王樹(shù)成 何廣沂

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)隧道工程建設(shè)的快速發(fā)展，當(dāng)前，傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)已不能滿(mǎn)足日益增高的爆破效果需求［1］，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)于爆破技術(shù)的革新進(jìn)行了一系列研究。

水壓爆破是一種在常規(guī)光面爆破技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。何廣沂等［2］在露天開(kāi)挖爆破工程中首先提出了水壓爆破技術(shù)。王振江、李海港等［3－4］通過(guò)對(duì)比常規(guī)爆破與水壓爆破，指出水壓爆破可以降低爆破振動(dòng)且有效節(jié)省炸藥成本與人力成本。Sellers［5］通過(guò)隧道工程實(shí)踐中的開(kāi)挖效果，發(fā)現(xiàn)水壓爆破能有效改善爆破環(huán)境的同時(shí)提高爆破效率。韓國(guó)工程師Jeong等［6］采用水壓預(yù)裂爆破的隧道開(kāi)挖方法，發(fā)現(xiàn)與普通預(yù)裂爆破相比，水壓爆破傳能效率明顯提高。

何廣沂等［7］于2016年研發(fā)提出了“聚能水壓光面爆破”新技術(shù)。聚能水壓光面爆破技術(shù)是在聚能效應(yīng)和水壓爆破技術(shù)基礎(chǔ)之上，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能和綠色施工所形成的新型爆破方法［8］。Yang等［9］將聚能技術(shù)運(yùn)用到預(yù)裂爆破中，驗(yàn)證了切縫PVC聚能管能提升光面成型效果。沈顯才［10］通過(guò)某地鐵暗挖隧道的施工，介紹了聚能水壓光面爆破技術(shù)的基本原理、實(shí)際操作和取得的實(shí)際應(yīng)用效果，敘述了聚能管裝置的組成、組裝工藝和光爆炮眼間距和裝藥結(jié)構(gòu)。劉海波等［11］使用聚能水壓光面爆破技術(shù)對(duì)金瓶巖隧道進(jìn)行施工，認(rèn)為此技術(shù)能夠有效降低施工成本的同時(shí)，有助于實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖的“精細(xì)化”和“綠色施工”。王軍［12］通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)蒙華鐵路崤山隧道工程中應(yīng)用的聚能水壓光面爆破技術(shù)分析，展示了該技術(shù)的優(yōu)越性。

綜上所述，借助于大量的工程經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)研究，爆破技術(shù)已經(jīng)有了顯著的發(fā)展，水壓爆破技術(shù)已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)爆破技術(shù)。本文將從水壓爆破技術(shù)基本概念、研發(fā)歷程和實(shí)際應(yīng)用變化發(fā)展各階段三個(gè)方面，對(duì)隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新展開(kāi)分析，并提出爆破技術(shù)下一步可研究的方向。

2 隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)基本概念

目前很多單位隧道爆破掘進(jìn)仍采取炮眼無(wú)回填堵塞爆破（以下簡(jiǎn)稱(chēng)常規(guī)爆破），即炮眼僅裝藥卷和起爆雷管，無(wú)回填堵塞，如圖1所示。這種炮眼裝藥結(jié)構(gòu)存在著不能充分利用炸藥有效能量和嚴(yán)重污染環(huán)境等兩大痼疾，為此何廣沂教授于20世紀(jì)末研發(fā)了隧道掘進(jìn)水壓爆破。

圖1 隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

所謂“隧道掘進(jìn)水壓爆破”，即指往炮眼一定位置注入一定量的水，如圖2所示。隧道爆破掘進(jìn)炮眼是水平的，炮眼有可能漏水，怎么往炮眼注水呢？說(shuō)來(lái)很簡(jiǎn)單，就是把水裝入復(fù)合材料的袋中，稱(chēng)為水袋。往炮眼中注水就是把水袋填入炮眼中。

圖2 隧道掘進(jìn)水壓爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

隧道掘進(jìn)水壓爆破與隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破，在鉆爆設(shè)計(jì)與施工方面有七點(diǎn)相同，即開(kāi)挖形式（全斷面或臺(tái)階）、掏槽種類(lèi)、炮眼分布、炮眼數(shù)量、炮眼深度、起爆順序和起爆間隔時(shí)間等一模一樣，施工不增加任何工作量。唯一的不同即水壓爆破與常規(guī)爆破相比，炮眼中增添了水袋。

隧道掘進(jìn)水壓爆破基本原理和優(yōu)越所在簡(jiǎn)述如下：

常規(guī)爆破的炮眼中除藥卷和起爆雷管外，炮眼中上部位是空的，充滿(mǎn)空氣，當(dāng)藥卷爆炸產(chǎn)生爆轟波傳到炮眼中上部空氣，空氣是可壓縮，損失爆轟波能量。

水壓爆破的炮眼中上部位被水充滿(mǎn)，爆轟波傳到水中，水不可壓縮，爆轟波能量不損失，這樣比常規(guī)爆破有利于圍巖破碎。利用在炮眼最底部一定量的水在爆破過(guò)程中延長(zhǎng)對(duì)圍巖作用時(shí)間，其爆破效果比有藥卷更佳。炮眼中的水在爆炸作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)進(jìn)一步破碎圍巖。炮眼中上部位的水堵塞炮眼，有效利用藥卷爆炸生成的膨脹氣體對(duì)圍巖再破碎。炮眼中的水除具有上述作用外，爆破產(chǎn)生的“水霧”起到很好降塵作用，還可以防止瓦斯爆炸。此外，“水楔”作用還可以防止巖爆。

因此，隧道掘進(jìn)水壓爆破與常規(guī)爆破相比，實(shí)現(xiàn)了“節(jié)能環(huán)保”作用效果的創(chuàng)新，即水壓爆破具有“三提高一保護(hù)”作用效果?！叭岣摺保阂皇翘岣哒ㄋ幱行芰坷寐?，即節(jié)省20%炸藥；二是提高施工效率，加快施工進(jìn)度，每循環(huán)進(jìn)尺提高30 cm；三是降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益，每延米可節(jié)省鉆爆成本幾百元?！耙槐Ｗo(hù)”：粉塵濃度降低90%，大大改善隧道施工環(huán)境，保護(hù)隧道施工作業(yè)人員身體健康。

3 隧道掘進(jìn)水壓爆破初始研發(fā)歷程

3.1 露天深孔水壓爆破

隧道掘進(jìn)水壓爆破源于露天深孔水壓爆破。以往露天深孔爆破，是使用潛孔鉆機(jī)鉆孔，炮眼采用巖屑或土回填堵塞，存在著不能充分利用炸藥有效能量和嚴(yán)重污染環(huán)境兩大痼疾，為此何廣沂教授研發(fā)成功了露天深孔水壓爆破。所謂“露天深孔水壓爆破”，就是改變露天深孔爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新點(diǎn)就是變土回填堵塞炮眼為水與土復(fù)合堵塞炮眼，水與土的堵塞深度為1∶1，先用水回填，再用土回填炮眼到炮眼口；炮眼最底部深約0.5 m不裝藥而注入水。

露天深孔水壓爆破于1995年開(kāi)始研發(fā)的，為原鐵道部科技項(xiàng)目。經(jīng)兩年的研究，尤其是實(shí)際應(yīng)用，于1997年通過(guò)了部級(jí)鑒定，國(guó)內(nèi)知名爆破專(zhuān)家教授幾乎全出席了鑒定會(huì)并給予了很客觀(guān)也很高評(píng)價(jià)——“國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)”。

3.2 隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)理論

露天深孔水壓爆破研發(fā)成功之后，何廣沂教授想到垂直而比較大口徑的炮眼可以搞水壓爆破，那么對(duì)于隧道爆破掘進(jìn)，水平而口徑較小的炮眼可不可以也實(shí)施水壓爆破，于是1998年“隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)”被原中國(guó)鐵道建筑總公司批準(zhǔn)立項(xiàng)研發(fā)。

隧道掘進(jìn)水壓爆破研發(fā)伊始，為保證研究強(qiáng)有力的理論支撐，與山西理工大學(xué)合作進(jìn)行模擬應(yīng)變測(cè)試，應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明：炮眼底部切向拉應(yīng)變水壓爆破比常規(guī)爆破增加13%，炮眼中、上部切向拉應(yīng)變分別增加7%和34%，切向拉應(yīng)變是破碎圍巖主要參數(shù)，即切向拉應(yīng)變?cè)酱笤接欣趪鷰r破碎，水壓爆破切向拉應(yīng)變大，即水壓爆破不留炮根或少留炮根、圍巖破碎率高且不出現(xiàn)大塊原因所在。

經(jīng)應(yīng)變測(cè)試，雖然隧道掘進(jìn)水壓爆破在理論上有支撐，但必須經(jīng)實(shí)際爆破效果來(lái)驗(yàn)證理論分析正確與否。于是2002年初在渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道進(jìn)行了隧道掘進(jìn)水壓爆破應(yīng)用試驗(yàn)。

3.3 水壓爆破技術(shù)實(shí)用效果

渝（重慶）懷（化）鐵路歌樂(lè)山隧道出口于2001年3月開(kāi)始，直到2002年5月，隧道掘進(jìn)均采取常規(guī)爆破，Ⅲ級(jí)圍巖全斷面（斷面59.4 m2）開(kāi)挖，采取復(fù)式楔形掏槽，全斷面炮眼數(shù)為117個(gè)，其炮眼分布和起爆順序如圖3所示，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度為3.8 m，總裝藥量248.9 kg，實(shí)際進(jìn)尺 3.2～3.5 m，平均進(jìn)尺3.36 m，平均炮眼利用率為86.2%，單位耗藥量1.247 kg/m3。

圖3 炮眼分布及起爆順序（單位：cm）

從2002年6月開(kāi)始至2002年12月16日隧道貫通，一直采取水壓爆破。

水壓爆破炮眼分布及起爆順序與常規(guī)爆破圖3所示一模一樣，僅改變的是炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，從炮眼底至炮眼口依次為藥卷、水袋和炮泥，如圖4所示，總裝藥量為228.7 kg。

圖4 歌樂(lè)山隧道水壓爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

需要說(shuō)明的是，炮眼中水袋長(zhǎng)與炮泥長(zhǎng)之比約1∶1，每袋水袋長(zhǎng)30 cm，直徑 3.5 cm，人工灌水和扎口，制作既慢又費(fèi)力。

自2002年6月以來(lái)到歌樂(lè)山隧道貫通，連續(xù)采取水壓爆破開(kāi)挖整整200個(gè)循環(huán)，共計(jì)掘進(jìn)了740.1 m，在Ⅲ級(jí)圍巖（灰?guī)r）地段，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度3.8 m，每循環(huán)實(shí)際進(jìn)尺3.5～3.8 m，平均每循環(huán)進(jìn)尺為3.70 m，平均炮眼利用率達(dá)97.4%，單位耗藥量1.041 kg/m3，爆破后粉塵濃度下降42.5%。

水壓爆破每循環(huán)平均進(jìn)尺3.7 m，采取水壓爆破200個(gè)循環(huán)實(shí)際進(jìn)尺740.1 m，如仍采取常規(guī)爆破則需220個(gè)循環(huán)，推遲隧道貫通10 d。

歌樂(lè)山隧道出口采取水壓爆破與原先常規(guī)爆破相比，每循環(huán)多掘進(jìn)0.34 m，并節(jié)省炸藥20.2 kg，按現(xiàn)今比價(jià)，炸藥每噸約10 000元，鉆爆每方75元，經(jīng)計(jì)算水壓爆破比常規(guī)爆破每延米節(jié)省費(fèi)用400元多，如把因通風(fēng)、裝渣時(shí)間縮短以及項(xiàng)目管費(fèi)考慮進(jìn)去，每延米節(jié)省費(fèi)用約500元。

綜上所述，水壓爆破在歌樂(lè)山隧道出口應(yīng)用試驗(yàn)，已凸顯水壓爆破“三提高一保護(hù)”的作用效果。隧道掘進(jìn)水壓爆破既有理論支撐又有實(shí)際應(yīng)用爆破成果，于2002年12月18日，由重慶市科委主持，由重慶大學(xué)、太原理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所和鐵道科學(xué)院等八個(gè)單位的院士、研究員、教授和專(zhuān)家等九人組成鑒定委員會(huì)對(duì)“隧道掘進(jìn)水壓爆破”進(jìn)行了鑒定。鑒定認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)。

3.4 水壓爆破技術(shù)的試點(diǎn)推廣

于2004年初，以“隧道掘進(jìn)水壓爆破應(yīng)用技術(shù)”為題，向建設(shè)部申報(bào)了“科技成果推廣項(xiàng)目”，并于2004年7月7日獲得批準(zhǔn)。按照《建設(shè)部2004年科技成果推廣項(xiàng)目》的通知精神和要求，我們進(jìn)行了有計(jì)劃的推廣試點(diǎn)。

為使“隧道掘進(jìn)水壓爆破”推廣試點(diǎn)具有普遍性、代表性，成為名副其實(shí)的“示范工程”或“樣板工程”，為面向全國(guó)廣泛推廣提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，我們選擇了不同單位承建的不同隧道、不同隧道開(kāi)挖斷面、不同地質(zhì)，進(jìn)行推廣試點(diǎn)“隧道掘進(jìn)水壓爆破”。

不同單位，分別是中鐵十一局集團(tuán)承建的宜（昌）萬(wàn)（州）鐵路馬鹿箐隧道和金沙江溪洛渡水電站（中國(guó)第二大水電站）對(duì)外交通工程大河灣公路隧道；中鐵十五局集團(tuán)承建的宜萬(wàn)鐵路齊岳山特長(zhǎng)大隧道和浙江臺(tái)（州）金（華）高速公路蒼山嶺隧道。

不同的隧道，是指兩座鐵路隧道和兩座公路隧道。

不同的隧道斷面，是指鐵路單線(xiàn)隧道斷面60 m2，公路隧道斷面80 m2。

不同的隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)，是指Ⅰ～Ⅴ級(jí)不等的巖石種類(lèi)，其中石質(zhì)有灰?guī)r、沙巖等。

在4個(gè)推廣試點(diǎn)中對(duì)常規(guī)爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)和其他四種炮眼裝藥結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），進(jìn)行實(shí)際爆破效果對(duì)比，得到的結(jié)果是，圖5e爆破效果最佳，具有極其顯著的“三提高一保護(hù)”作用效果，即提高炸藥有效能量利用率，節(jié)省炸藥17%～24%；提高施工效率，每一循環(huán)提高進(jìn)尺0.30～0.60 cm，爆渣破碎，爆堆集中，加快裝渣速度；提高經(jīng)濟(jì)效益，每延米節(jié)約成本500～600元；粉塵濃度下降67%，改善隧道作業(yè)環(huán)境，保護(hù)施工人員身體健康。

圖5 炮眼5種不同裝藥結(jié)構(gòu)

鑒于推廣試點(diǎn)已達(dá)到《建設(shè)部2004年科報(bào)成果推廣項(xiàng)目》的通知精神和要求，于2006年1月，“隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)”被評(píng)為“中聯(lián)重科杯”華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)（證書(shū)號(hào)：2005－2－1301），即省部級(jí)二等獎(jiǎng)；以“隧道掘進(jìn)水壓爆破”為主要內(nèi)容，于2007年6月由中國(guó)鐵道出版社出版《節(jié)能環(huán)保工程爆破》一書(shū)，于2014年5月第2次印刷；于2008年7月，“隧道掘進(jìn)水壓爆破”獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（證書(shū)號(hào)第410636號(hào)）。

4 隧道掘進(jìn)水壓爆破變化發(fā)展創(chuàng)新歷程

隧道掘進(jìn)水壓爆破在示范工程基礎(chǔ)上，不斷變化發(fā)展提高，變革創(chuàng)新；作者以實(shí)際爆破效果和鉆爆作業(yè)人員認(rèn)可與否作為標(biāo)準(zhǔn)，把隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)發(fā)展分為三個(gè)階段，現(xiàn)分述如下。

4.1 隧道掘進(jìn)水壓爆破創(chuàng)新發(fā)展第一個(gè)階段

隧道掘進(jìn)水壓爆破創(chuàng)新歷程的第一個(gè)階段即創(chuàng)造性地改變炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，相較于常規(guī)爆破大幅提升了爆破效果及降塵效果，同時(shí)從山嶺隧道推廣到城市地鐵暗挖隧道，擴(kuò)大了適用范圍并且實(shí)現(xiàn)了實(shí)用性與節(jié)能環(huán)保性的創(chuàng)新。

隧道掘進(jìn)水壓爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)為：光爆炮眼以?xún)?nèi)的所有炮眼，其中包括掏槽眼、輔助眼和底板眼等，其炮眼裝藥結(jié)構(gòu)分四步進(jìn)行：第一步往炮眼最底部裝一袋水袋；第二步裝藥卷，其藥卷數(shù)量比常規(guī)爆破少一卷；第三步裝水袋，采取1/2計(jì)算方法和四舍五入規(guī)則確定裝幾袋水袋，例如裝完藥卷之后，炮眼剩余長(zhǎng)度為1.2 m，那么裝3袋水袋就可以，如剩余長(zhǎng)度1.3 m，也裝3袋，如剩余長(zhǎng)度1.4 m，那就裝4袋；第四步回填堵塞炮泥到炮眼口。

光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在常規(guī)爆破光爆炮眼間隔裝藥前提下，往炮眼最底部裝填1袋水袋，在炮眼口頂部裝填1～2袋水袋，最后用炮泥回填堵塞到炮眼口，如前文圖2所示。爆破中借助水的不可壓縮性，使爆破對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊波分布更加均勻，起到更優(yōu)的爆破效果。

在第一個(gè)階段推廣隧道掘進(jìn)水壓爆破過(guò)程中對(duì)粉塵濃度進(jìn)行實(shí)測(cè)，水壓爆破比常規(guī)爆破粉塵濃度下降67%，說(shuō)明水壓爆破對(duì)于降塵，改善施工環(huán)境具有很大效果。

還要說(shuō)明的是，應(yīng)用試驗(yàn)和示范工程炮泥是使用某研究所試制的炮泥機(jī)加工而成，這種炮泥機(jī)重310 kg，每臺(tái)30 000元，而在第一個(gè)階段用的是通用炮泥機(jī)，重190 kg，每臺(tái)僅3 500元。示范工程加工水袋也是使用某研究所轉(zhuǎn)賣(mài)的封口機(jī)，如圖6所示，每臺(tái)11 000元，而在第一個(gè)階段是使用在市場(chǎng)購(gòu)置的，每臺(tái)6 500元。

圖6 封口機(jī)

中國(guó)鐵建股份有限公司于2011年4月12日在（北）京福（州）高鐵中鐵十一局承建的閩贛段石壁嶺隧道召開(kāi)了“隧道掘進(jìn)水壓爆破”現(xiàn)場(chǎng)會(huì)。參加現(xiàn)場(chǎng)會(huì)的有中國(guó)鐵建夏國(guó)斌副總裁兼總工程師、股份公司工程部、科技部部長(zhǎng)及有關(guān)人員，還有中鐵十一局集團(tuán)趙晉華總經(jīng)理，各個(gè)局集團(tuán)總工程師及其技術(shù)員，共計(jì)百余人?，F(xiàn)場(chǎng)會(huì)過(guò)后，于2011年5月16日股份公司發(fā)出《關(guān)于做好隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)推廣工作的通知》。現(xiàn)場(chǎng)會(huì)起了很好很大的作用，中國(guó)鐵建股份有限公司所屬各個(gè)局集團(tuán)立即普遍推廣了隧道掘進(jìn)水壓爆破。

水壓爆破不但在山嶺隧道廣泛推廣應(yīng)用，而且推廣到城市地鐵暗挖隧道，自2011年10月至今，已在東莞、廣州、深圳、貴陽(yáng)、重慶、青島和廈門(mén)等多個(gè)城市推廣。2014年11月在貴陽(yáng)召開(kāi)貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線(xiàn)暗挖隧道水壓爆破現(xiàn)場(chǎng)會(huì)，2015年10月在重慶也召開(kāi)了推廣地鐵暗挖隧道水壓爆破現(xiàn)場(chǎng)會(huì)。

地鐵暗挖隧道采取水壓爆破與山嶺隧道一樣，同具有“三提高一保護(hù)”作用效果外，針對(duì)地鐵暗挖隧道特殊的環(huán)境，水壓爆破還能起到六個(gè)“有效控制”作用效果：

一有效控制爆破振動(dòng)在安全范圍以?xún)?nèi)，確保房屋、樓房和各種設(shè)施安全；

二有效控制沖擊波強(qiáng)度，不擾民、不影響人們正常工作與生活；

三有效控制粉塵濃度，不但改善作業(yè)環(huán)境，保護(hù)施工人員身體健康，而且確保地面環(huán)境不被污染；

四有效控制爆破后掌子面前的溫度，不但不會(huì)上升，反而會(huì)下降，對(duì)夏季施工，尤其在重慶、廣州、深圳等城市，尤為有益；

五有效控制爆破后巖石粒徑，塊度小，破碎均勻，解決地鐵出碴困難、出碴不方便等問(wèn)題；

六有效控制爆破后圍巖穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，不會(huì)滲水。

4.2 隧道掘進(jìn)水壓爆破創(chuàng)新發(fā)展第二個(gè)階段

長(zhǎng)久以來(lái)，隧道爆破掘進(jìn)，光爆破眼設(shè)計(jì)過(guò)密，打眼過(guò)多，打眼占用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能否減少光爆炮眼數(shù)量的同時(shí)，保障光爆質(zhì)量成了隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)大量的研究創(chuàng)新，“聚能管裝置”應(yīng)運(yùn)而生，使用“聚能管裝置”代替光爆炮眼間隔裝藥，經(jīng)在中鐵十七局施工的拉（薩）林（芝）鐵路米林隧道橫洞等幾個(gè)隧道實(shí)際應(yīng)用，光爆破眼間距由常規(guī)光面爆破40～50 cm增大到80～100 cm且提高了光爆質(zhì)量。

將具備聚能爆破作用的聚能管裝置與第一階段中的水壓爆破技術(shù)結(jié)合，減少光爆炮眼數(shù)量，降低施工成本的同時(shí)，進(jìn)一步提高了光爆質(zhì)量，隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了第二階段的創(chuàng)新。光爆炮眼采取聚能水壓光面爆破，而光面炮眼以?xún)?nèi)所有炮眼仍采取第一個(gè)階段炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，這兩種炮眼裝藥結(jié)構(gòu)的爆破，定義為“隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破?！?/p>

4.2.1 聚能管裝置

聚能管裝置由聚能管、炸藥、導(dǎo)爆索和定位圈等四部分組成，實(shí)物如圖7所示。聚能管主體兩側(cè)有一對(duì)稱(chēng)凹進(jìn)去的槽，頂角為70°，即“聚能槽”。裝置中的炸藥為通用的乳化炸藥，導(dǎo)爆索也為通用的起爆器材。聚能管壁厚2 mm，其長(zhǎng)度可長(zhǎng)可短，為光爆破眼深度70%左右。聚能管材料為PVC。聚能管的截面尺寸如圖8所示。

圖7 聚能管實(shí)物照片

圖8 聚能管截面尺寸（單位：mm）

要說(shuō)明的是，聚能管是由魏華昌同志設(shè)計(jì)的，而聚能管裝置安全準(zhǔn)爆由何廣沂教授設(shè)計(jì)的。

4.2.2 聚能水壓光面爆破基本原理

采取聚能管裝置代替光爆炮眼間隔裝藥，其光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)是：第一步往炮眼最底部裝一袋水袋；第二步裝填聚能管裝置，千萬(wàn)注意聚能槽要與輪廓面平行；第三步裝填1～2袋水袋；第四步炮泥回填堵塞。這種光面爆破，何廣沂教授定義為“隧道掘進(jìn)聚能水壓光面爆破”。裝藥結(jié)構(gòu)示意及截面如圖9～圖10所示。

圖9 聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

圖10 聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)截面圖

聚能水壓光面爆破，光爆炮眼間距100 cm，能保障光爆質(zhì)量嗎？從聚能水壓光面爆破原理可見(jiàn)端倪。

常規(guī)光面爆破技術(shù)原理是光爆炮眼中的藥卷爆炸在巖石中傳播應(yīng)力波產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力，由于光爆炮眼相鄰互為“空眼”，所以在光爆炮眼連線(xiàn)兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中度很大的拉應(yīng)力，超過(guò)巖石抗拉強(qiáng)度，于是使炮眼之間的巖體形成的初始裂縫要比其他方向厲害得多，除此之外，由于藥卷爆炸生成的高壓氣體膨脹產(chǎn)生的靜力作用促使初始裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大延伸，最終形成光面。而聚能水壓爆破除上述應(yīng)力波作用外，緊跟隨的是聚能槽產(chǎn)生的高溫高壓高速射流以及光爆炮眼中的水在爆破作用下產(chǎn)生的“水契”效應(yīng)，促使巖石初始裂縫進(jìn)一步延伸擴(kuò)展加大，光爆炮眼水袋和炮泥復(fù)合回填堵塞，有力控制藥卷爆炸生成的膨脹氣體在炮眼中，其膨脹氣體靜力作用要比常規(guī)光面爆破不堵塞強(qiáng)得多，更有利已形成的裂縫延伸擴(kuò)展加大，聚能水壓光面爆破增添了高溫高壓高速射流和水楔作用以及增強(qiáng)膨脹氣體靜力作用，這三種因素共同作用的結(jié)果是解決常規(guī)光面爆破炮眼過(guò)密的主要原因。

4.2.3 隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破實(shí)際應(yīng)用

隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破實(shí)際應(yīng)用開(kāi)始于2015年5月兩座隧道，一座是新建成（都）蘭（州）高鐵金瓶巖隧道，另一座是新建寶（雞）漢（中）高速公路石門(mén)隧道。這兩座隧道采用水壓聚能爆破不但具有“三提高一保護(hù)”作用效果，而且光爆破質(zhì)量極優(yōu)，尤其是每延米可節(jié)省成本上千元。

鑒于水壓聚能爆破實(shí)際爆破效果，于2016年9月20日，由中國(guó)鐵建股份有限公司主持進(jìn)行了鑒定，參加鑒定有王建寧、等國(guó)內(nèi)知名隧道專(zhuān)家院士。鑒定意見(jiàn)認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

鑒定過(guò)后，隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破廣泛推廣了，西南到拉（薩）林（芝）鐵路，東北到牡（丹江）佳（木斯）高鐵，華南到梅（州）汕（頭）高鐵、興（國(guó)）泉（州）高鐵，有高鐵隧道、公路隧道和礦山。

在隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破推廣過(guò)程中，于2018年3月11日中央電視臺(tái)走進(jìn)科學(xué)節(jié)目以《石門(mén)爆破》為題，對(duì)隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破作了詳細(xì)報(bào)道。

2018年7月18日，中國(guó)鐵建在興泉高鐵8標(biāo)召開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)會(huì)，為此中鐵十二局集團(tuán)制作了《隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破》專(zhuān)題片。

4.3 隧道掘進(jìn)水壓爆破創(chuàng)新發(fā)展第三個(gè)階段

作者指出，推廣隧道掘進(jìn)水壓爆破第三個(gè)階段技術(shù)應(yīng)用是重中之重。人有旦夕禍福，天有不測(cè)風(fēng)云。正當(dāng)“隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破”推廣如火如荼之際，有關(guān)爆破器材管理部門(mén)，以聚能管裝置對(duì)藥卷二次改裝為由停止推廣使用。

為了解決這一問(wèn)題，作者開(kāi)展大量研究分析，研發(fā)出了光爆炮眼新型裝藥結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)下光爆炮眼無(wú)需導(dǎo)爆索，所有炮眼無(wú)需炮泥回填堵塞，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)降塵效果和光爆質(zhì)量也得到進(jìn)一步提高，隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)的發(fā)展來(lái)到第三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了爆破技術(shù)與爆破效果的全面創(chuàng)新。

4.3.1 光爆新型裝藥結(jié)構(gòu)

2019年4月16日，珠海市興業(yè)快線(xiàn)石溪山隧道進(jìn)行光爆眼新型裝藥結(jié)構(gòu)的第一炮，石溪山隧道常規(guī)爆破光爆炮眼深3.8 m，其裝藥結(jié)構(gòu)為第一步往炮眼最底部裝1袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第二步裝10袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第三步裝3袋水袋；第四步炮泥回填堵塞到炮眼口。這種光爆炮眼新型裝藥結(jié)構(gòu)，光爆質(zhì)量比常規(guī)光爆更好，關(guān)鍵是光爆炮眼再不用導(dǎo)爆索，裝藥結(jié)構(gòu)如圖11所示。光爆炮眼采取新型裝藥結(jié)構(gòu)，光爆炮眼以?xún)?nèi)所有炮眼仍采取第一、第二階段裝藥結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)進(jìn)行了粉塵濃度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

圖11 石溪山隧道炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

表1 粉塵濃度監(jiān)測(cè)

光爆炮眼可以不要導(dǎo)爆索，于是作者又想到回填堵塞可不可以不用炮泥？炮泥主要組分是黏土，在山嶺隧道地帶受條件限制，難以獲取黏土。此外加工炮泥以及往炮眼回填堵塞費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工成本高，鉆爆作業(yè)人員都不愿意用。這種想法于2020年9月19日在云南省巧家縣復(fù)建等級(jí)公路新塘坪隧道實(shí)現(xiàn)了。新塘坪隧道光爆炮眼3.8 m深，其裝藥結(jié)構(gòu)為第一步往炮眼最底部裝1袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第二步裝11袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第三步裝4袋水袋到炮眼口，毋須炮泥回填堵塞。光爆炮眼以?xún)?nèi)的所有炮眼裝藥結(jié)構(gòu)為第一步往炮眼最底部裝填1袋水袋；第二步比常規(guī)爆破每個(gè)炮眼少裝1卷藥卷；第三步用水袋回填堵塞到炮眼口。裝藥結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 新塘坪隧道新型炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

隧道爆破掘進(jìn)，光爆炮眼一般最深3.8 m，可能有讀者要問(wèn)光爆炮眼深度如3.6 m，那么光爆炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如何？回答很簡(jiǎn)單，裝藥結(jié)構(gòu)第二步少裝1袋水袋就可以了，以此類(lèi)推。

上述這種炮眼裝藥結(jié)構(gòu)顯著特征是光爆炮眼不用導(dǎo)爆索，所有炮眼不用炮泥回填堵塞，操作更簡(jiǎn)單更快捷，“三提高一保護(hù)”作用效果更顯著，尤其是降塵效果更提高，降塵濃度要超過(guò)88%（有待測(cè)試）。這對(duì)川藏鐵路隧道爆破開(kāi)挖尤為重要有意義，這是因?yàn)榇ú罔F路地處高原，本身就缺氧，隧道常規(guī)爆破后粉塵濃度大，這就等于“雪上加霜”，而采取水壓爆破不會(huì)出現(xiàn)“霜”了。

上述炮眼裝藥結(jié)構(gòu)的推廣使隧道掘進(jìn)水壓爆破的發(fā)展創(chuàng)新上了第三個(gè)階段。

4.3.2 光爆新型裝藥結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用

新塘坪隧道吹響推廣第三個(gè)階段炮眼裝藥結(jié)構(gòu)的號(hào)角，緊接著陸續(xù)在杭（州）溫（州）高鐵香山嶺隧道和朱店隧道出口、沈（陽(yáng)）白（山）高鐵吉林段楓葉嶺隧道和遼寧段新賓隧道、（四）川（西）藏鐵路康定2號(hào)隧道等進(jìn)一步擴(kuò)大范圍推廣。

彭（水）酉（陽(yáng)）高速公路中巴隧道進(jìn)行推廣，取得很好爆破效果：設(shè)計(jì)每循環(huán)進(jìn)尺3.8 m，實(shí)際進(jìn)尺3.8 m，炮眼利用率100%；節(jié)省炸藥17%；光爆炮眼半眼痕保留率80%以上，不欠挖更不超挖；爆破后可立即裝渣大大縮短通風(fēng)時(shí)間等等。

青島地鐵6號(hào)線(xiàn)推廣時(shí)，在離爆破點(diǎn)最近樓房居民樓上感受震感，并未有顯著震動(dòng)響應(yīng)，因?yàn)閷?shí)測(cè)振速僅為 0.29 cm/s，較常規(guī)爆破振速的 0.49 cm/s降低了40.8%。

綜上所述，依據(jù)“隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新”所取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，要不了多長(zhǎng)時(shí)間，隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破將成為歷史，而水壓爆破必將成為隧道爆破掘進(jìn)主力軍、勝利軍！

5 結(jié)束語(yǔ)

隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)推廣應(yīng)用歷經(jīng)近20年，發(fā)展創(chuàng)新歷經(jīng)了三個(gè)階段，本文通過(guò)對(duì)隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)發(fā)展歷程中炮眼裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新及相關(guān)成果展開(kāi)綜合分析，得出以下結(jié)論及建議：

（1）第一個(gè)階段的水壓爆破技術(shù)利用水的不可壓縮性，借助“水楔”效應(yīng)，較常規(guī)爆破大幅提升了爆破質(zhì)量，同時(shí)爆破產(chǎn)生的“水霧”有效降低了粉塵濃度，改善施工環(huán)境，達(dá)到了綠色建造，節(jié)能環(huán)保的效果。

（2）第二個(gè)階段的聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)在水壓爆破的基礎(chǔ)上，有效利用高溫高壓高速射流以及增強(qiáng)膨脹氣體靜力的聚能作用，降低了爆破對(duì)于圍巖的擾動(dòng)，大幅減少光爆炮眼數(shù)量，降低施工成本的同時(shí)，保證了爆破質(zhì)量。

（3）第三個(gè)階段的光爆新型裝藥結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性地取消了導(dǎo)爆索及回填堵塞采用的炮泥，充分利用水壓爆破技術(shù)特性，有效提升“三提高一保護(hù)”作用效果。

（4）為了進(jìn)一步提高水壓爆破技術(shù)的應(yīng)用效果，隧道掘進(jìn)水壓爆破發(fā)展創(chuàng)新仍需在炮眼裝藥結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造組成等方面結(jié)合理論分析開(kāi)展更深層次的研究，實(shí)現(xiàn)爆破效果更高階段的發(fā)展創(chuàng)新。為此，下一步可研究的方向：炮眼用水袋炮泥回填堵塞與炮眼只用水袋回填堵塞雖爆破效果無(wú)差別，理論支撐如何；為往炮眼裝填水袋快捷，水袋口徑和長(zhǎng)度應(yīng)不應(yīng)改變等等。