4880m特長隧道水楔破巖復合爆破施工技術研究及應用

劉志超

摘要：隨著高速公路隧道施工技術的發展，針對大長隧道施工中遇到的爆破煙塵大、施工效率低、炸藥單耗高的難題，我們組織研究并應用了一種隧道水楔破巖復合爆破施工技術，此技術在隧道水壓爆破的基礎上進行了創新及優化，通過采用炮孔快速投影定位裝置、擠壓式自封口水袋、水袋批量快速充裝排管、粘塵試劑水溶液及樹脂快凝炮孔封堵材料等新裝置、新材料應用于隧道水壓爆破施工中，極大提高了爆破開挖施工效率、減少了爆破煙塵的產生、降低了炸藥單耗，是隧道爆破開挖施工的新技術新工藝。

Abstract： With the development of highway tunnel construction technology， for the problem encountered in the construction of large tunnel， such as blasting dust， low construction efficiency and high explosive consumption， we have organized and applied a kind of composite blasting technology of tunnel water wedge breaking rock. This technology is innovated and optimized on the basis of tunnel hydraulic blasting， by adopting blast hole rapid projection positioning device， extrusion type self-sealing bag， fast filling pipes， sticky reagent water solution and resin fast setting hole sealing material and other new equipment， new materials into tunnel water pressure blasting construction， it greatly improves the blasting excavation construction efficiency， reduces the generation of blasting dust and reduces the unit consumption of explosives， which is a new technology and new technology for tunnel blasting excavation.

關鍵詞： 隧道水楔破巖;復合爆破;施工技術

Key words： tunnel water wedge breaking rock;composite blasting;construction technology

中圖分類號：U455.41 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0147-03

0 引言

重慶江習高速公路四面山特長隧道為分離式和一般小凈距組合式隧道，雙向四車道，全長4880m。隧道穿越地層為砂巖、泥巖護層，圍巖差，主要為Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，Ⅴ級為43%，Ⅳ級為57%。隧道起止樁號：左線LZK0+200～LZK5+080，長4880m，右線LYK0+202～LYK5+077.35，長4875.35m，四面山特長隧道采取鉆爆法進行開挖，開挖采用雙向單頭掘進，最大單洞進深達2.8km。

1 工程特點及難點

四面山特長隧道工程采取鉆爆法掘進施工，粉塵、有毒煙氣生成量較大;同時四面山隧道進口屬于上坡施工，其施工工況造成該隧道通風排塵難度加大，隧道內的施工環境較差。由風機至作業人員到達掌子面開始施工花費時間多達1.5～3h。隨著隧道不斷掘進深入，施工通風難度進一步加大，132kW×2的軸流風機持續通風下仍難以有效除塵，嚴重影響隧道內施工作業人員健康。

隧道施工作業流程產塵較多的環節是掘爆。這些爆破粉塵對施工人員身體造成的危害極大，設法降低隧道粉塵濃度需在掘爆作業過程中采取多項技術措施。

2 技術設計路線、原理及特點

技術設計路線：隧道水楔破巖復合爆破施工技術，在爆破施工的各個環節進行工藝創新和改變，在基于傳統隧道爆破及隧道水壓爆破的基礎上進一步優化和改善。

技術原理：在水壓爆破技術的基礎上，將摻有0.5%濃度的粘塵試劑水溶液，通過一種排管裝置批量注入至一種擠壓式自封口爆破水袋，批量形成爆破水卷。在不改變原有爆破參數的情況下，在每個炮孔內按特定的爆破裝藥結構塞入水卷，并在爆破孔口采用一種快凝樹脂封堵劑進行封堵。在水中傳播的沖擊波對水的不可壓縮，爆炸能量無損失地經過水傳遞到炮孔的圍巖裂隙，這種無能量損失的應力波十分有利于巖石破碎，達到在不降低爆破效果的基礎上，減少炸藥的單耗;同時孔內爆破后抨擊的介質水體使掌子面霧化，水膜包裹巖石，從源頭阻止爆破粉塵產生，達到降塵改善施工作業環境。

技術特點：采用了一種炮孔投影技術準確快速的將掌子面爆破孔進行精確定位;研制應用一種排管注水裝置批量灌注一種擠壓式自封口爆破水袋，使得爆破水袋裝填更加飽滿圓潤且極大的提高了裝填爆破水袋的效率;通過在灌注水源溶液加入一種粘塵試劑水溶液，提高爆破水霧與粉塵的結合率，進一步降低粉塵的產生量;再采用一種樹脂類的快凝封堵劑進行炮孔封堵，極大減少爆破能量的損失，提高爆破效果降低炸藥單耗。endprint

3 爆破裝置的研制及新材料應用

3.1 掌子面爆破孔快速定位裝置的研發

根據需要設計一種快速定位隧道掌子面炮孔位置的裝置，如圖1所示。隧道施工過程中，通過隧道內現有導向點確定爆破定位裝置的位置，通過已知的基面高程位置調整定位裝置的支架高度，并通過定位裝置的下部紅外垂線儀器確定儀器精確位置，然后通過觀測圓形氣泡和條形氣泡，調動調平螺栓進行粗調平和精調平，達到投影高度和方向的精確。然后根據不同的圍巖類別選擇不同的爆破圖幻燈片，通過該儀器強紅光投影光斑至掌子面，達到炮孔定位的目的。通過采用此掌子面爆破孔位投影定位裝置能快速將方案的爆破圖投影至掌子面，同時根據不同圍巖選用不同的爆破圖進行投影，極大提高了爆破參數的合理性和方案的指導性，同時也節約了爆破孔位放點時間。

該裝置結構簡單、可操性強、提高功效、造價低廉。采用此投影投影裝置可在極短的時間內將隧道掌子面的炮孔位置精準定位，節約了施工時間;根據隧道不同地質圍巖，極快切換不同的爆破圖幻燈片，不同圍巖的爆破參數及孔位直接通過更換幻燈片即可直接投影定孔。

3.2 擠壓式自封口爆破水袋的研發

根據需要設計一種擠壓式自封口爆破水袋，如圖2所示。按一定的爆破裝藥結構向爆破孔內塞入滿裝液體的條形水袋，通過爆破霧化和孔內二次抨擊，提高爆破效率及排煙降塵的作用。此爆破水袋采用聚乙烯類材料，同時結構設計需將孔口進行內反包，以通過在水袋袋口位置設置兩個收窄口，在水袋充水過程中將水反向擠壓至孔口反包層中，水袋充水越多，壓力越大，孔口反包層內擠入的水越多，袋口通過擠壓收縮更緊，達到水袋儲水和自動封口的效果。

采用此自動擠壓式封口水袋，省去了水袋封口機及人工封口工序，提高了爆破水袋的生產效率;常規人工裝水袋后需進行機械封口，封口后水袋內必然存在一定的未充滿的空間，導致爆破水袋不夠飽滿、圓潤，影響使用效果，而通過采用擠壓式封口水袋，充水越多水壓越大，水袋越飽滿封口越緊致，更加利于塞入圓形的爆破孔中，裝填更加容易。

3.3 爆破水袋批量快速注水裝置的研制

根據需要設計一種水袋批量快速注水裝置，如圖3所示。設計將注水主管接引至自來水管口，連接好各主支管并將水袋注水針分別依次插入爆破水袋，爆破水袋均勻間隔并平放在平臺上，開啟主水管球閥注入水液，水液均衡的進入各個爆破水袋中，根據注水的均勻程度，適當調節各注水針的啟閉開關，達到均衡進水的效果，待水液注滿水袋后，作業人員輕拍擠壓各個水袋，使得水液充分反壓進入水袋緊縮反包層中，達到水袋滿裝蓄水并自封口的效果。

該裝置具有結構簡單、可操性強、提高功效、攜帶方便、造價低廉等優點。采用此批量注水裝置，可明顯提高爆破水袋的裝填效率，在施工現場即可完成裝填，邊裝填水袋邊炮孔裝填，節約時間，減少了水袋的破損。

3.4 粘塵試劑水溶液的應用

經過調查論證，選取了一種簡單易得的粘塵試劑水溶液，其主要成分為十二烷基苯磺酸鈉。根據實驗發現在水體中按0.5%的摻量效果最好。該活性劑加入水中到完全溶解需要4h 左右時間，通過攪拌可以加速溶解過程，但會產生較多泡沫。為避免制作過程因表面活性劑未充分溶解，應提前進行溶液配置，攪拌后靜置足夠時間備用。

添加表面活性劑的水楔破巖復合爆破方式主要不同即水袋制作過程中通過向制作水袋的設備水源加入復配表面活性劑，使成品水袋中的水溶液均具備了較低的表面張力和較好的潤濕性能。

3.5 炮孔快凝封堵材料的應用

很多爆破工程往往不封堵，而通過加大炸藥量來實現預期的爆破效果，存在安全隱患同時增加了成本。本課題采用一種快凝樹脂錨固材料（Z2360）進行炮孔封堵，可減少爆破能量損失，提高爆破效果。專用不飽和聚酯樹脂與大理石粉，促進劑和輔料，按一定比例配制而成的膠泥狀粘接材料，用專用聚酯薄膜將膠泥與固化劑分割呈雙組分包裝藥卷狀。

4 隧道水楔破巖復合爆破施工方案

隧道水楔破巖復合爆破，即在原常規爆破的基礎上改變炮眼內部炸藥裝填結構及孔口封堵材料，利用爆破粉塵黏劑水霧化作用和孔口高效填塞封堵作用，增強爆破力碎巖效果，同時降低粉塵濃度。四面山特長隧道采用水楔破巖復合爆破施工技術，具體工藝流程如圖4。

根據現場工程實踐情況統計：

主爆孔炮眼裝填物各段控制長度：炮孔總長為L，炮孔孔底水袋長L1，炸藥藥卷全長L2，炮孔藥卷與樹脂快凝封堵材料中間水袋長L3，封堵靈長L4，其關系式為L=L1+L2+L3+L4;水楔破巖復合爆破填藥量為常規爆破填藥量的80%～85%。

周邊爆孔炮眼裝填物各段控制長度：炮孔總長為L，炮孔孔底水袋長L1，藥卷全長L2+L4+L6，炸藥與炸藥間隔裝填水袋為L3+L5，樹脂封堵材料長L7，其關系為L=L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7，水楔破巖復合爆破填藥量周邊孔裝藥量與傳統炸藥裝藥量相同，只是在其炸藥間隔部位裝填了水袋，提高破巖效果及水霧化降塵效果。

5 爆破試驗成果對比分析

隧道主要以四級圍巖為主，選擇斷面形式為S4b，斷面面積為92.53m2洞段作為實驗及應用段。傳統常規爆破采取楔形掏槽，全斷面鉆孔炮孔數量為133個，其中掏槽孔鉆孔深度為4.9m，周邊孔及主爆孔鉆孔深度為3.8m。單循環總計裝藥量為312.8kg，各種炮孔深度、裝藥量等參數見表1。endprint

為對比分析常規爆破、水壓爆破及水楔破巖復合爆破爆破效果，分別對此三種爆破方式進行了實驗及效果分析，其成果分析如下：

5.1 常規爆破

常規爆破數據采集點為四面山特長隧道進口左洞，采集爆破循環數為10個，里程樁號LZK1+100～LZK1+134，累計爆破進尺約34m，每個爆破循環的鉆孔深度3.8m，實際爆破循環進尺3.2～3.35m，平均循環進尺3.27m。記錄爆破效果分析數據。

5.2 水壓爆破

水壓爆破數據采集點為四面山特長隧道進口右洞，采集爆破循環數為10個，里程樁號LYK1+100～LYK1+135，累計爆破進尺約35m，每個爆破循環的鉆孔深度3.8m，實際爆破循環進尺3.2～3.6m，平均循環進尺3.47m。記錄爆破效果分析數據。

5.3 水楔破巖復合爆破

水楔破巖復合爆破數據采集點為四面山特長隧道進口左洞，采集爆破循環數為10個，里程樁號LZK1+135～LZK1+171.5，累計爆破進尺約36.5m，每個爆破循環的鉆孔深度3.8m，實際爆破循環進尺3.59～3.70m，平均循環進尺3.65m。記錄爆破效果分析數據。

5.4 三種爆破工藝效果對比及經濟效益分析

三種爆破數據統計匯總結果如表2所示。

①炸藥消耗及經濟效益分析。水壓爆破較常規爆破炸藥單耗節約0.1kg/m3，則4880m的四面山特長隧道開挖方量為96.12萬方，節約炸藥96.117t，按重慶當地炸藥單價1.9萬元/t計算，節約炸藥費用182.62萬元;水楔破巖復合爆破較常規爆破節約單耗0.16kg/m3，節約炸藥費用292.20萬元。

②爆破循環時間及經濟效益分析。常規爆破單個爆破循環時間為555.4min，水壓爆破為540.4min，水楔破巖復合爆破為531.5min。相比較而言主要為通風時間的變化，水壓爆破較常規爆破通風時間節省41.04%，水楔破巖復合爆破較常規爆破通風時間節省64.16%。按當地電費1元/kW·h，則4880m的四面山特長隧道采用水壓爆破將節約通風費用14.78萬元，水楔破巖復合爆破將節約通風費用23.4萬元。

③PM2.5粉塵濃度分析。水壓爆破每個爆破循環用水袋數量為430～500個，水楔破巖復合爆破使用數量與其相同，通過在水袋水溶液中摻入10%含量的水溶液表面活性劑，極大的提高了爆破霧化液體與粉塵的結合度。水壓爆破較常規爆破有害粉塵濃度降低50.23%，水楔破巖復合爆破較常規爆破害粉塵濃度降低66.54%。

④開挖輪廊線質量控制分析。爆破開挖炮孔殘留率是衡量開挖質量的一個重要指標，由表2數據分析，水壓爆破較常規爆破炮孔殘留率提高97.49%，水楔破巖復合爆破較常規爆破炮孔殘留率提高111.08%，隧道開挖質量明顯提高。

⑤炮渣粒徑集中度分析。在0～40cm，40～80cm粒徑區間的炮渣集中度分析，水楔破巖復合式爆破為88.7%，水壓爆破為78.7%，常規爆破為65.4%，水楔破巖復合式爆破的小粒徑集中度較高，大粒徑數量較少。小粒徑集中度越高挖裝運難度越小、時間越省。

⑥循環進尺分析。在同質巖石、同樣孔深的情況下，3.8m爆破孔深，常規爆破平均爆破循環進尺為3.3m，水壓爆破采用炮泥封堵平均爆破循環進尺為3.5m，水楔破巖復合式爆破采用樹脂快凝材料進行封堵平均爆破循環進尺為3.6m。采用樹脂快凝材料封堵炮孔的水楔破巖復合式爆破循環進尺最大，且較常規爆破循環進尺增長7.9%。

⑦爆破震動分析。通過現場爆破震動監測，在隧道距離掌子面30m位置測出最大爆破震速，常規爆破Vmax為2.7cm/s，水壓爆破Vmax為1.0cm/s，水楔破巖爆破Vmax為0.9cm/s，可以得出水楔破巖震動明顯較常規爆破震動影響更小，對山體的擾動更小，緩沖時間更長。

6 結論

隧道水楔破巖復合爆破施工技術，降低了隧道爆破大半塵埃，縮短了傳統通風約一半時間，炸藥單耗降低了0.1kg/m3以上，減小了爆破對隧道圍巖的擾動。其提高了隧道的施工效率，減少了循環工序時間，提高了隧道施工環境質量，節約了施工成本、提前了施工工期。該施工技術使用方便，作業人員容易掌握，該技術成熟、可靠，為高速公路隧道爆破開挖降塵、降耗施工提供了寶貴經驗，值得在同類工程中推廣應用。

參考文獻：

[1]張衛國.水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2013，26（2）：46-50.

[2]蔣仲安，王偉.降低爆破煙塵的降塵劑配方的實驗研究[J].煤炭學報，2011，36（10）：1720-1724.

[3]任震，程五一，劉敦華，等.封堵靈-水壓復合爆破在隧道施工中應用[J].工程爆破，2015，21（4）：58-62.endprint