張文俊（上海隧道工程有限公司，上海 200232）

目前，國內公路隧道主要使用鉆爆法開挖。普通鉆爆法爆破施工存在對隧道圍巖擾動破壞較大、影響隧道穩(wěn)定性及支護質量與成本等問題。為有效解決這些問題，近年來推廣使用的水介質換能爆破技術在提高炸藥利用率、降低爆破危害、節(jié)約爆破成本等方面取得了顯著成效[1]。

大盤山隧道為特長硬巖隧道，隧道施工難度大、施工工期長、施工條件艱苦，急需要發(fā)展和提升新的隧道快速掘進技術和工藝。對于硬巖特長大隧道而言，高效、大進尺、環(huán)境友好型的破巖技術，可大大加快隧道掘進速度、縮短施工工期。為將水介質換能爆破技術成功應用在大盤山隧道日常掘進中，在該隧道車行通道與人行通道進行了水介質換能爆破試驗研究。

1 工程概況

1.1 工程簡述

杭紹臺高速公路工程全長 162.0 km，途經紹興、金華、臺州，其中上海隧道工程有限公司承建大盤山隧道是杭紹臺高速公路工程臺州段的控制性工程，全長 8.6 km，紹興段長 1.7 km，臺州段長 6.9 km。大盤山隧道地處會稽山脈、大盤山脈和大雷山脈，沿線山巒起伏，地質結構復雜，構造強烈。穿越 8 處斷層，最大埋深約 580 m。

大盤山隧道圍巖地層巖性以白堊系凝灰?guī)r為主，巖質較堅硬，巖體新鮮，洞身段圍巖較完整，節(jié)理閉合，呈塊石鑲嵌結構，地形陡峻，地貌多呈侵蝕低山丘陵。圍巖級別主要為 Ⅲ～Ⅳ 級，占比約 74%；Ⅴ 級圍巖較少，主要分布在隧道進出口段。

1.2 工程地質、水文條件

1.2.1 地質條件

大盤山隧道位于新華夏系第一構造第二隆起帶南段，構造運動十分強烈。構造格架以華夏系、華夏式和新華夏系構造為主，確定了區(qū)內山脈以北東走向為主。新華夏系構造由一系列的壓性或扭性斷裂及部分縱張斷裂、擠壓帶、霹靂帶等結構要素構成。對隧道影響較大斷裂有衢州-天臺大斷裂、鶴溪-奉化大斷裂等。

1.2.2 水文條件

大盤山隧道基巖裂隙水主要由風化裂隙水和構造裂隙水組成。基巖裂隙水主要受大氣降水補給和部分地段第四系孔隙潛水補給，在地形切割較強烈處及山坡坡腳處等地排泄?；鶐r風化裂隙水主要儲存在強至中風化基巖中：隧道區(qū)強風化層風化裂隙發(fā)育，巖體成碎塊狀，儲水性好，厚度較小，多在地下水水位以上；中風化節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙以閉合為主，一般水量貧乏，局部裂隙較密集，局部水量稍大。根據(jù)壓水試驗成果，一般為滲透性微弱，富水性差，水量貧乏。構造裂隙水主要貯存在斷裂帶內，巖體破碎，呈碎塊狀和碎石土狀，儲水性好，水量變化較大，受氣象影響大。

2 水介質換能施工技術

2.1 水介質換能的概念

水介質換能爆破技術即在爆破工程中，在被爆巖體中埋設與炸藥隔離密封的水介質，爆炸時產生的高溫瞬間將其氣化，并與炸藥的爆生產物一起急劇膨脹擠壓巖石以達到破碎巖體的效果。

2.2 水介質換能爆破機理

從熱力學角度分析[2]，根據(jù)熱力學定律和物質不滅定律，在“水介質換能爆破系統(tǒng)”中加入一定量的水，炸藥爆炸釋放的熱能在絕熱的“水介質換能爆破系統(tǒng)”中將轉換為水的內能，儲存了炸藥爆炸能的水和炸藥共生的爆生氣態(tài)物質，在炸藥爆炸的高溫高壓下進一步發(fā)生化學反應生成 H2、O2、CO2、NO2等新的物質。

研究表明，炸藥爆破破巖是在爆轟波和爆生氣體兩者的共同作用下達到破巖的目的。爆轟波首先作用激活巖體的原生裂隙，并產生新的微裂紋，隨后高溫高壓爆生氣體進入孔壁巖體的裂隙，在裂隙內壁表面形成并分布壓應力，等效于巖石拉伸試驗外部施加的拉伸應力作用[3-4]，即在裂隙尖端產生使裂隙持續(xù)擴展的拉應力，裂隙的擴展優(yōu)先沿著環(huán)向拉應力極大值方向和巖體內部原生裂隙、節(jié)理等弱結構面失穩(wěn)擴展[5]。隨著反應的持續(xù)進行，高溫高壓氣體能以較長的時間作用于巖體裂隙，這些微裂隙在高壓氣體驅動作用下進一步擴展、延伸生成宏觀裂縫，宏觀裂縫進一步發(fā)展與掌子面或切槽貫通形成宏觀破壞性斷裂面，使破裂的巖塊朝著自由面方向破裂剝落。

3 水介質換能爆破的應用

為獲得良好的爆破效果及合理的施工參數(shù)，同時不影響正常的隧道施工，將水介質換能技術在隧道中的車型通道、人行通道進行應用試驗，以此來驗證水介質換能爆破的優(yōu)缺點及可行性。

基于水介質換能爆破機理，采用水袋進行炮孔填塞，水袋注滿水后直徑 35 mm、長 26 cm，炮孔裝藥結構如圖 1 所示。

圖1 水介質換能爆破裝藥結構

3.1 水介質換能在輪廓控制爆破中的應用

車行通道采用全斷面一次爆破開挖，斷面較小，有利于開展試驗作業(yè)，同時其夾置作用較隧道爆破大，對爆破效果更具有考量作用?；诖?，選取車行通道輪廓附近一處炮孔進行水介質換能裝藥，對稱一側作為對比。車行通道的炮孔布置及試驗區(qū)域如圖 2 所示。

圖2 車行通道炮孔布置及試驗區(qū)域示意圖

爆破后試驗區(qū)與對比區(qū)的爆破效果如圖 3 所示。

圖3 輪廓控制爆破效果

從圖 3 中可以看出，試驗區(qū)炮孔在內置水介質后爆破效果較好，輪廓平整，周邊孔痕明顯。對比區(qū)采用常規(guī)爆破方式的區(qū)域，爆破不充分，出現(xiàn)了巖體欠挖現(xiàn)象，導致輪廓偏差較大。

3.2 水介質換能在掘進爆破中的應用

為了凸顯水介質換能爆破的優(yōu)勢，選取人行通道作為試驗區(qū)域。由于人行通道斷面較小，巖石夾置作用大，傳統(tǒng)爆破作業(yè)后人行通道斷面輪廓線參差不齊，爆破塊度亦不理想。本次試驗選取人行通道下半部作為試爆區(qū)域，如圖 4 所示。

圖4 人行通道試驗區(qū)域及炮孔布置圖

爆破后，大盤山隧道某一人行通道爆破效果，如圖 5 所示。

圖5 人行通道爆破效果圖

從圖 5 中明顯可以看出，輪廓外采用常規(guī)爆破，爆后輪廓較參差，平整度較差，并伴有超欠挖現(xiàn)象。采用水介質換能爆破，輪廓明顯，平整度較高。通過實際測量比較，炮孔深度 2 m，采用常規(guī)爆破，進尺不足 1.4 m，而采用水介質換能爆破，進尺達到了 1.8 m。由此可知，水介質換能爆破能大大提高爆破效果，改善爆破效果。

3.3 水介質換能爆破在隧道輪廓控制中的應用

基于水介質換能試驗的良好爆破效果，在隧道施工中采用水介質換能技術進行施工作業(yè)。由于水介質換能爆破在施工中工序較常規(guī)爆破多，為了節(jié)省作業(yè)時間及勞動強度，僅在隧道周邊孔進行水介質換能裝藥。

周邊孔采用聚能管裝藥，孔距 80～100 cm，孔深 4 m。根據(jù)現(xiàn)場實際，水介質換能光面爆破技術平均每循環(huán)進尺 3.8 m，普通光面爆破技術平均每循環(huán)進尺 3.5 m，水介質換能光面爆破技術平均每循環(huán)增加進尺 0.3 m，爆破效果得到極大提高。普通光面爆破技術半眼痕率較低，且超欠挖嚴重，但水介質換能光面爆破技術半眼痕非常明顯，經測算可達 85% 以上，且整體輪廓圓順，基本上炮眼與開挖輪廓位置相同。爆破效果對比情況如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 普通光面爆破效果圖

圖7 水介質換能光面爆破效果圖

4 經濟效益分析

以隧道光面爆破為例，對比水介質換能光面爆破與普通光面爆破進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在相同斷面，相似圍巖條件，相同鉆孔深度的前提條件下，水介質換能光面爆破每循環(huán)進尺較常規(guī)光面爆破平均增加 0.3 m。單位炸藥消耗方面，水介質換能光面爆破較普通光面爆破減少 0.12 kg /m3。主要經濟技術指標見表 1～表 3。

表1 普通光爆與水介質換能爆破光面眼鉆孔費用對比

表2 爆破技術火工品效益對比

表3 普通與水介質換能光面爆破技術周邊眼鉆爆費用對比

從表 1～表 3 可以看出，雖然水介質換能光面爆破使用材料較多，單孔材料費較普通光面爆破高，但整體價格較低。通過周邊眼單循環(huán)火工品使用量分析，周邊眼鉆孔數(shù)量由 59 個下降到 35 個，鉆孔總長度由 236 m 下降到 140 m，總費用由 3 901.08 元下降到 2 314.20 元，費用節(jié)約 40.7% 。綜合對比鉆爆費用，水介質換能光面爆破比普通爆破技術每循環(huán)節(jié)約費用 1 074.81 元，即節(jié)約 400.73 元/m，節(jié)約費用比例達 26.8% 。

5 結 語

(1) 水介質換能爆破充分利用水的熱力學及化學性質，延長爆炸作用時間，使得炸藥能量的有效利用率顯著提高。

(2) 在大盤山隧道車行通道、人行通道以及隧道爆破中采用水介質換能爆破技術進行試驗及施工發(fā)現(xiàn)，水介質換能爆破可明顯改善爆破效果，提高炮孔利用率，增大掘進進尺。在光面爆破的應用中效果最為顯著，可明顯提高輪廓的平整度，增加孔痕率。

(3) 在隧道施工中采用水介質換能光面爆破的經濟效益分析中，通過對比可明顯發(fā)現(xiàn)，水介質換能較普通爆破施工作業(yè)量減小，炸藥單耗及成本降低。