團(tuán)山隧道水壓爆破技術(shù)研究

余志奇，朱 镕，柯 波

(1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，武漢 430040；2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對于施工的要求也越來越高，國家大力倡導(dǎo)綠色施工、文明施工。爆炸過程釋放的能量僅僅只有20%～30%直接用于巖石破碎，而其余的能量則以地面振動、空氣沖擊波、飛石和噪音的形式消散，還會產(chǎn)生大量粉塵[1]。水壓爆破技術(shù)有著“三提高一保護(hù)”的明顯優(yōu)勢[2]，水壓爆破能大幅度提高炸藥的爆破效率，增加經(jīng)濟(jì)效益，有效降低灰塵保護(hù)環(huán)境。水壓爆破與常規(guī)爆破相比只是將水袋和炮泥填充到炮眼中，區(qū)別在于裝藥量，除周邊眼外其他每個炮眼的裝藥量少一節(jié)炸藥。其他方面例如掏槽形式、炮眼分布和數(shù)量、鉆孔深度、起爆順序和時間間隔等方面的設(shè)計與常規(guī)爆破相同[3,4]。

唐道權(quán)通過對復(fù)雜環(huán)境條件下的井巷掘進(jìn)采用控制爆破方法，爆破效果得到明顯改善[5]。劉保陽采用淺孔控制爆破技術(shù)，有效控制了爆破振動、爆破飛石等災(zāi)害，使得150 000 m3的土石方開挖安全完工[6]。池恩安對某復(fù)雜下承式拱肋公路橋認(rèn)真分析結(jié)構(gòu)特點，采用鉆孔爆破和水壓爆破的組合爆破方式，成功拆除該橋[7]。楊軍等通過模擬大橋拱座空心立柱的水壓爆破過程，來探討水壓爆破的作用機理和作用效果，得到了在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中對水壓爆破切口的處理方法[8]。龍寶賓對隧道采用水壓爆破，得到水壓爆破具有3個提高、2個減少、1個保護(hù)的優(yōu)點[9]。馬守龍等通過建立箱梁水壓爆破計算模型，模擬水壓爆破時沖擊波傳播過程及箱梁結(jié)構(gòu)的破碎過程，對比箱梁注水量為80%、90%、100%時的爆破效果，得到箱梁橋面的破碎效果受注水量的影響很大，注水量越少，能量耗散越多，橋面的破碎效果越差[10]。萬嗣鵬等發(fā)現(xiàn)在小斷面隧道爆破開挖時，采用水壓爆破技術(shù)能較好的改善爆破效果，形成較好的隧道輪廓[11]。

上述研究關(guān)于水壓爆破對隧道圍巖的影響程度的研究較少，為了研究水壓爆破對隧道圍巖的損傷程度，且由于本工程貫穿東湖風(fēng)景名勝區(qū)，為了更好保護(hù)環(huán)境和增強爆破效果，因此隧道鉆爆施工采用水壓爆破。

1 工程概況

東湖通道工程北起二環(huán)線水東段主線高架橋，南止于喻家湖路與喻家山北路相交道口，橫貫東湖風(fēng)景名勝區(qū)，線路由紅廟立交接線橋梁段、東湖隧道段、團(tuán)山路地面段、團(tuán)山隧道段與喻家湖路地面段組成，全長10.634公里。

本標(biāo)段北起魯磨路接V標(biāo)段，起點里程為DHTDK6+450，過魯磨路、植物園路與團(tuán)山路交叉路口后出地面，南止于喻家山北路與喻家湖路交叉路口，止點里程為DHTDK9+160，全長2.71 km。標(biāo)段內(nèi)施工任務(wù)為隧道與路基，隧道總長約1.2 km，路基長約1.5 km；其中隧道含東湖隧道段500 m，團(tuán)山隧道690 m。東湖隧道結(jié)構(gòu)形式為封閉框架、敞口段，采用明挖法施工；團(tuán)山隧道為小凈距雙洞分離式隧道，采用礦山法施工。團(tuán)山隧道南北側(cè)主線采用地面形式，同時將現(xiàn)狀喻家湖路(團(tuán)山路)分為東西兩幅進(jìn)行改造，北側(cè)團(tuán)山路、南側(cè)喻家湖路與現(xiàn)狀線路基本吻合，其中團(tuán)山隧道進(jìn)出口設(shè)下穿通道。團(tuán)山隧道存在Ⅳ級圍巖，需要采用爆破法開挖。

2 爆破方案設(shè)計

2.1 爆破方案

隧道開挖采用鉆孔臺架配合風(fēng)動鑿巖機鉆孔以及非電毫秒雷管光面爆破技術(shù)。

(1)測量放線

鉆孔前測量放樣，準(zhǔn)確繪出開挖輪廓線及周邊眼、掏槽眼和輔助眼的位置，用激光鉛直儀控制邊線。距開挖面50 m處埋設(shè)中線樁，每100 m設(shè)置臨時水準(zhǔn)點。每次測量放線的同時，要對上次爆破斷面進(jìn)行檢查,利用隧道開挖斷面量測系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(2)鉆孔作業(yè)

嚴(yán)格按鉆爆設(shè)計實施，特別是周邊眼和掏槽眼的位置、間距及數(shù)量。準(zhǔn)確定位鑿巖機鉆桿，使鉆孔位置誤差不大于5 cm，保持鉆孔方向平行，嚴(yán)禁相互交錯。同類炮眼鉆孔深度要達(dá)到鉆爆設(shè)計要求，眼底保持在一個鉛垂面上。

(3)周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)

周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)光面爆破的重要條件，嚴(yán)格控制周邊眼裝藥量，采用合理的裝藥結(jié)構(gòu)，盡量使炸藥沿孔深均勻分布，施工時采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu),不耦合裝藥系數(shù)控制在1.4～2.0范圍內(nèi),詳見結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖 1 周邊眼空氣柱間隔裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of air column interval charge in peripheral hole

(4)圍巖爆破

根據(jù)巖石強度選用巖石乳化炸藥。周邊眼采用φ22×270小藥卷，空氣柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，其余炮眼采用φ32×200藥卷。采用塑料導(dǎo)爆管非電起爆，除周邊眼其余鉆孔采用水壓爆破。

(5)微震爆破

隧道周邊采用光面爆破，不良地質(zhì)、淺埋地段采用微震控制光面爆破。微震爆破作業(yè)段最大一段允許裝藥量

Qmax=R3×(Vkp/K)3/a

式中：Qmax為最大一段爆破藥量，kg；Vkp為安全速度；取Vkp=2 cm/s；R為爆破安全距離，m；K為地形、地質(zhì)影響系數(shù)；a為衰減系數(shù)。

K、a值是針對隧道的具體情況，通過多次試爆進(jìn)行K、a值回歸分析后確定。根據(jù)爆破物距爆心的安全距離要求，并由此推出的每段的最大裝藥量。

2.2 隧道開挖鉆爆設(shè)計

隧道開挖施工堅持“弱爆破、短進(jìn)尺、強支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則，本隧道鉆爆采用水壓爆破、小炮、機械或人工開挖，嚴(yán)格控制裝藥量，以減小對圍巖的擾動。

IV級圍巖采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。設(shè)計每循環(huán)進(jìn)尺為1.26 m，最大單段起爆藥量為9.0 kg。

(1)炮孔直徑為：d=42 mm。

(2)掏槽方式采用為單式楔形掏槽。

(3)周邊眼孔距為40 cm，抵抗線距離為50 cm，周邊眼沿著巷道輪廓線開口，孔底超出輪廓線10 cm。

(4)輔助眼孔距為100～120 cm，抵抗線距離為80～100 cm；底板眼孔距為60～70 cm，抵抗線距離為50～60 cm。

具體單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖施工典型斷面爆破設(shè)計參數(shù)表和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2、3、4、5、6和7，爆破設(shè)計布置圖如圖2，其中孔深和開口角度如圖2所示，圖中數(shù)字編號代表起爆雷管段號。合理設(shè)定各段位微差爆破時間，能控制各炮孔按順序起爆，并且提供充足的自由面，更好的利用炸藥能量，提升爆破效果，每段雷管延期時間見表1。其他參數(shù)見表2～表7。

表 1 雷管各段位延期時間表

表 2 裝藥系數(shù)和單孔裝藥量表

表 3 三臺階法開挖左上部分光面爆破參數(shù)設(shè)計表

表 4 三臺階法開挖左下部分光面爆破參數(shù)設(shè)計表

表 5 三臺階法開挖右上部分光面爆破參數(shù)設(shè)計表

表 6 三臺階法開挖右下部分光面爆破參數(shù)設(shè)計表

表 7 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)匯總表

圖 2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖爆破設(shè)計圖(單位：cm)Fig. 2 Blasting design for excavation with one side heading method(unit:cm)

3 節(jié)能環(huán)保水壓爆破

本隧道鉆爆均采用“水壓爆破”新技術(shù)，即先把水灌入到特制的塑料袋中，然后把水袋填入炮眼所設(shè)計的位置中，裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種技術(shù)利用在水中傳播的沖擊波對水的不可壓縮性，使爆炸能量無損失地經(jīng)過水傳遞到炮眼圍巖上，與無回填堵塞相比充分地利用了炸藥能量，有利于巖石破碎，水的霧化還能起到降塵作用[12]。

圖 3 水袋炮泥回填堵塞法爆破圖Fig. 3 Blasting diagram of water bag blasting mud backfill blocking method

3.1 工藝流程

水壓爆破與常規(guī)爆破相比需要在施工前進(jìn)行水袋和炮泥的制作，并且按照水袋-炸藥-水袋-炮泥的順序依次填充炮孔，具體工藝流程見圖4。

圖 4 水壓爆破工藝流程圖Fig. 4 Process flow chart of water pressure blasting

3.2 水袋制作

在水壓爆破技術(shù)中，水袋(即裝水的塑料袋)須有一定的壁厚，在普遍情況中，水袋由0.88 mm厚的聚乙烯塑料制造，它的直徑和炮眼的直徑要做到基本一致。

水袋使用KPS-60型水袋自動封裝機加工而成，如圖5所示。這個儀器是為水壓爆破專門研制的封口機，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，每小時可制作約700個水袋。

圖 5 KPS-60型水袋自動封裝機Fig. 5 KPS-60 water bag automatic packaging machine

具體操作：首先連接水管，并用扎圈鎖緊為防進(jìn)氣；打開電源調(diào)節(jié)溫度到220°左右，預(yù)熱約十分鐘；試運轉(zhuǎn)從出水口排除氣體；然后把塑料袋套在出水口上，一按電鈕水即可沖入袋中，隨之自動封口，水袋便加工成。

3.3 炮泥制作

炮泥采用PNJ-A型炮泥機加工而成，如圖6所示。這種專門為水壓爆破研制的炮泥機，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，兩個人每小時可制作約500根炮泥。

圖 6 PNJ-A型炮泥機Fig. 6 PNJ-Aclay gun

炮泥原料為土、水、砂，比例為0.75：0.1：0.15，長200 mm，直徑35～37 mm，保證塞滿鉆孔而又不磨破水袋[13]。炮泥要堵塞到炮眼口，并保證填塞嚴(yán)實。與水袋相鄰的第一節(jié)炮泥要順勢輕放，不要搗實以免將水袋弄破，從第二節(jié)起要搗實直至炮眼口。

炮泥的堵塞還需要注意以下的問題：(1)為了不發(fā)生“沖泥”的情況，要對炮泥在炮眼中的長短進(jìn)行更好的把控。(2)炮泥的長度應(yīng)該合理的把控在3∶1，不能太短，一定要比水袋的長度更長[14]。

4 爆破效果

在水壓爆破結(jié)束后對隧道位移和變形進(jìn)行監(jiān)測來評估水壓爆破的效果，爆破效果如圖7，其中對拱頂下沉監(jiān)測的目的主要有：(1)通過拱頂沉降位移量測，了解斷面的變形狀態(tài)，判斷隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性；(2)根據(jù)變形速率判斷隧道圍巖的穩(wěn)定程度，為二次襯砌提供合理的支護(hù)時機；(3)指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)計與施工；(4)防止沉降侵入二襯空間。

圖 7 水壓爆破后效果圖Fig. 7 Effect picture after water pressure blasting

通過對隧道拱頂下沉及水平收斂情況進(jìn)行監(jiān)測，來驗證節(jié)能環(huán)保水壓爆破的性能。利用監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)制作成散點圖，利用最小二乘法擬合曲線得到數(shù)據(jù)的趨勢線。如圖8所示。

圖 8 拱頂下沉及水平收斂成果分析圖Fig. 8 Analysis of vault subsidence and horizontal convergence results

如圖表明：利用節(jié)能環(huán)保水壓爆破，對隧道圍巖的破壞小，使巖石更好的維持穩(wěn)定性，保證施工安全，減少經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié)論

(1)水壓爆破技術(shù)工藝較簡單，相比傳統(tǒng)爆破技術(shù)有明顯優(yōu)勢。它不僅能提高炸藥的利用率，還能使水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，利于巖石破碎降低大塊率，并且能大大降低粉塵對環(huán)境的污染。

(2)節(jié)能環(huán)保水壓爆破能夠較好的維持巖石的力平衡，減少對隧道圍巖的擾動，使巖石保持穩(wěn)定的狀態(tài)，保護(hù)施工人員的安全。