長大隧道聚能水壓光面爆破施工技術

葛偉

（中鐵建貴州建設有限公司，貴陽 550000）

1 工程概況

楊梅山隧道為單洞隧道，雙線布置，暗洞設計長度10 619m，采用鉆爆法掘進。隧址內主要為凝灰巖地質，Ⅱ級圍巖段落占比高，達到隧道總長的61.5%，爆破形式采用聚能水壓光面爆破。

2 聚能水壓光面爆破技術工藝原理

聚能水壓光面爆破技術主要在裝藥結構和炮眼堵塞上進行了適當的調整【1】：（1）炮孔堵塞方面，常規爆破通常沒有堵塞，而水壓聚能爆破采用水袋和炮泥對炮孔進行復合堵塞；（2）在炮眼中安裝了部分水袋代替部分炸藥；（3）周邊眼中增加聚能管裝置，以達到周邊眼間距加大、數量減半的目的。

周邊眼中裝填水袋和炮泥，在底部和上部炮泥間采用聚能管裝置起爆【2】。爆破時，聚能管中的聚能槽產生的射流溫度、壓力更高，能量損失更??；同時利用水的不可壓縮性，爆破產生的沖擊波更加強烈，爆破產生的巖石初始裂縫進一步擴展延伸。由水袋和炮泥2 種材料組成的復合堵塞結構，遏制了爆破能量損失，充分利用了炸藥的爆破能量。爆破后，水因為高溫呈霧化形態，可以有效地降低爆破產生的粉塵污染，通風作業時間得以縮短。

3 聚能水壓光面爆破技術施工工藝

3.1 鉆孔

根據爆破設計方案中周邊眼位置，準確計算每個周邊眼位置，測量人員需嚴格按照要求位置放樣，保證定位準確，便于炮工施鉆時對照前排炮作為參考，保證炮眼施作的平行度和角度，避免出現較大炮茬。

炮工施鉆時應根據當前掌子面平整情況，合理確定炮孔施鉆深度，盡可能保證炮孔底部處于同一里程，炮孔底部水袋必須填裝到底，以便于達到水楔切割掌子面，增加爆破有效進尺的目的。

3.2 炮泥制作

采用炮泥機制作炮泥，炮泥機外形輕巧，使用方便，易于操作，生產效率高。2 個人操作每小時可以生產炮泥400 個左右。炮泥制作材料主要以黏土為主，一般配合比為土∶砂∶水=0.75∶0.1∶0.15。采用電子秤精確稱重，確保配合比準確。為提高炮泥制作效果，混合料需要提前1.5h 左右由人工拌勻軟化。加工的炮泥分節制作，直徑與炸藥直徑相同。炮泥一般于使用前1h 左右制作完成，并覆蓋塑料膜保濕。炮泥加工應軟硬適中，并根據效果調整配合比，確保炮泥安裝時，既易于搗固，又不致流出炮眼，達到堵塞密實效果。

3.3 水袋制作

采用自動封裝機制作水袋，該設備原理簡單，僅1 人即可完成設備操作，每小時可以制作水袋500 個左右。設備的工作原理為利用體積法控制水袋裝水量，水袋利用凸輪機構熱合封口。水袋采用強度大、袋壁抵抗變形能力大的呢絨袋制作，既不怕炮棍頂壓，炮孔中巖石也不易刺破。

水袋加工前應先預熱10min 左右排出水管中的氣體，然后把水袋套在出水口上，自動灌水后即可封口完成。加工合格的水袋應封口嚴密，無滲漏水，體型挺拔。成品水袋長度按照使用的炸藥長度控制，一般為20cm，直徑比炸藥直徑大3.5cm。

3.4 聚能管裝置

聚能管、炸藥、導爆索和定位圈4 部分組成聚能管裝置。聚能管外形尺寸27.96mm×20.71mm，管壁厚2mm；蓋片截面尺寸為寬19mm、高5.47mm，材質為PVC 材料。炸藥采用通用乳化炸藥，炸藥截面與聚能管截面一致，每延米裝藥350～400g，圍巖發生變化時，裝藥密度需根據爆破設計參數進行相應調整。通過小型空壓機配合注藥槍往聚能管中注藥，導爆索起爆。

組裝聚能管在平整的工作平臺上進行。首先需將炸藥的外皮沿長度方向切開，再裝入注藥槍；通過空壓機給注藥槍加壓一定壓力，壓力按照0.2MPa 控制，再把炸藥由注藥槍沿半壁管從頭到尾加入聚能管中；注好炸藥后往管中放置1 根導爆索，然后蓋上蓋片。聚能管兩端由定位圈和膠帶纏繞固定。

3.5 裝藥結構

掏槽眼與輔助眼裝藥結構相同。炮孔底部先裝填1 節水袋，然后裝入所需數量的炸藥；采用炮棍量測炮眼剩余的深度，剩余的深度除以水袋長度后四舍五入即為水袋裝填節數；最后將炮孔剩余部分裝填炮泥。

周邊眼裝藥時，先在炮孔底部先裝入1 節水袋，再裝入定制長度（一般為炮眼深度減去80cm）的聚能管裝置，聚能管裝置上部裝填水袋2 節，最后采用炮泥回填。

4 楊梅山隧道應用實例

4.1 爆破設計概述

設計循環進尺4.2m，采用3 排斜眼掏槽，角度分別為51°、53°、53°，長度分別為 1.78m、3.50m、5.22m；周邊眼深度4.2m，間距0.8m；輔助眼、底板眼間距1.0m，長度4.2m。

4.2 周邊眼間距確定

根據經驗計算及現場試驗總結，周邊眼抵抗線與周邊眼間距比值（抵抗線/間距）控制在0.8～1.0m 爆破效果較好。

聚能水壓光面爆破是通過聚能槽沿輪廓面切線方向切割圍巖實現周邊眼間距加大目的，故在爆破設計時需根據隧道設計斷面不同部位的弧形半徑合理確定不同部位的周邊眼間距，控制最大超挖值，理論最大超挖值計算見式（1）：

式中，r 為開挖輪廓面半徑，取值700cm；d 為周邊眼間距，cm，取值80cm。

計算可得h 為4.6cm。

4.3 炸藥使用量計算及分配

楊梅山隧道Ⅱ級圍巖全斷面開挖單位炸藥消耗量計算參見式（2）：

式中，k0為修正系數，k0=2.02；f 為巖石堅固系數，取值 14；S 為斷面面積，取值125.47m2。

經計算，q 為 0.742kg/m3。

周邊眼裝藥量通過經驗及爆破效果確定，其余炮眼單孔裝藥量按照式（3）計算：

式中，W 為抵抗線，m；E 為間距，m；L 為深度，m；λ 為所在部位系數。

楊梅山隧道聚能水壓光面爆破與常規光面爆破主要技術指標對比參見表1。

表1 主要技術指標對比表

4.4 主要經濟指標分析

4.4.1 火工品成本對比

利用炮眼最底部的水袋代替1 節炸藥，同時減少周邊眼的數量，減少炸藥用量及周邊眼所用雷管，導爆索節約50%～60%，每開挖循環火工品材料節約450 元以上。

4.4.2 人工費對比

利用炮眼底部水袋產生的“水楔”效應，切割掌子面，爆破后掌子面平齊，不留炮根，增加爆破有效進尺。采用聚能水壓爆破，有效循環進尺可提高20cm 以上。周邊眼間距可以加大到80～100cm，減少一半周邊眼數量，在保證施工效率不變前提下可減少作業人員數量，降低勞務成本。常規光面爆破時司鉆工人20 人，采用聚能水壓光面爆破后司鉆工人可減少3人，制作炮泥、水袋及聚能管裝置工人增加2 人，總體減少1 人，人工費降低1 元/m3。

4.4.3 噴射混凝土用量對比

有效控制開挖輪廓的斷面尺寸和開挖面的平整度，輪廓面表面凹坑顯著減少，噴射混凝土使用量降低，每延米減少用量0.5m3以上，作業時間縮短，節約成本。

4.4.4 設備、機具使用電費對比

降低洞內粉塵污染和火工品氣味，提高了洞內空氣質量和濕度，縮短通風作業時間15min 以上；同時，鉆孔和噴射混凝土的作業時間也有一定減少，節約電費，電費指標降低1.56元/m3。

4.4.5 綜合經濟效益對比

綜上所述，相對于常規光面爆破，聚能水壓光面爆破在火工品消耗、噴射混凝土節約、鉆爆人工費降低、機械設備耗電費用降低等方面均有較大經濟效益，經過現場數據統計，隧道掘進及支護每延米可節省約764 元。

5 結語

楊梅山隧道掘進中采用的聚能水壓光面爆破技術在進度、質量、安全、經濟、環保等方面都取得了較好的效果，尤其是施工工效的提高將為控制性工程楊梅山隧道按期完工提供有效的保證，可為其他類似工程提供參考。