水壓爆破在隧道開(kāi)挖施工中的應(yīng)用

(寧德沈海復(fù)線雙福高速公路有限責(zé)任公司，352100寧德)

水壓爆破在隧道開(kāi)挖施工中的應(yīng)用

■黃石勇

(寧德沈海復(fù)線雙福高速公路有限責(zé)任公司，352100寧德)

隧道水壓爆破是在傳統(tǒng)的隧道光面爆破中加入水袋的施工方法，由炸藥爆炸引起的沖擊波在水中的衰減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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地傳播，減少爆炸能量消耗，從而提高了爆破效率，節(jié)約了炸藥用量，降低了開(kāi)挖成本，大大提高了隧道開(kāi)挖的經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合寧德沈海復(fù)線雙福高速公路A3標(biāo)周山隧道水壓爆破開(kāi)挖施工情況的研究和總結(jié)，闡述水壓爆破在隧道開(kāi)挖施工中的應(yīng)用。

水壓爆破隧道開(kāi)挖施工應(yīng)用

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)在不斷地加大高速公路的投資建設(shè)，隨著高速公路行車速度的提高，對(duì)公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(guó)西南地區(qū)、東南沿海崇山峻嶺地區(qū)，橋隧所占的比重越來(lái)越大。隨著科技和機(jī)械設(shè)備的不斷更新和發(fā)展，隧道的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度也在不斷的增加，成為施工中的重難點(diǎn)工程和控制性工程。

目前我國(guó)隧道爆破掘進(jìn)施工的現(xiàn)狀是：幾乎所有的隧道爆破掘進(jìn)的炮眼均采取無(wú)回填堵塞，或僅將炸藥箱紙殼卷成卷塞入光爆眼口上，致使炸藥爆炸能量大部分被浪費(fèi)，炸藥能量利用率低下。本文針對(duì)以上常規(guī)爆破的缺點(diǎn)，結(jié)合寧德沈海復(fù)線雙福高速公路A3標(biāo)周山隧道開(kāi)挖施工實(shí)例，設(shè)計(jì)了一套水壓爆破施工方案，并針對(duì)兩種爆破方式的優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了探討。

2 工程概況

周山隧道是一座分離式長(zhǎng)隧道，A3標(biāo)負(fù)責(zé)周山隧道出口段施工，出口段左線起訖樁號(hào)為ZK12+890.11～ZK14+328，長(zhǎng)1437.89m，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖共208m，占14.5%，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖共1229.89m，占85.5%；右線起訖樁號(hào)為YK12+900～YK14+337.9，長(zhǎng)1437.9m，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖共257.9m，占17.9%，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖共1180m，占82.1%。

隧道區(qū)屬低山丘陵地貌，隧道橫穿東西向山脊，地形起伏較大，山脊較窄小，隧道地表分布多條溝谷，溝谷較窄，切割較深，植被較發(fā)育。隧道區(qū)地表水體發(fā)育，地下水主要為風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水、基巖裂隙水，孔隙裂隙水賦存于第四系殘坡積層底部及基巖強(qiáng)風(fēng)化帶，基巖裂隙水賦存于構(gòu)造破碎帶中。隧道巖性主要以侏羅紀(jì)南園組(J3n)凝灰熔巖為主，屬較硬-堅(jiān)硬巖，巖體較破碎-較完整。

3 水壓爆破的原理

隧道水壓爆破是利用在水中傳播的爆破應(yīng)力波對(duì)水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過(guò)水傳遞到炮眼圍巖中的一種爆破方式。由于炸藥在爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波在水中的衰減速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)生的沖擊波通過(guò)水袋直接作用在巖石上，可以大大減少炸藥能量的消耗，提高炮眼利用率及隧道開(kāi)挖的經(jīng)濟(jì)效益。炮眼中的水袋，在炸藥爆炸的作用下，會(huì)產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，有利于圍巖的進(jìn)一步破碎，減少爆破產(chǎn)生的大塊率。此外，堵塞水袋在爆炸的作用下會(huì)產(chǎn)生霧化作用，可以吸收粉塵，降低爆破后的粉塵濃度，減少爆后對(duì)環(huán)境的污染。

4 水壓爆破方案設(shè)計(jì)

水壓爆破設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的隧道光面爆破設(shè)計(jì)方案基本相同，針對(duì)水壓爆破的特點(diǎn)，炮眼開(kāi)挖方式，裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔堵塞上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4.1 爆破參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，水壓爆破的炮眼直徑按照d= 40mm設(shè)計(jì)，周邊孔間距相應(yīng)地按照a=(8～16)d=32～64cm采用。裝藥直徑d0根據(jù)光面爆破的不耦合系數(shù)λ=d0/d確定，λ在0.8～1之間變化，當(dāng)λ變小時(shí)，孔壁上的最大切向應(yīng)力減小，爆炸波作用時(shí)間延長(zhǎng)，有利于應(yīng)力疊加和應(yīng)力集中，產(chǎn)生拉伸裂隙，而不易產(chǎn)生粉碎。λ增大時(shí)，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(chǎn)生，提高炮孔的殘留率。周邊眼裝藥量q1=cwa=0.06～0.15kg/m；c為爆破系數(shù)，在通常情況下，取c=0.2～0.5kg/m3；w為光爆層厚度，w=a/λ。

4.2 前期準(zhǔn)備

根據(jù)水壓爆破的特殊要求，爆破器材選用直徑為Φ32的防水乳化炸藥，并采用電雷管和導(dǎo)爆管雷管作為起爆器材。炮孔內(nèi)所用水袋及炮泥由專用機(jī)械加工而成。炮泥采用粘性土或紅土制作，土中不含碎石、雜草等，利用設(shè)備擠壓成型。炮泥隨用隨做，成品炮泥應(yīng)軟硬適中，表面光滑，同時(shí)避免在陽(yáng)光下暴曬和放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。水袋采用水袋封口機(jī)自動(dòng)灌裝并封口。水袋長(zhǎng)200mm，直徑為35mm，袋厚約為0.8mm，其原材料為水和塑料袋。水袋用水為普通水，塑料袋為常用的聚乙烯塑料，成品水袋需飽滿，堅(jiān)實(shí)挺拔。

4.3 鉆孔與清孔

水壓爆破炮眼開(kāi)挖分為鉆孔與清孔兩個(gè)步驟。首先使用全站儀定出隧道的軸線與圓心，再以半徑長(zhǎng)在掌子面用紅油漆畫(huà)出開(kāi)挖輪廓線，最后根據(jù)設(shè)計(jì)的炮眼布置圖畫(huà)出炮眼位置，周邊眼和掏槽眼的位置要求更加精確。鉆孔前，根據(jù)隧道開(kāi)挖斷面尺寸，事先制作一臺(tái)開(kāi)挖鉆孔臺(tái)車，開(kāi)挖臺(tái)車的高度要適合工人操作要求，開(kāi)眼的位置要求盡量不偏離設(shè)計(jì)炮位。其中，周邊眼和掏槽眼由專業(yè)技術(shù)人員負(fù)責(zé)，使鉆眼達(dá)到“準(zhǔn)、平、直、齊”的要求。

炮眼打設(shè)完成后，為消除鉆眼過(guò)程中炮眼中殘留的石渣對(duì)水袋的不利影響，需采用高壓水槍對(duì)炮眼逐孔進(jìn)行清洗，保證水袋安裝至炮眼底部，緊貼巖面。如未徹底清洗，水袋安裝過(guò)程中存在被石渣刺破而漏水的可能性；爆破過(guò)程中，亦將導(dǎo)致爆炸能量傳遞中斷，水壓爆破失去功效。

4.4 裝藥及起爆

水壓爆破采用人工用木制炮棍裝藥，由施工人員將藥卷逐個(gè)裝入炮孔，并用炮棍輕輕搗實(shí)，避免藥卷之間間隔較大，影響傳爆。在裝藥過(guò)程中嚴(yán)禁大力用炮棍搗實(shí)炸藥，防止用力過(guò)猛后使水袋破裂或使裝藥密度過(guò)大，造成炸藥壓死拒爆。

如圖1、圖2所示，水壓爆破方法中，炮眼根據(jù)其位置的不同，采用兩種裝藥結(jié)構(gòu)，周邊眼采用空氣間隔、不耦合裝藥，導(dǎo)爆索起爆，將導(dǎo)爆索插入空底藥卷內(nèi)，炸藥均勻分布裝入炮孔內(nèi)。為克服底部炮眼的阻力，一般將底部藥量稍微加大。掏槽眼、輔助眼、底板眼等采用連續(xù)耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。兩種裝藥結(jié)構(gòu)在裝藥前，均需先在炮眼孔底裝入長(zhǎng)約20cm的水袋1節(jié)，并在裝藥結(jié)束后再裝入2節(jié)水袋，使用炮泥進(jìn)行堵塞。

圖1 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

水壓爆破的起爆網(wǎng)絡(luò)采用簇連法，俗稱一把抓起爆法。即在各炮孔內(nèi)裝1發(fā)延期導(dǎo)爆管雷管，將導(dǎo)爆管連成一把后，用2發(fā)8號(hào)電雷管起爆。連接好起爆網(wǎng)絡(luò)，待其他施工人員撤離到警戒線以外后，由爆破員用起爆器在安全避炮點(diǎn)起爆。

5 水壓爆破與普通爆破效益對(duì)比

5.1 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

表1～表4為常規(guī)爆破與水壓爆破中材料、勞動(dòng)力、技術(shù)參數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比，由表4可以計(jì)算得出，應(yīng)用水壓爆破后，每延米進(jìn)尺可節(jié)省費(fèi)用93.6元。按照周山隧道出口段單洞長(zhǎng)度2875.79m計(jì)算，采用水壓爆破貫通后可節(jié)省27萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益較好。

表1 常規(guī)爆破與水壓爆破火工品數(shù)量對(duì)比

表2 常規(guī)爆破與水壓爆破技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表3 常規(guī)爆破與水壓爆破勞動(dòng)力對(duì)比

表4 常規(guī)爆破與水壓爆破成本對(duì)比

5.2 工期對(duì)比

由于水壓爆破平均每循環(huán)進(jìn)尺比普通爆破多0.2m，隧道采用水壓爆破掘進(jìn)至貫通時(shí)可少鉆爆24個(gè)循環(huán)，因此左右洞采用水壓爆破后均可縮短工期15～16天。

6 結(jié)語(yǔ)

由于加入了水的元素，隧道水壓爆破大幅度地提高了爆破能量的利用率，降低了炸藥用量，提高了單個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，加快了工程進(jìn)度，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益；此外，炸藥爆炸后對(duì)水袋中的水起到了霧化作用，相當(dāng)于在爆炸后一瞬間對(duì)爆堆進(jìn)行了一次噴水，加大了對(duì)爆后粉塵及有害氣體的吸收，降低了爆后隧道內(nèi)粉塵的濃度，縮短了通風(fēng)降塵時(shí)間，真正做到了環(huán)保施工的要求。

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