京沈鐵路史家溝隧道聚能水壓光面爆破技術(shù)應(yīng)用

陸敬忠

（中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

超欠挖控制一直是影響隧道施工成本、工期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水平巖層是隧道工程施工經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造，水平巖層的超欠挖控制相較于其他巖層更為復(fù)雜和困難，如果處理不好，隧道拱頂就會(huì)出現(xiàn)大面積平頂、落石、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，造成大量超挖增加回填混凝土用量，還會(huì)影響圍巖的穩(wěn)定性從而影響施工作業(yè)人員和機(jī)械安全。綜合上述考慮，通過(guò)研究新奧法施工的基本原理以及水平巖層對(duì)爆破的影響特點(diǎn)[1-4]，以及何廣沂教授[5]在寶漢高速石門特長(zhǎng)隧道成功使用聚能水壓爆破技術(shù)，在京沈鐵路史家溝隧道砂礫巖夾砂巖和片麻巖水平巖層隧道中使用了聚能水壓爆破技術(shù)，取得了較好效果。

1 工程概況

京沈京冀客專Ⅲ標(biāo)段史家溝隧道全長(zhǎng)4850m，為該標(biāo)段重點(diǎn)控制性工程。隧道位于承德市平泉縣東側(cè)，線路穿過(guò)三十家子北溝、窯頭溝、張家溝、于家溝等村。該隧道為單洞雙線隧道，隧道內(nèi)線間距5.0m，隧道最大埋深為278.50m。隧道巖性以砂礫巖夾砂巖和片麻巖為主，隧道進(jìn)出口附近巖體多呈破碎狀態(tài)，開(kāi)挖后受應(yīng)力重分配及水的作用的影響，極易出現(xiàn)塌方掉塊的現(xiàn)象，全隧地下水不發(fā)育，主要為基層裂隙水。隧道最大開(kāi)挖寬度14.7m，隧底至拱頂開(kāi)挖高度12.38m，爆破開(kāi)挖斷面148.91m2。

2 聚能水壓爆破技術(shù)基本原理

何廣沂教授實(shí)驗(yàn)研究表明，聚能爆破的炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波通過(guò)聚能管的聚能槽，將炸藥的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)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(chǎn)生射流壓力達(dá)7000MPa，巖石動(dòng)載抗壓強(qiáng)度為200MPa，抗拉強(qiáng)度1/8～1/10抗壓強(qiáng)度，相鄰兩炮孔間互為臨空面，疊加后的壓縮波變?yōu)橄∈璨ǎ趦膳诳走B線上使巖石分子結(jié)構(gòu)斷裂形成裂紋。準(zhǔn)靜態(tài)氣體膨脹，靜態(tài)壓力在兩孔最短邊線兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力使巖石裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。根據(jù)爆破應(yīng)力集中“氣刃”作用原則，爆破氣體沿裂縫并進(jìn)一步擴(kuò)大貫通，拋落巖石[5]。

根據(jù)爆破理論，可以從以下兩個(gè)方面提高水平軟弱巖層的爆破效果：（1）減少爆生氣體的“氣楔效應(yīng)”對(duì)洞身徑向方向影響，降低對(duì)基層的破壞程度，從而減少爆破后自然掉塊，特別是拱部平板掉塊超挖；（2）在不增加炸藥單耗的前提下，盡可能讓應(yīng)力波和爆生氣體能量沿輪廓線有效傳播，降低結(jié)構(gòu)面對(duì)能量衰減作用。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(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究，DK180+860～960段為對(duì)段采用傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)爆破，兩段均為IV級(jí)圍巖，巖性一致。

3 研究的主要過(guò)程

3.1 試驗(yàn)的主要思路

光面爆破效果影響因素有很多，主要有鉆眼精度、裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量、隧道斷面大小、地質(zhì)條件、測(cè)量放線精度、施工管理等。本試驗(yàn)為排除其他因素的影響，選取鳳凰隧道進(jìn)口作試驗(yàn)點(diǎn)。其優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面：（1）全電腦三臂臺(tái)車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位尋眼鉆眼，可以排除人為因素干擾；（2）同一工點(diǎn)同一工法可以排除管理和工法差異上的干擾。

3.2 爆破設(shè)計(jì)

聚能水壓爆破與傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)最大區(qū)別是周邊眼間距和周邊眼裝藥量，具體見(jiàn)表1。由表1可知，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(tǒng)光面爆破技術(shù)裝藥量。

表1 主要爆破參數(shù)對(duì)照表

3.3 聚能管裝置的組裝方法

往半壁管注藥分為三個(gè)步驟：（1）沿藥卷縱向把包裝皮切開(kāi)，然后將藥卷切開(kāi)面合并裝入注藥槍筒中，并擰緊旋轉(zhuǎn)蓋；（2）注藥槍加壓，壓力范圍為0～2MPa；（3）將注藥槍沿半壁管從頭至尾移動(dòng)，炸藥從槍口不斷流入半壁管中，然后在兩個(gè)半壁管相扣之前在其中一片半壁管中布置一根傳爆線，合并在一起后裝上起爆雷管。

3.4 裝藥結(jié)構(gòu)

裝填的步驟：（1）往炮孔最底部填裝一個(gè)水袋，且不能留有空隙；（2）緊挨著炮孔最底部水袋裝聚能管裝置長(zhǎng)約2.2m，約為炮孔深度的70%，聚能槽方向?qū)?zhǔn)相鄰炮孔中心；（3）裝填2袋水袋；（4）用炮泥回填炮孔口，用木質(zhì)炮棍搗固堅(jiān)實(shí)，像常規(guī)光面爆破起爆。

3.5 爆破效果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)13個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)可知，平均線性超挖值拱部為15.9cm，邊墻為12.8cm；炮眼痕跡率拱部為52.9%，邊墻為69.8%。后期爆破參數(shù)穩(wěn)定后，平均線性超挖值拱部為14.7cm，邊墻為12.1cm；炮眼痕跡率拱部為57.2%，邊墻為71%。具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 爆破效果統(tǒng)計(jì)表

與DK180+860～960對(duì)照段爆破效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，聚能水壓爆破技術(shù)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。具體情況見(jiàn)表3。

表3 爆破效果對(duì)照表

3.6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

采用聚能水壓爆破增加了聚能管費(fèi)用，但減少了鉆孔數(shù)量、炸材用量和混凝土用量，綜合分析每循環(huán)節(jié)約直接成本517元，平均172元/m，具體計(jì)算見(jiàn)表4。同時(shí)每循環(huán)節(jié)約循環(huán)時(shí)間約1h，可節(jié)約工期14d/km左右。

表4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析表

4 結(jié)論

（1）聚能水壓光面爆破技術(shù)充分利用了炸藥聚能爆破產(chǎn)生集中爆破能的原理，較好控制聚能射流面與光爆面吻合，顯著減少了鉆孔工作量；聚能爆破還減少了圍巖擾動(dòng)，有利于保持基巖和穩(wěn)定性，保持開(kāi)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(jìn)度快，且施工質(zhì)量明顯提高，也降低了生產(chǎn)成本顯著，有效提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，操作時(shí)要嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)鉆眼裝藥，特別注意聚能槽的方向，不得弄錯(cuò)。（3）在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，爆破后效果較好，隨著時(shí)間推移，新鮮巖層接觸空氣不斷風(fēng)化，光爆破效果無(wú)法維護(hù)到初期支護(hù)完成前，從而造成二次超挖，在后續(xù)施工中，堅(jiān)持爆破后立即進(jìn)行初噴封閉巖面起到了較好效果。（4）試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，在一定時(shí)間段之內(nèi)爆破效果是趨于穩(wěn)定的，在圍巖未發(fā)生變化前，可適當(dāng)縮小炮眼開(kāi)孔輪廓，縮小值為平均超挖值的1/3左右。