水壓爆破技術在隧道掘進中的應用

摘要：重點介紹水壓爆破技術在滬昆高速鐵路貴州段茅坪山隧道中的應用，分析了水壓爆破工藝原理、操作方法和實施效果。水壓爆破技術取得顯著地“三提高一保護”作用，工藝簡單，操作方便，具有顯著的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：水壓爆破 隧道掘進 綠色環保

隧道掘進水壓爆破技術是綠色環保的新技術，是我國隧道掘進技術從“濕法”鉆孔代替“干法”鉆孔、從非電起爆代替火爆和電爆以來的第三個質的飛躍和變化。隧道掘進水壓爆破技術在滬昆高速鐵路貴州段茅坪山隧道成功應用，提高提高了炸藥能量利用率，提高施工效率，提高經濟效益，保護洞內作業環境，經濟和社會效益顯著。

1 工程概況

滬昆高速鐵路貴州段茅坪山隧道全長7713m，為全標段控制工期的工程。圍巖以白云巖為主，夾雜泥巖和頁巖，次堅石至軟巖，為III～Ⅳ級圍巖，分上下臺階開挖，上臺階開挖斷面為84.85m2。該隧道圍巖較差，采用常規鉆爆法開挖，進度滯后。尤其是通過1300多米的二號橫洞施工，由于通風距離遠，風管彎頭風阻大，通風效果差，洞內作業環境惡劣，影響施工人員的身體健康，施工進度下降。因此，采用節能環保的水壓爆破技術，對于降低成本，加快施工進度，改善作業環境，具有重要意義。

2 水壓爆破工藝

水壓爆破是由我國著名的爆破專家何廣沂教授在上世紀九十年代提出來的，其爆破設計與傳統的隧道光面爆破設計方案基本相同，只是在裝藥結構和炮孔堵塞上進行了適當的調整。原理為往炮眼中一定位置注入一定量的水，用炮泥回填堵塞炮眼，利用在水中傳播的爆破應力波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經過水傳遞到圍巖中幾乎無損失，同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生的“水楔”效應，有利于巖石破碎，炮眼中的水可以起到霧化降塵作用，大大降低粉塵對環境的污染。

2.1 水壓爆破工藝流程 水壓爆破工藝流程與普通光面爆破基本相同，不同之處在于要事先加工好爆破所需的炮泥及水袋，裝藥時按照設計的裝藥結構分次序裝入水袋、炸藥、水袋后，用炮泥堵塞。

水壓爆破工藝流程見圖1。

2.2 水壓爆破設備 加工制作炮泥的“炮泥機”和自動注水、封口生產水袋的“水袋機”，是實施隧道掘進水壓爆破的基本保障設備。

2.2.1 炮泥機。炮泥采用PNJ-A型炮泥機制作而成，主要結構由電動機﹑料斗﹑料斗架﹑臥式螺旋輸送成形系統組成。PNJ-A型炮泥機制作的炮泥具有規格統一、質地均勻、軟硬適中、表面光滑等特點，提高了炮眼封堵質量，減少明火產生；炮泥制作速度快，提高工效；制作炮泥方便，操作簡單。

2.2.2 水袋自動封口機。采用KPS-60塑袋灌裝封口機，高壓泵式容積法計量方式進行灌裝，由凸輪機構完成水袋自動熱合封口。

KPS-60塑袋灌裝封口機制作的水袋具有規格統一、自動灌水封口等特點，制作速度快，工效高，操作簡單。

2.3 炮泥加工工藝 炮泥是由黏土、細砂、水三種成分組成，三種成分的重量比例為黏土：砂：水=0.75:0.09:0.16，按照配合比例人工拌勻材料后，裝入炮泥機的進料倉，開動電鈕開始生產，生產出的炮泥按照20cm～30cm的長度切割。制作好的炮泥最好在1～2小時之內使用，否則會失水變硬，堵塞后影響降塵效果。炮泥以表面光滑、不斷裂，用手略微捏一捏可以變形為宜。炮泥制作工藝流程如圖2所示。

2.4 水袋加工工藝 水袋的原材料即水和塑料袋。水采用普通生產或生活用水；塑料袋為常用的聚乙烯塑料，水袋長200mm，直徑為35mm，袋厚約為0.8mm，水袋為廠制品直接購買使用。

封口機在開動之前，要進行定量調節，設定封口溫度(初始溫度應設定為130℃為宜，再逐步調節升高)。打開設備開關，使計量泵內吸滿水，將空氣排出，塑料袋由人工用雙手拇指和食指夾住套在出水管口上，按啟動開關，即完成自動灌注和封口。

3 水壓爆破鉆爆設計

茅坪山隧道進口段主要以白云巖為主，次堅石，圍巖為III級圍巖，施工分上下臺階開挖，上臺階開挖斷面為84.85m2，常規鉆爆設計采用垂直楔形掏槽，總的炮孔數為154個，炮眼設計深度為3.2m。

常規爆破全斷面總計裝藥量為216.15kg，炮眼無回填堵塞。采用水壓爆破時在掏槽形式、炮眼布置、數量、深度、起爆順序和時間間隔等的設計與隧道常規爆破相同，所不同的是在每個炮眼中增加了水袋和炮泥，裝藥量和裝藥結構有所不同。爆破參數見下表1。

水壓爆破的裝藥結構與常規爆破相比，掏槽眼1組和2組每孔減少裝藥0.15kg；輔助眼每孔減少裝藥0.15kg，底板眼每孔少裝0.15kg；周邊眼每孔減少裝藥0.15kg；每循環總共節省炸藥23.1kg。

4 裝藥和起爆

4.1 水壓爆破的炮孔裝藥作業 所有炮眼先在眼底裝一個水袋，再按爆破設計裝入所需藥卷，剩余炮孔按3:4的長度比例依次裝入水袋和炮泥。裝藥結構見圖2

4.2 起爆作業 起爆網絡采取孔內延期微差、孔外簇聯的起爆方式，雷管采取并聯方式。

起爆順序：從掏槽眼開始，逐層向外進行，周邊眼、底板眼最后起爆。

5 實施效果分析

5.1 技術指標分析 通過茅坪山隧道使用水壓爆破和常規爆破各40個循環的統計比較數據，水壓爆破共掘進122m，常規爆破掘進106m，圍巖級別相同，都是Ⅲ級白云巖，設計掘進進尺都是3.2m，常規爆破每循環實際平均進尺為2.6～2.75m，平均進尺2.65m；水壓爆破平均進尺為3.0～3.1m，平均進尺3.05m。平均每循環提高進尺0.4米。

常規爆破的炮眼利用率為83%，水壓爆破的利用率達到了95%，單位耗藥量降低了0.21kg，通風排煙由過去40分鐘縮短為10分鐘。由此可見，水壓爆破在節省炸藥、加快進度、縮短通風時間、改善洞內施工環境方面的優勢是十分明顯的。各項技術指標見表2

5.2 經濟指標分析

根據常規爆破和水壓爆破的現場統計數據對比，在相同開挖斷面面積、炮眼布置和鉆孔深度的前提下，水壓爆破比普通爆破每個循環多開挖0.4m，每循環節省炸藥23.1kg，每爆破一立方巖石節省炸藥0.21kg，最為顯著的是通風降塵時間縮短了30分鐘。經濟指標見表3

茅坪山隧道全長7713m，按照水壓爆破掘進每延米節省454.8元，全隧道可節省費用350.78萬元；按照水壓爆破每掘進120米少鉆爆6個循環計算，可少鉆爆385個循環，全隧道（四個工作面施工）可縮短工期96天。

6 結束語

水壓爆破新技術在隧道掘進中的應用，充分證明該技術“三提高一保護”作用與效果顯著，符合國家節能環保政策，對于提高施工企業經濟效益、加快隧道施工速度、保護施工人員身體健康具有重要意義，值得在隧道施工中廣泛推廣。

參考文獻：

[1]何廣沂.《節能環保工程爆破》.中國鐵道出版社.2007年.

[2]吳曉亮，路潔心，李賀水.壓爆破技術的應用.山西焦煤科技.2011（6）.

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