水壓爆破在單線隧道施工中的應用

張　寶（中鐵電氣化局集團有限公司東南分公司，江西 南昌 330038）

水壓爆破在單線隧道施工中的應用

張寶
（中鐵電氣化局集團有限公司東南分公司，江西 南昌 330038）

本文針對隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖掘進速度慢、光面爆破效果不理想、炸藥利用不充分、降塵速度慢的問題，提出改進原始的爆破方法，采用水壓爆破方法對隧道進行爆破。隧道水壓爆破是在傳統的隧道光面爆破中加入水袋的施工方法。因為炸藥爆炸引起的沖擊波在水中的衰減速度遠遠小于在空氣中衰減的速度，所以加入水袋后，能夠使爆炸沖擊波更好的傳播，減少爆炸能量消耗，從而提高了爆破效率，節約炸藥用量，降低開挖成本，大大的提高了隧道開挖的經濟效益。

隧道；水壓爆破；效益

1 前言

近年來，我國在不斷的加大高速公路和高速鐵路鐵路投資，隨著火車速度的提高，對鐵路選線的要求也不斷提高，橋隧比重在不斷增大，尤其在我國西南地區、東南沿海崇山峻嶺地區，橋隧占的比重越來越大，隨著科技和機械設備的不斷更新和發展，隧道的設計長度也越來越長，但這也成為了工作的難度，因此我們必須對其進行重點控制。

分析我國隧道爆破掘進工作的情況不難發現，在隧道爆破掘進期間一般不進行回填堵塞工作，還可能只將炸藥箱紙殼卷成卷放到眼口上，致使炸藥爆炸能量大部分被浪費，炸藥能量利用率低下。而“隧道掘進水壓爆破”其創新點是：“往炮眼中一定位置注入一定量的水，并用專用的設備制成的‘炮泥’回填堵塞炮眼”，大大減少了炸藥能量的外泄，提高了炮眼利用率，加快了隧道開挖進度，提高了經濟效益。并且在炮孔中加入水袋后，炸藥爆炸后對水起到了霧化作用，大大降低了爆炸時產生的粉塵，真正做到了環保施工。

2 工程概況

福建漳州港尾項目部承建的太武山隧道全長3929m，隧道為單線隧道，進口已經掘進了2100m，目前掌子面圍巖為Ⅱ級圍巖；圍巖揭露為弱風化花崗閃長巖，灰白色，中粒結構，塊狀構造，節理裂隙較發育，巖質較硬，強度較高，圍巖整體性較好，帶少量滲水。由于隧道斷面較小，且隧道進洞比較深，導致隧道排煙速度慢，洞內粉塵很大，開挖循環進尺不理想，嚴重制約了隧道施工進度。針對隧道掘進速度慢、光面爆破效果不理想、炸藥利用不充分、降塵速度慢的問題，提出改進原始的爆破方法，采用水壓爆破方法對隧道進行爆破。

3 爆破原理

隧道水壓爆破的工作原理就是利用水中爆破應力波是不可壓縮的這一性質，來將爆炸能量幾乎百分百的傳達到炮眼圍巖內，這種方式能夠起到非常好的破碎效果。此外，爆炸氣體的膨脹作用會在水中出現一種“水楔”效用，有助于巖石的再次破碎，且炮眼內的水能夠發揮霧化降塵的效果，能夠避免產生粉塵污染。

（1）炸藥在爆炸時產生的沖擊波，在水中的衰減速度要遠遠小于在空氣中衰減的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸藥產生的沖擊波通過水袋直接作用在巖石上，大大的減少了炸藥能量的消耗，提高了炮眼利用率。

（2）炮眼中的水袋，在炸藥爆炸的作用下，會產生“水楔”效應，有利于圍巖的進一步破碎，減少爆破產生的大塊率。堵塞水袋在爆炸的作用下會產生霧化作用，可以吸收粉塵，降低爆破后的粉塵濃度，減少了爆后對環境的污染。

（3）由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸藥能量的外泄，炸藥能量充分利用在爆破巖石上，使得爆破效率提高，減少了炸藥的消耗，提高了隧道開挖的經濟效益。

4 水壓爆破設計

水壓爆破的設計方案和傳統的隧道光面爆破大致是一樣的，僅僅在裝藥結構與炮孔堵塞方面有細小的調整。

圖1 水壓爆破工藝流程圖

圖2 鉆爆設計示意圖

4.1 工藝流程

水壓爆破與一般的爆破大致是一樣的，細微的差異就是在工作前必須要準備好需要的炮泥和水袋，還要按照規定的結構來分步驟裝入水袋、炸藥以及水袋，并使用炮泥添堵。具體工藝流程如圖1所示。

4.2 器材

4.2.1 爆破器材

根據施工中常用的爆破器材、現場設備的選用，以及水壓爆破的特殊要求，采用塑料導爆管、毫秒雷管起爆系統，毫秒雷管采用15段別毫秒雷管，引爆采用氣雷管。爆破器材選用直徑為32的防水乳化炸藥，炮孔內所用水袋及堵塞材料都由專用機械加工而成，長度約為20cm。

圖3 周邊眼裝藥結構示意圖

4.2.2 封填器材

（1）水袋制作

往炮眼中注水的工藝是，先把水灌入到塑料袋中，然后把水袋填入炮眼的底部與中上部位。

水袋加工封口機采用浙江溫州鑫瑞包裝機械有限公司產KPS-160塑料灌裝封口機，塑料袋為通用的聚乙烯塑料制成，袋厚0.8mm左右，對于炮眼直徑為40mm的炮眼，袋徑為35mm，袋長200mm左右，封口機使用前，排空其中所有的空氣，并且要在噴嘴上的袋子裝滿水后，進行壓口塑封工作。要保證水袋是充滿的，而封口后的水袋應該不會漏水。高質量的水袋是很堅挺的，因此能夠順利的填入炮眼中。

（2）炮泥制作

炮泥是由黏土、砂和水三種成分組成，三種成分的重量比例為黏土∶砂∶水=0.75∶0.1∶0.15。

炮泥加工采用河南鄭州五星機械廠炮泥機，現場炮孔直徑40mm，炮泥加工直徑一般取36mm～38mm。粘土取自當地，加工前先將粘土中雜物清除，大顆粒人工破碎，后用噴霧器均勻灑水，放置2～3天，然后再調整含水率至10%～18%（根據不同土質）左右，將拌合后的粘土裝入炮泥機的進料倉中，啟動電鈕，出口處便能夠出來長圓形的炮泥，然后按照20cm每段進行切割，這就是炮泥加工的整個過程。

高質量的炮泥是非常光滑的，用手指按壓時還會有痕跡。炮泥制作好后不應暴曬，為防止其失水，通常要提前2～3h制作完成。

4.3 爆破參數

4.3.1 炮眼設計

（1）掏槽眼采用復式楔形掏槽，合計20個孔，孔深3.5m，豎向間距45cm～65cm，水平間距40cm～110cm，裝藥集中度均為0.63kg/m。

（2）周邊眼采用光爆設計，合計35個孔，孔深3m，間距45～65cm，眼內間隔裝藥，平均裝藥集中度為0.3kg/m。

（3）輔助眼合計49個孔，孔深3m，間距45～65cm，裝藥集中度為0.45～0.55kg/m，內圈單孔裝藥較外圈單孔裝藥量稍大。

（4）底板眼分3排，合計12個孔，孔深3m，間距45cm～110cm，裝藥集中度為0.55kg/m～0.65kg/m，內圈單孔裝藥較外圈單孔裝藥量稍大。

4.3.2 鉆爆設計

鉆爆設計示意圖如圖2所示。

圖4 掏槽眼裝藥結構

4.4 裝藥及起爆

4.4.1 裝藥方法

要使用人工用木制炮棍來裝藥，施工者應依次將藥卷裝進炮孔中，然后用炮棍搗實，以縮小各個藥卷間的距離，降低傳爆效果。裝藥期間不能使用炮棍來搗實，這樣可能會產生過大的力而導致水袋破裂或者使裝藥密度過大，使炸藥壓死無法爆炸。

4.4.2 裝藥結構

（1）要使用空氣來間隔空氣眼，并使用爆索起爆的工作方式，要想使導爆索順利進入空底藥卷中，必須使用導爆索來起爆，并保證炸藥分布均勻。還要在底部多放一些藥，這樣能減少底部炮眼的阻力。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長約20cm的一節水帶，并在裝藥結束后再裝入2節水袋，再進行堵塞（如圖3所示）。

（2）掏槽眼、輔助眼、抬炮眼等采用連續耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長約20cm的一節水帶，并在裝藥結束后再裝入2節水袋，再進行堵塞（如圖4所示）。

4.4.3 網絡設計及起爆方法

起爆網路采用非電微差復式起爆網路技術，爆破成功率高，成本低，還可以實現等間隔微差起爆，并且起爆段數和炮孔數不受雷管段別限制，降低了爆破振動。各炮眼的導爆管引線連接采用一把抓形式圖，連接線必須采用同種秒段導爆管，尾線不小于5m。非電毫秒雷管插入炸藥內，正向裝入眼孔內，導爆管引線也采用一把抓式連接線，雷管采用低秒段，同組連接線必須采用同種秒段導爆管（如圖5所示）。

4.4.4 起爆順序

為滿足光面爆破的要求，先起爆掏槽眼，為其他炮孔提供臨空面，再起爆輔助眼、內圈眼，最后起爆周邊眼、底眼。為了保證各類炮眼之間的起爆時差，增強起爆效果，在選用毫秒雷管時一般隔段使用，即選用1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#等。

4.5 爆后檢查及盲炮處理

響炮30min后方可進入爆區檢查，并對爆堆的形狀大小、殘孔率、飛石最大距離及盲炮情況進行現場記錄，掌握一手資料，適時對爆破參數進行調整。

如發現盲炮應立即通知專職爆破員進行處理，處理方法為：

（1）二次起爆法：如果網絡連接不良也可能會造成盲炮現象，這時就需要再次進行連線起爆工作；

（2）誘爆法：若盲炮無法二次起爆，在附近環境允許的條件下就要探測裝藥的實際位置，并在裝藥孔的周圍開展鉆孔工作，加入部分炸藥后，就可以將其引爆。

（3）人工排除法：采用高壓風吹出堵塞物，取出起爆雷管及炸藥。

在處理盲炮時無關人員不得在場，并在危險區邊界設置警戒，危險區內禁止進行其他作業。盲炮處理后應仔細檢查爆堆，并將殘留爆破器材清理干凈。

圖5非電微差復式起爆網路圖

5 水壓爆破效果及經濟分析

5.1 爆破效果分析

常規爆破的炮眼利用率為86.67%，而水壓爆破的利用率達到了93.33%，每循環耗藥量降低了19.2kg，爆破振動速度降低了50.5%，粉塵濃度下降了55%，通風排煙由過去4h縮短為3h，降塵時間明顯減少1h。所以，水壓爆破在節約、保證工作進度、減少通風時間、提高洞內條件方面有著顯著優點。具體數據見表1、表2。

5.2 經濟分析

將常規的爆破與水壓爆破的各項數據進行比較可以發現，在開挖斷面面積一樣，炮眼位置以及鉆孔的深度相同的基礎上，水壓爆破各循環比普通爆破是多0.2m的，每循環節省炸藥19.2kg，每爆破一立方巖石節省炸藥0.202kg，最為顯著的是通風降塵時間縮短了1h，通過綜合分析對比水壓爆破每延米節省直接費用275.3元。

表1 隧道循環裝藥量

此外，采用節能環保水壓光面爆破技術有效控制了超欠挖，大大減少了因超挖造成的噴射混凝土、襯砌混凝土回填的數量，成本控制效果明顯。按常規爆破拱部平均線性超挖15cm、邊墻平均線性超挖10cm，而水壓爆破平均線性超挖10cm計算，每米可節省超挖部分噴射混凝土等間接費用291元。具體經濟指標對比見表3。

表2 隧道掘進常規/水壓爆破效果對比表

結語

綜上所述，在太武山隧道進口段進行的水壓爆破，通過數據可以看出隧道水壓爆破由于加入了水的元素，確實能夠使資源獲得最大化應用，節省了炸藥總量，并能夠很好的保證工作進度，有利于企業實現經濟效益的最大化。并且炸藥爆炸后對水袋中的水起到了霧化作用，相當于在爆炸后一瞬間對爆堆進行了一次噴水，加大了對爆后粉塵及有害氣體的吸收，降低了爆后隧道內粉塵的濃度，真正做到了環保施工的要求?？偨Y水壓爆破優點如下：

表3 隧道掘進常規/水壓爆破每米經濟指標對比

（1）提高了炸藥的能量利用率：炸藥單耗明顯降低。

（2）提高了施工效率：循環進尺明顯加大。

（3）提高了經濟效益：成本明顯減少，效益明顯提升。

（4）保護了環境：爆破后粉塵濃度明顯降低，改善了空氣質量，保護了作業人員身體健康。

本項目全線隧道19座，施工至今仍有6km隧道未貫通，介于水壓爆破效果顯著、優點突出，計劃將水壓爆破這項技術在全線爆破施工中推廣。

[1] TB10415-2003，鐵路隧道工程施工質量驗收標準[S].

[2]鐵路隧道工程施工技術指南（鐵建設[2010]241號）[Z].

[3]何廣沂.工程爆破新技術[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[4]張松林.水壓爆破破碎特征研究[M].1986.

[5]王曉雷.水壓爆破裝藥參數理論分析及實驗研究[D].河北理工學院，2004.

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