水壓光面爆破在老格山隧道開挖中的應用

劉俊杰

(中鐵十局集團第二工程有限公司，河南 鄭州 450000)

水壓光面爆破在老格山隧道開挖中的應用

劉俊杰

(中鐵十局集團第二工程有限公司，河南 鄭州 450000)

為解決云南地區灰巖隧道溶蝕破碎嚴重，開挖爆破超挖、補炮次數較多，爆破后粉塵體積質量較大，洞內空氣質量不佳，影響作業人員身體健康等難題，在隧道開挖掘進施工中引入水壓爆破，在炮眼一定位置處注入一定量的水，炮孔采用特制炮泥進行堵塞。通過工程實踐總結，調整光面爆破鉆爆參數，得到最佳爆破效果，有效地降低了粉塵體積質量，改善了洞內空氣質量，提高了光爆效果和開挖循環進尺，相較于常規爆破有較大的優勢。

灰巖隧道；老格山隧道；水壓爆破；鉆爆設計；裝藥結構；成效分析

0 引言

目前，我國隧道的施工現狀是：1)隧道爆破掘進炮眼無堵塞，炸藥爆破能量損失嚴重；2)隧道開挖爆破后，粉塵體積質量較大，造成洞內空氣污染嚴重，危害人體健康；3)超欠挖嚴重，影響施工質量，增加成本。為改善目前隧道開挖施工存在的問題，在隧道開挖中引入隧道水壓爆破掘進施工新技術。該技術的研究開發始于何廣沂教授2002年的 “隧道掘進和城市露天開挖水壓爆破技術”，同年，該技術通過了省級鑒定。采取炮孔充填水袋,并用炮泥回填堵塞,提高了炸藥能量利用率,改善了爆破對環境的影響,具有可操作性,實現了淺孔爆破的工藝技術創新,為國際先進水平[1]。

水壓爆破在國內多條新建鐵路隧道中已經開始應用，在降低粉塵體積質量、節省炸藥及增加循環進尺等方面取得了一定成效，但在灰巖破碎地段和光面爆破中卻未予涉及。云桂線老格山隧道洞身穿過的地層以白云質灰巖和灰巖為主,巖體節理裂隙發育、巖溶強烈發育的特點，以及開挖采用全斷面光面爆破的實際情況，決定在隧道掘進中采用水壓光面爆破施工技術，并結合光面爆破和水壓爆破對灰巖破碎圍巖隧道開挖爆破效果及經濟效益進行分析。

1 水壓爆破機制

隧道掘進水壓爆破是在炮眼中一定位置處注入一定量的水，然后用專門的炮泥機生產炮泥回填堵塞[2]。由于炮眼中有水，而水具有壓縮性極小、變形能低、熱能損失小等特性，在水中傳播的水激波能夠按照水的“液壓”作用，較均勻地、幾乎不受損失地把能量傳遞到炮眼圍巖中。另外,在水激波做功的同時，被爆炸氣體沖擊壓縮的高壓水擠入爆生裂隙中,形成“水楔”，這種“水楔”的尖劈作用更加加劇了裂隙的延伸和擴展,使破碎塊度更均勻；同時,炮眼中的水在高溫高壓下被霧化,充分吸收了有毒、有害爆生氣體及粉塵,起到了霧化降塵的作用,大大降低了粉塵對環境的污染,改善了洞內空氣質量[3]。

2 隧道掘進水壓光面爆破[4]的鉆爆設計

水壓光面爆破采取與光面爆破相同的設計[5]，只是在裝藥結構和炮孔堵塞上進行了適當的調整。

2.1 爆破器材及設備

施工中常用的爆破器材有：直徑為32 mm的防水乳化炸藥、電雷管、導爆管雷管和導爆索；專用設備有：KPS-60 水袋封裝機和PNJ-A 炮泥機。

2.2 光面爆破參數的確定[6]

2.2.1 周邊眼間距E

根據現有設備，炮眼直徑d=42 mm，周邊眼間距E根據經驗公式E=(8～12)d(d為炮眼直徑)[7]取值，取E=50 cm。

2.2.2 不耦合系數與光爆層厚度

生產實踐表明，增大不耦合系數、采用空氣間隔裝藥可以消除壓碎破壞，控制放射狀裂隙的產生，提高炮孔的殘留率。根據最小抵抗線W[4]與炮孔間距的關系，最小抵抗線W=(1.0～1.5)E=50～75 cm。

2.2.3 周邊眼延米裝藥量

周邊眼裝藥量q=cWE=0.06～0.16 kg/m。式中c為爆破系數，在通常情況下，c=0.2～0.5 kg/m3。

2.3 水壓鉆爆設計

在老格山隧道Ⅱ級圍巖開挖施工中，結合原有非水壓爆破參數，通過現場多次水壓光面爆破試驗，減少了常規爆破中的掘進眼、掏槽眼、擴槽眼、輔助眼、二臺眼和底板眼的裝藥量，每孔裝藥量減少0.2 kg，內圈眼平均裝藥量減少 0.1 kg。水壓爆破裝藥參數見表1，水壓爆破炮眼布置見圖1。采用水壓爆破時，掏槽形式、炮眼布置、炮眼數量、炮眼深度、起爆順序及時間間隔等參數設計與常規爆破完全相同[8]，所不同的是在每個炮眼中增加了水袋和炮泥，裝藥量和裝藥結構也有所不同。

表1 水壓爆破裝藥參數Table 1 Charging parameters of hydraulic blasting

注：開挖斷面面積116.7 m2，設計爆破進尺3.5 m，總裝藥12.85箱。

2.4 炮孔裝藥結構

2.4.1 周邊眼

采用空氣間隔、不耦合裝藥，導爆索起爆，將導爆索插入孔底藥卷內，炸藥均勻分布裝入炮孔內。為克服底部炮眼的阻力，一般將底部藥量稍微加大，將其余炸藥按10 cm/節均勻布置。裝藥前先在炮眼孔底裝入1節長約20 cm的水袋，并在裝藥結束后距孔口80 cm處再裝入2節水袋，最后進行炮泥堵塞。周邊眼裝藥結構如圖2所示。

2.4.2 掏槽眼

掏槽眼采用斜眼掏槽，與開挖面間的夾角見圖1(b)，采用連續耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。裝藥前先在炮眼孔底裝入1節長約20 cm的水袋，并在裝藥結束后再裝入4節水袋，最后進行炮泥堵塞,水袋及炮泥長度比宜為3/4。掏槽眼裝藥結構如圖3所示。

2.4.3 掘進眼、擴槽眼、輔助眼、二臺眼和底板眼等

采用連續耦合裝藥方法，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。裝藥前先在炮眼孔底裝入1節長約20 cm的水袋，并在裝藥結束后再裝入3節水袋，后進行炮泥堵塞,水袋及炮泥長度比宜為3/4。裝藥結構如圖4所示。

(a)平面圖

(b)1-1剖面圖

圖2 水壓爆破周邊眼裝藥結構(單位：cm)

圖3 水壓爆破掏槽眼裝藥結構(單位：cm)

圖4 水壓爆破掘進眼、擴槽眼、輔助眼、二臺眼和底板眼裝藥結構(單位：cm)

3 隧道掘進水壓爆破成效分析

3.1 粉塵監測

粉塵監測采用P-5L2C 型便攜式微電腦粉塵儀，在爆破后5 min、距掌子面 20 m位置處進行粉塵體積質量的監測。通過連續對5個循環常規爆破和5個循環水壓爆破的監測(見表2)，得出常規爆破后平均粉塵體積質量為15.98 mg/m3，水壓爆破后平均粉塵體積質量為7.19 mg/m3，即水壓爆破比常規爆破的粉塵體積質量降低了55%，有明顯的降塵效果。

表2常規爆破和水壓爆破對粉塵體積質量的影響統計對比表
Table 2 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of dust control

測定地點工種及狀態常規爆破粉塵體積質量/(mg/m3)水壓爆破粉塵體積質量/(mg/m3)降低的百分比/%距掌子面20m處爆破后5min，未通風15．757．295415．97．065616．27．335516．17．125615．957．1355平均15．987．1955

3.2 技術指標分析

2013年4月老格山隧道在Ⅱ級圍巖段施工了50個循環，總共掘進168 m。為了比較2種方法的效果，在水壓爆破中常規爆破也間隔施工了25個循環，掘進79.8 m，設計掘進進尺均為3.5 m。常規爆破每循環實際進尺3.1～3.3 m，平均進尺3.192 m，水壓爆破進尺3.5～3.6 m，平均進尺3.528 m，水壓爆破平均每循環提高進尺0.336 m。常規爆破的炮眼利用率為 86.27%，而水壓爆破的炮眼利用率達到了95.35%，通風排煙由過去的35～45 min縮短至15 min以內。由此可見，水壓爆破在增加循環進尺、縮短通風時間、加強光爆效果等方面的優勢是十分明顯的。

3.3 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循環多開挖0.336 m，每循環節省炸藥21.7 kg，每爆破1 m3巖石節省炸藥0.14 kg(見表3)，最為顯著的是通風降塵時間縮短了20～30 min，經濟指標分析如下。

表3常規爆破和水壓爆破炸藥消耗統計對比表
Table 3 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of explosives consumption

指標 常規爆破水壓爆破差值平均循環進尺/m3．1923．5280．336每循環炸藥消耗/kg330．1308．4-21．7每延米炸藥消耗/kg103．4187．41-16．00炸藥消耗/(kg/m3)0．890．75-0．14

按Ⅱ級圍巖每月開挖160 m計算，常規爆破每循環進尺3.192 m，需要開挖50個循環，水壓爆破每循環進尺3.528 m，需要45個循環，火工品、人員、機械以及材料費用如表4所示，經計算，每延米可節省費用(566 232-509 285.7)/160=355.91元。

表4 常規爆破和水壓爆破經濟指標對比Table 4 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of economic efficiency

4 結論與體會

根據灰巖隧道裂隙發育嚴重、爆破效果差的特點，結合老格山隧道現場實際情況，對爆破參數及裝藥結構進行調整，使得水壓爆破新技術在灰巖隧道掘進中增加循環進尺、加強光面爆破效果、提高炸藥利用率及降低粉塵體積質量，對保護作業人員身心健康的作用與效果顯著增強，給隧道施工帶來了積極的影響。但是水壓光面爆破在較差圍巖地段的應用有待于進一步研究，對于隧道水壓爆破機制以及裝藥結構形式對爆破效果的影響，應有更多實踐來驗證、調整，作進一步探索，以達到更好的爆破效果。

[1]劉友平，李義，張丕界，等.工程爆破節能環保技術研究與應用[J].中國工程科學，2008(9)：41-48.(LIU You-ping，LI Yi，ZHANG Pijie，et al.New stage of the research and application of the technology about engineering blasting energy conservation environmental protection[J].Engineering Sciences，2008(9)：41-48.(in Chinese))

[2]何廣沂，段昌炎，荊山，等.節能環保工程水壓爆破研究與應用[J].中國工程科學，2003(9)：47-52.(HE Guangyi，DUAN Changyan，JING Shan，et al.Research and application of engineering water-pressure blasting for economizing energy and environmental protection[J].Engineering Sciences，2003(9)：47-52.(in Chinese))

[3]袁國.隧道掘進水壓爆破施工技術[J].甘肅科技縱橫，2013(12)：74-76.(YUAN Guo.Hydraulic blasting technology applied in tunneling [J].Science and Technology in Gansu Province，2013(12)：74-76.(in Chinese))

[4]郭進平，聶興信.新編爆破工程實用技術大全[M].北京：

光明日報出版社，2002：883-884.(GUO Jinping,NIE Xingxin.A complete collection of blasting technology[M].Beijing：Guangming Daily Publishing House，2002：883-884.(in Chinese))

[5]鄭鵬飛.水壓光面爆破在隧道施工中的應用研究[J].科技資訊，2011(32)：53.(ZHENG Pengfei.Study on application of hydraulic smooth blasting in tunneling [J].Science and Technology Information，2011(32)：53.(in Chinese))

[6]鐵建設【2010】241號 高速鐵路隧道工程施工技術指南 [S].北京：中國鐵道出版社,2010：58.(Tie Jian She 【2010】No.241 Technical guide for construction of high-speed railway tunnels[S].Beijing: China Railway Publishing House,2010：58.(in Chinese))

[7]歐陽燕，付楊果.隧道掘進中的水壓爆破技術[J].北方交通,2011(8)：63-65.(OUYANG Yan，FU Yangguo.Application of water blasting in tunneling[J].Northern Communications,2011(8)：63-65.(in Chinese))

[8]張友勇.隧道掘進水壓爆破技術應用與效果[J].隧道建設，2007,27(5)：71-73.(ZHANG Youyong.Application and effect of hydraulic blasting technology in tunnel driving[J].Tunnel Construction，2007,27(5)：71-73.(in Chinese))

長株潭城際鐵路“洞穿”湘江

2014年10月16日，長株潭城際鐵路綜合I標湘江隧道開福寺站至濱江新城站區間左線順利貫通，“城鐵I號”大直徑土壓平衡盾構在開福寺路地下30 m破土而出，標志著長株潭城際鐵路成功穿越湘江。

長株潭城際鐵路湘江隧道是我國首條土壓平衡盾構鐵路隧道，也是國內首個采用大直徑土壓平衡盾構施工的過江隧道。開福寺站至濱江新城站區間長2 710.7 m，其中穿越湘江段1 100余m。地面建筑物密集，交通繁忙，盾構穿越湘江段地質復雜多變、覆土淺，同時還要下穿湘江東西大堤、銀盆嶺大橋主橋等高風險地帶，施工難度全線第一。

長株潭城際鐵路湘江隧道使用的盾構直徑達到了9.34 m，是國內目前斷面最大的復合式土壓平衡過江盾構，是專門用于穿越湘江隧道施工的利器。2012年9月12日區間左線盾構“城鐵I號”始發，先后成功穿越了湘江防洪大堤、湘江銀盆嶺大橋主橋、江中地質鉆孔地段和江中復雜地質段。

預計到2016年底，全長12.5 km的湘江隧道將實現全線貫通，這將為長株潭城鐵實現長沙火車站以西的線路2017年完工提供有利條件。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=f2dc24e4-1e45-4d95-a0b5-fcfcf5623bda&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-10-17)

我國最大地下共同管溝項目內部驗收完畢

2014年10月14日，由上海隧道工程有限公司承建的國內最大地下共同管溝工程——天津于家堡共同溝一期工程順利通過內部竣工驗收，未來該金融區總長達數百km的地下管線將“集中收納”在“共同溝”內，將徹底改變傳統管道各自建設、各自管理的凌亂局面。

天津于家堡綜合地下空間開發項目建成后有望成為世界上最大的地下交通商業空間，其總建設面積達400萬m2，規模相當于20座天津環球金融中心大廈。其中，負責該項目管線收納的“共同溝”項目位于地下負一層，全長約865.2 m，將容納于家堡金融區內所有供熱主干管道、給水主干管道和電力電纜等市政管線(除雨污水及燃氣管道)，與地下車行系統外圈形成巨大的“C形”。

項目建成后，金融區市政管線將通過主溝接入各相應支溝，再接入單體建筑設備用房，滿足金融區分期開發的市政配套需求，避免道路的反復開挖，便于后期管線升級，同時也可大大延長管線壽命。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=669f3f65-0cb3-42b9-ae30-dde1e820220e&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-10-27 )

ApplicationofHydraulicBlastinginExcavationofLaogeshanTunnel

LIU Junjie

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway10thBureauGroup,Zhengzhou450000,Henan,China)

Tunnels located in limestone area in Yunnan province are subject to serious corrosions.In the excavation of these tunnels,problems,such as serious overbreak,multiple secondary blastings,serious dust after blasting and poor air quality in tunnel,may occur.Therefore,hydraulic blasting,which includes the injection of some water into the blast holes and stemming the blast holes with special materials,is adopted in the excavation of Laogeshan tunnel located in limestone in Yunnan province.During the tunnel excavation,the parameters of the hydraulic smooth blasting are optimized.In the end,optimum blasting effect has been achieved,the content of dust has been minimized,the air quality in the tunnel has been improved and the excavation rate has been enhanced.Compared to the conventional blasting methods,the hydraulic blasting method described has obvious advantages.

tunnel in limestone; Laogeshan tunnel; hydraulic blasting; drilling and blasting design; charging structure; effect analysis

2013-09-09;

2014-10-18

劉俊杰(1984—)，男，河南潢川人，2007年畢業于河南城建學院，土木工程專業，本科，工程師，現主要從事云桂鐵路云南段四標鐵路施工工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.012

U 455.6

B

1672-741X(2014)11-1087-05