隧道水壓爆破施工技術在長邯高速改擴建工程中的應用

李愛軍

（山西交控集團長治高速公路分公司，山西 長治046100）

1 研究背景及工程概況

1.1 研究背景

近年來，我國高速公路建設如火如荼，隧道在高速公路建設中所占的比重日益增大，特別是在崇山峻嶺地區尤為顯著，隧道工程因其造價高、施工難度大、工期長，已成為高速公路建設的重、難點工程和關鍵工程。

目前，我國隧道爆破開挖的炮眼一般都不用填充物堵塞，即使封堵，也只是用手邊的炸藥箱紙殼簡單地塞入炮眼孔口，致使炸藥爆破能量損失，炸藥性能下降，炸藥消耗量增大，不利于節能降耗，而且爆破完粉塵濃度大，影響施工進度和一線工人的身體健康。水壓爆破在隧道掘進中的應用創新點在于往炮眼底部和中部放入數個水袋，“水袋”間填充炸藥，最后用“炮泥”回填堵塞炮眼，“水袋”和“炮泥”采用專用的設備制作，大大減少了爆破能量的損耗，提高了炸藥能量利用率，加快了隧道施工速度，節約了成本，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，真正做到環保爆破[1]。

1.2 工程概況

長邯高速改擴建工程LJ1 合同段位于山西省黎城縣東陽關鎮，起于兩省交界下灣村，經下灣村后設上灣隧道于上灣村北側山坡通過，之后設東陽關隧道下穿G309 既有高速，于東陽關隧道中后段達LJ1 標終點。全長5.095km，其中隧道2 座，共計摘要m，救援通道2 座，共計摘要m，隧道挖方量為5.5×105m3[2]。

其中東陽關隧道全長摘要m，V級圍巖381m，IV 級圍巖802m，Ⅲ級圍巖887m，是整個項目的重中之重，因此，合理的隧道爆破方案可以提高爆破效率，節約炸藥用量，降低開挖成本，大大提高隧道開挖的經濟效益。

2 東陽關隧道開挖爆破設計

2.1 炮眼布置要求

1）掌子面各類炮眼布置首先要根據圍巖情況判別，選擇適當的掏槽方式，確定掏槽眼位置，其次是確定周邊眼環向間距，最后根據斷面大小確定輔助眼和底板眼的間距。

2）掏槽眼的位置直接影響巖石的拋擲距離和破碎塊大小，通常布置在爆破掌子面的正中央，并應考慮輔助眼的布置。

3）周邊眼即為最外輪廓線附近的邊眼，一般布置在掌子面開挖輪廓線上，但實際施工中，視圍巖情況判別，若巖石硬度較硬，可靠近或在輪廓線上布置，且向外有一定的偏角；若巖石硬度較軟，可遠離輪廓線50mm～150mm，使爆破后的輪廓線圓順，周邊無松動巖體和欠挖現象。

4）為確保爆破開挖后的輪廓線周邊不受或少受破壞，爆破時各炮眼要保持相同的間距進行鉆孔，眼底落在同一水平面上。

5）周邊眼和掏槽眼布置完成后，布置輔助眼。輔助眼以槽腔為自由面而層層布置，均勻地分布在周邊眼和掏槽眼間，并根據掌子面斷面大小和形狀調整好最小抵抗線和鄰近系數。

2.2 炮眼布置設計

東陽關隧道全長摘要m，V 級圍巖381m，IV 級圍巖802m，Ⅲ級圍巖887m，其中Ⅲ級圍巖占標段總長的42.9%，這段圍巖為奧陶系下馬家溝組中風化巖，節理裂隙較發育，多呈大塊狀砌體結構，局部碎塊狀鑲嵌結構，屬于較堅硬巖。按照Ⅲ型襯砌施工步序縱面示意圖（見圖1），本次設計對Ⅲ級圍巖上臺階開挖面炮眼位置及雷管起爆順序做出設計, 如圖2所示。

圖1 Ⅲ型襯砌面施工步序縱面示意圖

圖2 Ⅲ級圍巖上臺階開控面炮眼位置及雷管起爆順序設計

根據東陽關隧道上臺階實際情況，炮眼設計位置如圖2所示，周邊眼平均間距40cm～50cm，輔助眼依據開挖臺車三臺階設計3 層，最上層輔助眼層距70cm 左右；中層豎向排列輔助眼層距100cm 左右；最下層輔助眼層距110cm 左右；掏槽眼豎向排2 列，每列各7 個。

2.3 炮眼參數設計

1）依據鑿巖機性能與東陽關隧道Ⅲ級圍巖具體地質條件，鉆孔直徑取40mm。2）掏槽炮眼深度：

周邊眼、輔助眼深度為：

中空孔深度應比掏槽眼深0.5～0.7m

式中，L為炮眼深度；l為每循環計劃進尺數；η為炮眼利用率，東陽關隧道Ⅲ級圍巖取0.92；Δh為炮眼超深。

3）抵抗線：

式中，Wmin為光面爆破的最小抵抗線，一般取0.4～0.8m，本設計計算中周邊眼抵抗線取0.6m，其余眼取0.7m；d為鉆孔直徑，本設計取0.04m。

4）孔間距：a掏1=0.4m；a輔上=0.7m；a輔中=1m；a輔下=1.1m；a周=0.5m

5）單孔裝藥量：

周邊眼單孔裝藥量公式：

其余眼單孔裝藥量公式：

式中，q為周邊眼裝藥集中度，kg/m，取0.25kg/m；a為裝藥系數，輔助眼取0.55，掏槽眼取0.65；γ為每米長度炸藥量，kg/m，φ35mm 巖石乳化炸藥為0.78kg/m[2]。具體參數如表1 所示。

3 水壓爆破在隧道開挖的應用

3.1 水壓爆破原理及裝藥結構

隧道水壓爆破技術是充分利用水具有不可壓縮性的特性，炸藥爆炸后，爆破能量經過水傳遞到圍巖中幾乎無損失，特別有利于巖石破碎。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生的“水楔”效應有利于巖石進一步破碎，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[3]。

水壓爆破技術與常規爆破的區別僅是炮眼裝藥結構，其他的如炮眼的分布、炮眼數量、炮眼深度和起爆方法都與常規爆破一樣。除去周邊眼，常規爆破10 個藥卷以上的炮眼減少藥卷2 個，裝10 個藥卷以下的炮眼減少藥卷1 個，少裝的藥卷用水袋代替。常規爆破與水壓爆破裝藥結構圖如圖3、圖4所示。

表1 炮眼參數設計

圖3 常規爆破炮眼裝藥結構圖

圖4 水壓爆破炮眼裝藥結構

3.2 水壓爆破工藝流程

水壓爆破工藝流程如圖5 所示。

圖5 水壓爆破工藝流程

3.3 東陽關隧道實例分析

以東陽關隧道Ⅲ級圍巖上臺階開挖為例，采用水壓爆破后除去周邊眼，其余眼炸藥使用量為常規爆破的90%，水壓爆破與常規爆破每循環用藥量如表2 所示。

如表2 所示，常規爆破炮眼長度3.3m，炮眼利用率0.92，每循環進尺3.04m，消耗炸藥數228.8kg；水壓爆破炮眼長度3.3m，炮眼利用率0.95，每循環進尺3.14m，消耗炸藥數208.5kg。

4 水壓爆破對隧道施工的影響

水壓爆破在隧道開挖的應用中，首要帶來的優勢是降低了爆破作業面的粉塵濃度，然后就是減少了炸藥能量的流失，提高了隧道爆破開挖的經濟效益。具體從以下2 方面闡述：

1）水壓爆破中的水袋，在爆炸應力波的作用下，水袋中的水瞬間會產生“水楔”效應，可以實現圍巖的有效破碎，大大減少爆破產生的大塊率，而且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，減少爆破對環境的污染，提高隧道內空氣質量。通過現場試驗比較，用水壓爆破比用常規爆破所產生的粉塵要少很多。同時，爆破后巖石較破碎，易于機械挖裝，提高出碴效率。

2）由于炮眼采用了水袋和炮泥的堵塞，有效消除了炸藥爆破能量的損失，使炸藥能量在爆破巖體上得到了充分利用，大大提高了爆破效率，節約了炸藥消耗，提高了經濟效益。

常規爆破時，并不需要用炮泥封閉炮眼，而水壓爆破在裝藥時會增加水袋、炮泥的裝入時間，水壓爆破要比常規爆破裝藥耗時增加20min～30min。但是，常規爆破需要30min 通風才能到掌子面排險，水壓爆破僅用10min 左右就可以到掌子面排險，這樣，既沒有增加每個開挖初支循環的時間，又減少了風機的功耗。

表2 水壓爆破與常規爆破每循環用藥量

5 結語

經過水壓爆破技術在本隧道應用的實例，水壓爆破技術與常規爆破相比，明顯提高了炸藥爆破能量利用率，減弱了爆破振動效應，節約了炸藥，降低了隧道內粉塵含量，同時，改善了作業環境，保護了施工人員的身體健康，而且節約了大量人力和物力，加快了施工進度，具有顯著的技術效益、經濟效益和社會效益。

推行水壓爆破技術不僅節能環保，而且加快了東陽關隧道的開挖進度，可謂一舉兩得，水壓爆破的推行，不僅需要建設單位的大力支持，更需要施工單位的積極配合，不斷總結經驗，體現水壓爆破技術的真正優越性。