聚能水壓爆破技術在水平巖層隧道施工中的應用

劉云龍

【摘? 要】水平巖層的超欠挖控制一直是隧道爆破施工的難題。為解決鳳凰隧道開挖過程中的超欠挖問題，分析了水平巖層變形破環的原因和聚能水壓光面爆破的原理，進行了聚能水壓光面爆破試驗。現場爆破試驗表明，在水平巖層中采用聚能水壓光面爆破技術，施工進度快，爆破質量好，生產成本降低顯著，經濟效益和社會效益均有了明顯提高。

【Abstract】The control of over and under excavation of horizontal strata is always a difficult problem in tunnel blasting construction. In order to solve the problem of over and under excavation in Fenghuang tunnel， this paper analyzes the causes of horizontal strata deformation and breakage and the principle of concentrated energy hydraulic smooth blasting， and carries out the concentrated energy hydraulic smooth blasting test. The field blasting test shows that the application of the concentrated energy hydraulic smooth blasting technology in the horizontal strata has the advantages of fast construction progress， good blasting quality， significant reduction in production cost， and significant improvement in economic and social benefits.

【關鍵詞】聚能爆破;水平巖層;超欠挖

【Keywords】concentrated energy blasting; horizontal strata; over and under excavation

【中圖分類號】U455.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）02-0182-03

1 引言

超欠挖控制一直是影響隧道施工成本、工期的關鍵環節。水平巖層是隧道工程施工經常遇到的一種地質構造，水平巖層的超欠挖控制相較于其他巖層更為復雜和困難，如果處理不好，隧道拱頂會出現大面積平頂、落石、冒頂等現象，造成大量超挖增加回填混凝土用量，還會影響圍巖的穩定性，從而影響施工作業人員和機械安全，所以水平巖層的光面爆破超欠挖控制對于隧道施工意義重大。通過研究新奧法施工的基本原理以及水平巖層對爆破的影響特點，在張吉懷鐵路鳳凰隧道使用了聚能水壓爆破技術，取得了較好效果。本文對此技術在水層巖層的光面爆破施工技術作一介紹。

2 工程概況

鳳凰隧道位于湖南省湘西州鳳凰縣沱江鎮關巖層村境內，全長4375m，為時速350km單洞雙線隧道，最大埋深約220m。隧道分進口、橫洞和出口3個工區平行組織施工。隧道圍巖為K1泥質粉砂巖，局部夾泥粉質砂巖，含礫砂巖，石英砂巖，紅色，綜紅色，強風化～弱風化。洞身弱風化層，粉砂巖，泥質膠結，中厚層狀構，節理較發育，巖體較破碎，層厚1～3m。巖層產狀：100°～140°∠8°～25°。巖層取樣，實測飽和單軸抗壓強度28MPa，屬軟軟巖。全隧地下水不發育，主要為基層裂隙水。隧道最大開挖寬度14.7m，隧底至拱頂開挖高度12.38m，爆破開挖斷面148.91m2。其中進口工區采用全電腦三臂鑿巖臺車全斷面法開挖施工，橫同工區采用傳人工鉆眼爆破臺階法施工。

3 水平巖層變形破壞機理

在薄水平巖層地段，爆破時巖體也極易沿著拱部某一層理面整體脫落，形成平如桌面的平頂現象。此時隧道頂板呈懸露狀態，頂板以梁（或板）的形式支撐著上覆巖體的重力作用，保持著應力場的平衡，此時覆巖的力學結構屬于典型的梁（或板）式平街結構。當此跨度達到巖梁的極限長度時，頂板在上部荷載的作用下，造成斷裂、垮落破壞，頂板巖層在第一次斷裂后，應力轉移到兩側，使得上面的巖層又成為梁（或板）式平衡結構，其兩側分別位于隧道兩側懸臂巖層的上方。當作用力足夠大時，隧道兩側巖層懸臂梁不斷發生破斷，其上方的巖梁超過極限跨距后再次造成斷裂和垮落。此時上覆巖層的重量將沿主應力線方向向隧道兩側傳遞，主應力線方向為一拱形，即形成應力平衡拱[1]。

爆破后應力波如果遇到節理、夾層等結構面，將發生復雜的透射、反射現象，使應力波能量在結構面中消耗衰減。由于結構面對應力波傳播的阻隔作用，對于隧道光面爆破而言，周邊眼邊連心線上的應力波疊加受到影響。在拱頂、周邊眼之間的裂縫往往沿著結構面形成，因此，容易形成平板狀輪廓。在邊墻部位，周邊眼連心線垂直于夾層面，邊心線上很難形成應力疊加，相當于單個炮眼獨自作用。層狀節理對爆破的影響可歸納為應力集中作用、應力波的反射增強作用、能量吸收作用、泄能作用、楔入作用和改變破裂線等作用，軟弱夾層使爆破后應力波傳播以及衰減規律發生變化，同時也影響了爆生氣體對巖石破碎作用。因此，爆破產生的能量得不到預期的組織與分配而在炮眼周圍以及夾層中大盤消耗，造成爆破后難以形成設計要求的拱形輪廓，大塊率高，超欠挖現象嚴重[2]。

4 聚能水壓爆破技術基本原理

已有研究表明[3]，聚能爆破的炸藥爆炸產生的爆轟波通過聚能管的聚能槽，將炸藥的動能和勢能轉換成高壓、高速、高能的射流，切割巖石成縫，形成1～2cm深縫。射流在孔壁產生射流壓力達7000MPa，巖石動載抗壓強度為200MPa，抗拉強度與抗壓強度之比為1/8～1/10，相鄰兩炮孔間互為臨空面，疊加后的壓縮波變為稀疏波，在兩炮孔連線上使巖石分子結構斷裂，形成裂紋。準靜態氣體膨脹，靜態壓力在兩孔最短邊線兩側產生拉應力，使巖石裂縫進一步擴展。根據爆破應力集中“氣刃”作用原則，爆破氣體沿裂縫并進一步擴大貫通，拋落巖石。

通過上述爆破理論總結發現，為提高水平軟弱巖層的爆破效果，從爆破理論方面，我們可以從以下兩個方面來努力：一是，減少爆生氣體的“氣楔效應”對洞身徑向方向影響，減少對基層的破壞程度，從而降低爆破后自然掉塊，特別是拱部平板掉塊超挖;二是，在不增加炸藥單耗的前提下，盡可能讓應力波和爆生氣體能量沿輪廓線有效傳播，降低結構面對能量的衰減作用。綜合考慮聚能水壓爆破理論上能夠起到上述作用。故在鳳凰隧道DK180+960～995段進行試驗對比研究，DK180+860～960段采用傳統光面爆破技術，兩段均為IV級圍巖，巖性一致。

5 爆破試驗方案

影響光面爆破效果的因素有很多，主要有鉆眼精度、裝藥結構及裝藥量、隧道斷面大小、地質條件、測量放線精度、施工管理等方面，該試驗為排除其他因素的影響，選取鳳凰隧道進口作試驗點，其優勢主要有以下幾方面：一是，全電腦三臂臺車可以實現自動定位尋眼鉆眼，可以排除人為因素干擾;二是，同一工點同一工法可以排除管理和工法差異上的干擾。

5.1 爆破設計

聚能水壓爆破與傳統光面爆破技術最大的區別是周邊眼間距和周邊眼裝藥量，具體如表1和圖1所示。

從上述對比來看，聚能水壓爆破雖然增加了單孔裝藥量，但總體裝藥量小于傳統光面爆破技術裝藥量。

5.2 聚能管裝置的組裝方法

聚能管裝置中的傳爆線和起爆雷管為施工通用的起爆器材，起爆雷管段別與常規光面爆破相同。往半壁管注藥需要注藥槍和空壓機設備，注藥槍長45cm，重0.8kg。小型空壓機功率800W，重23kg。往半壁管注藥步驟：第一步，把藥卷一端和沿藥卷縱向把包裝皮切開，然后將藥卷沿縱向切開面合并并裝入注藥槍筒中，最后擰緊旋轉蓋;第二步，給注藥槍加壓，其壓力為0～2個大氣壓;第三步，手握注藥槍沿半壁管從頭注入，炸藥就從槍口不斷流入半壁管中。注好炸藥的2個半壁管相扣之前在其中1片半壁管中放置1根傳爆線，然后合并裝在一起，裝上起爆雷管。為保障聚能管裝置中的聚能槽對準隧道輪廓面以防止轉動，聚能管裝置的兩端套上塑料套圏，這樣聚能管才完全組裝好。要特別指出的是，為了安全，在聚能管裝置組裝房內最好不要安裝起爆雷管，待運到掌子面時再安裝，整個裝藥過程2個工人作業時長約1h。注意聚能管的長度可以根據進尺定制。

5.3 裝藥結構

裝藥之前，把加工好的聚能管運至施工掌子面，并準備絕緣膠帶、孔內定位棉、夾條等輔助材料。裝填的步驟：第一步，往炮孔最底部填裝1個水袋，水袋必須裝到炮孔底部，不能留有空隙;第二步，裝聚能管裝置，聚能管長約2.2m，約為炮孔深度的70%，聚能管要緊挨著炮孔最底部水袋，聚能槽方向對準相鄰炮孔中心，不可弄錯;第三步，裝填2袋水袋;第四步，用專業設備加的炮泥回填到炮孔口，用木質炮棍搗固堅實，起到填塞的作用。所有炮孔填過后，像常規光面爆破起爆。

6 爆破效果統計與分析

統計13個試驗循環的爆破效果數據，拱部平均線性超挖值為15.9cm，邊墻為12.8cm，拱部炮眼痕跡率為52.9%，邊墻為69.8%，后期爆破參數穩定后，拱部平均線性超挖值為14.7cm，邊墻為12.1cm，拱部炮眼痕跡率為57.2%，邊墻為71%。與DK180+860～960對照段爆破效果對比發現，聚能水壓爆破技術拱部線性超挖值降低3.2cm，邊墻降低3.4cm，炮眼痕跡率增加20%以上，具體情況如表2所示。

7 爆破技術經濟比較

采用聚能水壓爆破增加了聚能管費用，但減少了鉆孔數量、炸材用量和混凝土用量，綜合分析每循環節約直接成本517元，平均每米172元，具體計算如表3所示。同時每循環節約循環時間約1h，每施工1km隧道可節約工期14天左右。

8 結論

①聚能水壓光面爆破技術集聚能爆破、水壓爆破、光面爆破三者的優點于一身，充分利用了炸藥聚能爆破產生集中爆破能的原理，較好地控制聚能射流面與光爆面吻合，因此，顯著増大了周邊眼孔距，即減少鉆孔工作量。聚能爆破還減少了圍巖擾動，有利于保持基巖的穩定性，保持開挖輪廓圓順、整齊，殘孔保留率高，超挖減少，提高了施工安全保障。②施工進度快，且施工質量明顯提高，降低生產成本顯著，有效提高了經濟效益和社會效益。操作時要嚴格按照爆破設計鉆眼裝藥，特別是聚能槽的方向，不得弄錯。③在試驗過程中發現，爆破后效果較好，隨著時間的推移，新鮮巖層接觸空氣不斷風化，光爆破效果無法維護到初期支護完成前，從而造成二次超挖，在后續施工中，堅持爆破后立即進行初噴封閉巖面起到了較好效果。④試驗過程中我們也發現，在一定時間段之內爆破效果是趨于穩定的，在圍巖未發生變化前，可適當縮小炮眼開孔輪廓，縮小值為平均超挖值的1/3左右。

【參考文獻】

【1】孫廣忠.巖體結構力學[M].北京：科學出版社，1988.

【2】黃金旺.近水平紅砂巖隧道鉆爆法施工超欠挖控制技術研究[D].長沙：中南大學，2010.

【3】何廣沂.聚能爆破的研究與實踐[A].第七屆工程爆破學術會議論文集[C].2001.