李興全，蔣新聞，陳志偉，張丕云，柏克超

（云南交投公路建設(shè)第六工程有限公司，昆明 650034）

公路隧道作為一種基礎(chǔ)交通設(shè)施，在改善公路路型、縮短騎車行駛距離、提高運輸能力和減少交通事故等方面有重要作用[1]。目前，國內(nèi)較為常用的隧道開挖方法為光面爆破法。但是傳統(tǒng)的光面爆破法在進行鉆孔作業(yè)時，由于圍巖巖性情況、節(jié)理裂隙分布情況等問題，導(dǎo)致實際開挖的輪廓線與設(shè)計的輪廓線不能完全一致，其中超出設(shè)計輪廓線的部分被稱為“超挖”，達(dá)不到設(shè)計輪廓線的部分被稱為“欠挖”[2]。超欠挖現(xiàn)象的存在，一方面大大影響了隧道的安全性，過于嚴(yán)重的超欠挖可能會引起隧道的坍塌；另一方面，對于出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象的部分，常常需要支出更多的費用進行隧道支護和混凝土襯砌，提高了施工成本。而聚能爆破技術(shù)作為一門比較新穎的技術(shù)，一方面可以保護圍巖，降低超欠挖，從而達(dá)到使輪廓線光滑平整以及保證圍巖穩(wěn)定性的目的[3]。20世紀(jì)90年代何廣沂教授首次提出的水壓爆破技術(shù)[4-6]，即在炮孔中一定位置放入若干水袋，然后利用爆破時水產(chǎn)生的“水楔”和“水霧化”作用破碎圍巖，以及降低爆破粉塵[7]。若將水壓爆破技術(shù)與聚能爆破技術(shù)結(jié)合使用，既可以利用“水楔”作用強化聚能射流，使爆破初始裂隙定向延伸，又可以利用“水霧化”作用控制爆破粉塵，降低施工對環(huán)境的污染及對工作人員身體健康的損傷[8]。目前，專家學(xué)者們已經(jīng)在聚能水壓爆破領(lǐng)域做出了不少研究[9-13]。

綜上，專家學(xué)者們大多都是以聚能藥包為基礎(chǔ)開展的聚能水壓爆破研究，但是在以切縫藥包為基礎(chǔ)的聚能水壓爆破方面研究較少。因此本文于云南省臨滄市滄源縣勐省鎮(zhèn)正在進行開挖的勐省隧道中開展了切縫藥包聚能水壓爆破試驗，希望為類似的隧道掘進工程提供參考。

1 工程概況

勐省隧道位于云南省臨滄市滄源縣勐省鎮(zhèn)境內(nèi)，其進口端位于勐省鎮(zhèn)金江水泥廠1 km處，出口端位于勐省鎮(zhèn)芒陽村。該隧道底寬12.43 m、頂高7.41 m，采用非仰拱全斷面開挖，斷面面積76.35 m2，隧道按單幅計全長7 183 m。現(xiàn)場施工隊施工時采用全斷面開挖法。施工區(qū)域超欠挖現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在圍巖支護及混凝土襯砌時花費了較大的人力物力。且爆破后粉塵濃度較高，對施工人員的身體健康會造成損傷。施工隊施工平臺采用二襯臺車，鉆孔采用YT28汽腿式鑿巖機，塑料導(dǎo)爆管毫秒雷管微差爆破開挖，周邊輪廓采用光面爆破與預(yù)裂爆破相結(jié)合技術(shù)。當(dāng)?shù)厥┕り犜谒淼乐苓吙撞捎眠B續(xù)裝藥，段別15，單孔裝藥2~3卷，炮孔長短間隔，短孔孔深1.5 m，長孔孔深3 m，孔徑40 mm，未采用炮泥填塞；炸藥選用二號巖石乳化炸藥；雷管選用毫秒管；掏槽方式為楔形掏槽，實際施工中無空孔。目前施工隊組的炮孔布置方案如圖1所示。

圖1 全斷面開挖炮孔布置圖

隧道上斷面共布置120~130個炮孔，實際炮孔數(shù)以現(xiàn)場施工情況為準(zhǔn)，存在多打孔或少打孔的情況。

2 聚能水壓爆破技術(shù)

2.1 切縫藥包破巖機理

切縫藥包爆破本質(zhì)上是通過在炸藥外殼上剖開具有不同角度、形狀和數(shù)量的切縫，切縫可以控制爆炸應(yīng)力場分布和爆生氣體對圍巖的準(zhǔn)靜態(tài)作用和劈裂作用，并以此控制被爆介質(zhì)的開裂方向。切縫藥包作用過程如圖2所示。

圖2 切縫藥包爆破作用

炸藥起爆后，爆轟產(chǎn)物首先會作用于切縫管內(nèi)壁，爆轟波反射后形成反射沖擊波，減小對非切縫方向孔壁的破壞作用。然后沖擊再在作用在孔壁上形成爆炸應(yīng)力波，該應(yīng)力波強度大且集中于切縫處，導(dǎo)致切縫處孔壁出現(xiàn)剪切破裂面。初始定向裂隙會使孔壁產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，又可以抑制一部分切縫方向外裂紋的產(chǎn)生。再加上切縫槽對能量的集中效果，更加強了對切縫方向孔壁的破壞作用。而爆生氣體在切縫管的阻礙作用下也會集中于切縫處，很少部分的爆生氣體轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，多數(shù)爆生氣體以動能形式射出，并行成“刀型”聚能射流，切割聚能方向巖體并控制裂隙的延展方向。

2.2 水壓爆破原理

水壓爆破是在炮孔中加入水介質(zhì)，改變裝藥結(jié)構(gòu)，用一定比例的水袋取代炸藥，并且取代空氣作為新的傳能介質(zhì)。水壓爆破的本質(zhì)在于利用水介質(zhì)的儲能作用來達(dá)到緩沖和進一步推進裂隙延展的目的。水介質(zhì)一定程度上是不可壓縮的，因此爆炸產(chǎn)生的沖擊波和爆生氣體在經(jīng)過水段時，大量能量被轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能。由于水的密度大于空氣且小于巖石，再加上水介質(zhì)的傳能作用，沖擊波會以更加均勻且強度更低的方式作用于巖體，炮孔孔壁的破壞較小，所以水介質(zhì)起到了緩沖的作用。同時在初始裂隙形成后，水介質(zhì)會在爆生氣體的作用下被擠壓進裂隙中。水介質(zhì)會使裂隙尖端應(yīng)力集中，起到了“水楔”的作用，而水在高溫作用下發(fā)生霧化反應(yīng)，以此可以控制爆破粉塵的產(chǎn)生。

3 爆破試驗

3.1 材料參數(shù)

3.1.1 切縫管參數(shù)

切縫管用PVC管材制作，制作時將PVC管材切下1 m的部分，剩余管材中留出0.3 m的部分不進行切割，再將2.3 m的部分對半剖開，切縫開口高度為3~4 mm。PVC管管材參數(shù)見表1。

表1 PVC管管材參數(shù)

3.1.2 其他材料參數(shù)

組裝聚能藥包的其他材料包括水袋、二號巖石乳化炸藥、導(dǎo)爆管雷管和膠帶等。其中水袋由注水機在長條狀透明密封塑料袋中注滿水后制成，炸藥、雷管和膠帶由施工現(xiàn)場提供。其他材料參數(shù)見表2、表3。

表2 炸藥性能參數(shù)

表3 水袋參數(shù)

3.2 爆破參數(shù)

在隧道頂拱挑選20個炮孔作為試驗組和對照組，其中左側(cè)10炮孔為試驗組，右側(cè)10炮孔為對照組?？紤]到切縫藥包組裝完成后直徑較大，與施工隊溝通后，施工隊采用φ50 mm的鉆頭進行鉆孔。兩側(cè)每2個長孔前均增設(shè)1短孔，增設(shè)短孔作為導(dǎo)向孔，用于增大補償空間，因此短孔均不作為試驗孔或?qū)φ湛?。本次試驗中試驗組和對照組的每個長孔都裝入3卷二號巖石乳化炸藥和3個水袋，2組中的短孔都不進行裝藥。爆破參數(shù)見表4。

表4 爆破參數(shù)

3.3 周邊孔裝藥

周邊孔裝藥時，切縫藥包應(yīng)在現(xiàn)場加工。本次試驗采用孔底起爆的方式。因此組裝藥包時，將切縫管開口端作為至于孔底的一端。在開口端以連續(xù)裝藥的方式裝入3卷二號巖石乳化炸藥，再在炸藥后連續(xù)裝入3個水袋，導(dǎo)爆管雷管安裝在開口端第一卷炸藥上，然后將藥包用膠帶捆綁進行固定后即可裝入炮孔，且不使用炮泥進行填塞。炮孔內(nèi)裝藥示意圖及成品切縫藥包如圖3所示。

圖3 裝藥示意圖及成品切縫藥包

3.4 連線方式

試驗組和對照組使用的導(dǎo)爆管雷管段別均為15，2組腳線分開捆綁便于區(qū)分。

3.5 試驗效果

爆破后效果如圖4所示。試驗組區(qū)域爆破后拱頂部分平整度相對較高，存在1個明顯半孔殘痕，無明顯超欠挖現(xiàn)象；對照組區(qū)域爆破后，整體平整度較低，無明顯半孔殘痕，存在一定欠挖現(xiàn)象。

圖4 爆破效果

4 結(jié)論

（1）含水袋切縫藥包的組裝過程簡單，易于上手。僅需要在裝藥時，迅速將藥卷、水袋、雷管按順序裝入切縫管中并固定好即可進行裝藥作業(yè)。經(jīng)過試驗后，現(xiàn)場施工隊工人已基本掌握水間隔切縫藥包的組裝工藝以及裝藥方法，證明該技術(shù)可行性強。

（2）在裝藥量、孔距和孔深等爆破參數(shù)都相同的情況下，使用切縫藥包聚能水壓爆破技術(shù)進行爆破后，頂拱輪廓線平整，且頂拱圍巖完全崩落，無明顯超欠挖現(xiàn)象。這說明切縫裝置首先可以有效地保護非切縫端處的圍巖，同時，切縫端可以集中爆轟產(chǎn)物，形成聚能射流，同時起爆后水介質(zhì)會形成“水楔”作用，二者疊加下可以提高炮孔內(nèi)能量利用效率，并有效控制裂隙的擴展。