似的分布規(guī)律。對于橫向測試點，中間1號位置的CO2體積分數水平最大，且為0.182 1%，小于CO2的允許體積分數0.5%。兩側測試點體積分數略微偏小，且右側體積分數要小于左側。

對于縱向特征位置的CO2體積分數，同樣呈現出隨著距掌子面距離的增加而逐步減小趨勢。4號特征位置處于模板臺車后方，使該處CO2體積分數有所升高。

4.1.4 掌子面初始O2分布規(guī)律

圖14為在隧道爆破后，掌子面附近區(qū)域縱、橫向O2體積分數的空間分布規(guī)律。由圖可知： 縱、橫向各試驗位置的O2體積分數均為20.9%，大于O2允許體積分數20.0%。

圖14 縱、橫向測試點O2體積分數

4.2 縱向施工通風下粉塵、CO擴散規(guī)律

圖15—16為在縱向通風條件下，不同時刻不同測試點下，粉塵質量濃度、CO體積分數隨通風時間的擴散規(guī)律。

圖15 通風條件下縱向測試點粉塵質量濃度

圖16 通風條件下縱向測試點CO體積分數

由圖15和圖16可以明顯看出： 在最開始通風的10 min內，粉塵質量濃度、CO體積分數下降速度最快，可降至爆破后初始數值的一半左右；10 min后，粉塵質量濃度、CO體積分數的下降速率快速變緩并趨于穩(wěn)定，此時各測試點粉塵質量濃度、CO體積分數差異不大，并呈均勻分布狀態(tài)。3號測點粉塵質量濃度、CO體積分數始終為最大，這是由于該測試點處于模板臺車前方位置，由于氣流積聚效應導致。

經過1 h的通風時間，粉塵質量濃度降至允許質量濃度4 mg/m3以下，CO體積分數收斂于60×10-6，仍大于其允許體積分數30×10-6。

4.3 水封爆破降塵效果研究

4.3.1 粉塵質量濃度的敏感性分析

4.3.1.1 橫向分布情況

圖17為在采用3組新型水封爆破技術方案后，掌子面橫向測試點粉塵質量濃度的空間分布規(guī)律。

圖17 新型水封爆破橫向測試點粉塵質量濃度

由圖可知，3種除塵方案均可起到明顯的爆破除塵效果。對于除塵效率滿足： 方案1<方案3<方案2?；鶞式M情況下橫向測試點粉塵質量濃度平均值為32.78 mg/m3，方案1的均值為25.75 mg/m3，方案2為19.21 mg/m3，方案3為24.99 mg/m3，第2組降幅最大為41.39%。

由方案1、2對比可知，直接將水袋放置于炸藥孔內部所達到的降塵效果，要明顯優(yōu)于額外鉆降塵注水孔。其原因主要為： 炸藥孔內水袋霧化程度要明顯高于降塵注水孔。

由方案2、3對比可知，增加了降塵注水孔后初始降塵效果并不明顯，相比之下粉塵質量濃度反而偏高。分析原因主要為： 爆破時降塵孔內水袋霧化比例較低，但其大幅增加掌子面區(qū)域的空氣濕度，使得粉塵擴散速率放緩，減小其擴散范圍。

4.3.1.2 縱向測試點情況

圖18為隧道爆破后，縱向測試點粉塵質量濃度的空間分布規(guī)律。對于除塵效果，整體上看滿足，方案1<方案2<方案3。基準組的平均質量濃度為26.71 mg/m3，方案1為16.87 mg/m3，方案2為15.8 mg/m3，方案3為9.15 mg/m3，方案3除塵效果最為明顯，降幅為65.74%。

對比分析方案1、2可得，方案1的前4個測試點粉塵質量濃度降幅較小，而第5個測試點粉塵質量濃度產生急劇下降并達到允許質量濃度以下。分析原因主要為降塵注水孔內的水袋減小了粉塵擴散范圍。方案2粉塵質量濃度呈現均勻下降趨勢，未出現急劇變化點。方案3兼具方案1、2的優(yōu)勢，粉塵質量濃度快速下降，直至在測試點3處降至允許質量濃度，并保持穩(wěn)定。

圖18 新型水封爆破縱向測試點粉塵質量濃度

4.3.2 CO體積分數的敏感性分析

圖19—20為水封爆破后，掌子面縱、橫向CO體積分數的空間分布規(guī)律。由圖可知，CO體積分數分布規(guī)律基本與粉塵分布規(guī)律類似。水封爆破可對CO體積分數降低起到較好作用。

圖19 新型水封爆破橫向測試點CO體積分數

4.4 討論

1)為使水封爆破達到最優(yōu)的除塵效果，宜將水袋布設于炸藥孔內，使得填充水可被充分霧化。

2)水袋宜設置于靠近斷面的上部位置，以此使得水袋破裂霧化后，呈拋物線形式的水顆粒向掌子面前方更高、更遠的位置運動，有利于霧化水顆粒對掌子面粉塵進行“封閉”。

圖20 新型水封爆破縱向測試點CO體積分數

3)在炮孔內增設導爆索或導爆管雷管的前提下，將水袋、炸藥條間隔分布，將更有利于在掌子面前方形成均勻霧化效果。水袋宜放置于靠近拱頂位置的周邊孔(酌情選擇布設)、輔助孔(重點布設)，以及上排掏槽孔內(重點布設)。

4)可根據現場實際情況，在掌子面爆破孔內增加放置適宜的水袋數量，并選擇最優(yōu)的炮孔填充組合形式，提高炸藥與水的耦合系數，進而提高水袋的霧化程度，以此達到更優(yōu)的除塵效果。

5)為提高爆破水霧對掌子面粉塵、有害氣體的“封閉”作用，可在掌子面額外打鉆降塵注水孔，以此達到減小粉塵擴散的范圍，且擴散范圍內粉塵質量濃度下降速度更快。

6)隧道掌子面爆破后，有害氣體與粉塵的產生機制較為復雜，且其體積分數高低、數量大小受諸多因素的影響，主要影響因素有： 火工品品種與規(guī)格、質量，爆破循環(huán)進尺與炸藥量，孔口炮泥堵塞長度與質量，掌子面圍巖的巖層巖性、地質構造、地下水狀態(tài)，水封爆破的不同方式方法，水封爆破用水量等。

5 結論與建議

通過采用現場試驗方法，對隧道施工過程中的水封爆破降塵問題開展研究，主要結論如下。

1)掌子面爆破后不會產生NO2氣體，且CO2和O2含量均滿足隧道施工技術標準。隧道爆破施工后，掌子面附近橫向測試點的粉塵質量濃度、CO體積分數呈現中間高、兩端低的特征；縱向測試點質量濃度、體積分數呈現出隨距掌子面距離的增加而逐步降低的趨勢。

2)最初通風的10 min內，粉塵質量濃度、CO體積分數下降最快，可降低至爆破后初始數值的一半左右。之后各縱向測試點的粉塵質量濃度、CO體積分數呈現均勻分布趨勢，且下降速率快速減小并趨于穩(wěn)定。

3)3種新型水封爆破方案的除塵效果均十分明顯。與無通風、無水袋的初始爆破工況相比較，方案1的降塵比例最大為36.84%，方案2為40.85%，方案3為65.74%。

4)新型水封爆破技術方案對CO體積分數的降低有明顯作用。3種新型水封爆破方案，CO體積分數與粉塵質量濃度變化規(guī)律基本保持一致。

5)水封爆破施工雖可大幅降低初始粉塵質量濃度與CO體積分數，但其在隧道內部仍有殘余。后期研究時，可聯合采用“水封爆破+噴霧除塵”技術方案，實現全面徹底降塵。