隧洞掘進周邊孔水壓聚能控制爆破實踐與應用研究

孫余好，邢鵬飛，吳亞華，周 煌

（核工業井巷建設集團有限公司企業技術中心，浙江 湖州 313000）

0 引言

隧洞是民用基礎設施的主要組成部分，主要用作公共交通設施、水道和其他設施，如電力或通信電纜安裝。鉆爆碎石廣泛應用于采礦、采石和土木工程建設中，然而，爆炸過程中釋放的能量只有 20 %～30 % 直接用于巖石破碎，而其余的能量則以地面振動、空氣爆炸、飛石和噪音的形式消散［1］。

目前大多數的隧洞在開挖時都會應用爆破技術。爆破具有沖擊力大、效率高等特點，在隧洞的掘進施工中起到至關重要的作用。常規爆破方法安全隱患較多，多種化學原料碰撞在一起會產生較大危險，隧洞施工中，一旦爆破技術把握不當，將會嚴重影響隧洞的掘進［2］。

運用光面爆破技術對巖壁完成作業后，掌子面會比較完整，可以起到控制爆破的效果，不會影響圍巖平衡或穩定性，可以減少圍巖應力集中，降低裂縫出現的概率，保持圍巖完整，使圍巖自身的承載能力變強，給施工創造便利，保障現場施工安全［3］。

水壓聚能控制爆破技術相比常規光面爆破技術，不僅可以節省人力和物力、加快施工進度，還可以有效降低粉塵等有害物質對人體的危害，并通過控制爆破振動范圍，降低對隧洞圍巖的影響程度［4］。

1 工程概況

1.1 工程特點

大溪 1# 隧洞位于浙江省麗水市大港頭鎮，屬于麗水-龍游天然氣管道一期工程隧洞工程中的一部分。該隧洞采用“斜巷（411 m）+平巷（760 m）+斜巷（447.5 m）”的穿越形式。隧洞水平長度為 1 700 m，隧洞實際長度為 1 711.5 m，進口端坡度為 -19.55 %，隧洞出口坡度為 18.50 %；其中三類圍巖 890 m，占總長度的52.35 %；Ⅴ級圍巖長度 810 m，占總長度的 47.65 %。凈空斷面為 3.0 m×3.0 m（寬×高）。

1.2 工程存在的問題

在隧洞掘進施工中采用常規光面爆破技術，由于其爆破技術相對粗糙等原因造成隧洞掘進超挖嚴重，造成了很大的人力及物力的損耗。

1）炮孔布置太密集、炮眼數量太多、工人鉆孔作業時間太長。

2）炮孔內充滿了空氣，爆炸的應力波部分能量用于壓縮炮孔內的空氣，因此削弱了對圍巖的破碎，爆破效果不佳。

3）超挖現象嚴重，大大增加了混凝土的使用量，造成多余物力的損耗。

4）爆破作業后粉塵濃度較大。爆破作業后需要通風 50 min 左右，通風結束后才能夠進行下一步作業，造成了很大的時間損耗。

2 水壓聚能控制爆破技術

在大溪 1# 隧洞掘進施工中遇到隧洞超欠挖嚴重、人力及物力嚴重損耗等問題，經研究決定采用新型水壓聚能控制爆破技術來解決隧洞掘進超挖嚴重等問題。

2.1 技術原理

水壓聚能控制爆破技術在原有光面爆破技術上對隧洞爆破工藝進行適當改進，炮孔中增加了聚能管裝置、水袋和炮泥［5］，如圖 1 所示。①水壓聚能控制爆破技術使用水袋和炮泥對炮孔進行堵塞；②使用部分水袋代替部分炸藥與炸藥一起裝填炮孔；③在對周邊孔進行爆破作業時孔中使用聚能管裝置，充分利用爆炸的能量對巖石進行定向的切割。

圖1 炮孔裝藥示意圖

周邊炮孔中依次放入水袋、聚能管裝置、水袋和炮泥，通過導爆管起爆［6］。聚能管裝置起爆后，聚能槽產生的高強射流足以在巖石上切割出裂縫，在相鄰炮孔的切線上形成貫通裂隙；同時利用水不可壓縮的性質，將炸藥能量全部傳遞出去，使爆破產生的沖擊波更加強烈，水在爆炸產生的膨脹作用下，形成“水楔”，作用于巖石裂隙中，加大巖石裂縫的擴展延伸。炮孔處由炮泥和水袋組成的封堵形式，阻止爆炸性氣體從炮孔噴出，減少了爆炸能量的損失，使得爆炸能量得以充分利用。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。

2.2 技術原理

相較傳統周邊孔光面爆破，周邊孔水壓聚能控制爆破主要增加了以下 3 道工藝流程。

2.2.1 聚能管裝置

聚能管裝置主要由聚能管、炸藥、傳爆線、起爆雷管 4 部分構成，聚能管是一種抗靜電的異形雙槽 PVC 管。管長 2、2.5、3 m 不等，聚能管如圖 2、圖 3 所示。聚能管的長度一般約占炮孔的 70 % 左右，兩個一樣的半壁管組合形成一個完整的聚能管，PVC 聚能管壁厚度為 2 mm，聚能管的每個半壁管都有一個凹進去的聚能槽，其聚能槽頂角為 70°，管內兩個聚能槽頂部相距 17.27 mm，半壁管的寬度為 24.18 mm，組成的聚能管寬度為 28.35 mm，兩半壁管可調角度為 8°～10°［7］。所填炸藥為乳化炸藥，炸藥的截面即為聚能管內部的截面。每延米裝藥量按照圍巖變化及設計參數加以適當的改變。

圖2 截面尺寸圖（單位：mm）

圖3 聚能管圖

2.2.2 水袋制作

水袋通常采用聚乙烯塑料水袋或者尼龍水袋，在塑料袋中灌入水，用封裝機密封制成密封水袋，一般長度為 200～300 mm，直徑為 35～40 mm，安裝時把已制作好水袋填入炮孔底部和中部位置，水袋可由炮孔水袋自動封裝機制作，水袋封裝機工效為 700 袋/h。制作好的水袋如圖 4 所示。

圖4 自制水袋

2.2.3 炮泥制作

炮泥采用河砂、黏土、水由炮泥機完成拌制，比例為砂∶土∶水=0.1∶0.75∶0.15，炮泥機擠出的這個比例的炮泥規格統一、軟硬適中、質地均勻、表面光滑，速度快捷，易于安裝。制作時前現將土、砂過篩，過篩的篩孔為 5 mm×5 mm 左右，不得有 1 mm×1 mm×1 cm 以上的石料，再把拌制的混合料加入機器中進行制作，每小時可制作出長 200 mm、直徑 35 mm 炮泥約 900 根。所用炮泥通常提前 1 h 左右制作準備完成，并做好保濕措施，如圖 5 所示。

圖5 自制炮泥

2.3 操作要點

2.3.1 聚能管裝置制作

1）把準備好的半壁管放置在操作桌面上，表面清洗干凈，保持干燥。

2）打開藥卷的一端，再縱向切開藥卷的外包裝，把兩個處理好的藥卷沿切開處一起放入如圖 6 所示的注藥槍中，閉合注藥槍封閉蓋。

圖6 注藥槍

3）注藥槍端部的白色軟管與空壓機相連，空壓機緩慢加壓，當壓力達到 0.2 MPa 時，手持注藥槍緩慢對半壁管填充炸藥，如圖 7 所示。

圖7 注藥槍注藥

4）在一個已經填充好乳化炸藥的半壁管中加入一根比聚能管長約 10 cm 左右的傳爆線，然后與另一個處理好的管相扣在一起，固定牢靠。

5）聚能管裝置前端套上圓形定位圈，后端套上方形定位圈，便于炮孔內定位安裝。

2.3.2 水壓聚能控制爆破技術炮孔裝填次序

水壓聚能控制爆破和常規傳統光面爆破相較而言，其在周邊孔內添加了水袋、聚能管裝置及炮泥。

1）周邊孔內先放入一個提前制作好的水袋；

2）放入聚能管裝置，其底部要緊靠已裝好的水袋，約為整個炮孔的 70 % 左右，使其聚能槽方向與隧洞輪廓線方向保持一致；

3）再放入 2 個制作好的標準水袋，如圖 8 所示；

圖8 炮孔內裝填次序

4）水袋至炮孔口用預制好的炮泥封堵，用木質炮棍將封堵炮泥搗實，完成后應確保所有炮孔堵塞長度＞20 cm，以確保爆破能量不會從炮孔口損失，提高爆破能量的利用率。

2.3.3 水袋和炮泥制作要點

充水塑料袋由塑料制造商專門加工供應，通常為聚乙烯材質。水袋封口是制作過程中的關鍵步驟，水的體積為水袋體積的 90 % 較為適宜，裝水時不應過滿，水袋口應密封。在儲存和搬運過程中，水袋可能會發生稍微變軟的現象，這屬于正常現象不會影響裝填和使用中的爆破效果。水袋灌注盡量避免空氣進入，這樣可減少水袋與炮孔間距，減少爆破能量損失。

炮泥的主要成分是黏土和細砂，先使用過篩方式將混在其中的小塊石頭揀出清除，再將其與水混合攪拌。炮泥應符合一定的比例，炮泥含砂率控制在 10 %，含水率控制在 15 %，這樣配比的炮泥效果更好。如果含砂率過大，將不利于炮泥成形，如果含砂率過小，將導致炮泥所占比重降低。如果含水率較大，炮泥將會較軟，如果含水率較小，將無法起到黏合及降塵等作用。

2.4 爆破效果

周邊孔水壓聚能控制爆破大大提高了炸藥的有效能量利用率，打眼數僅為常規爆破的一半，降低了人員成本，節約了材料成本。炮孔中的水袋在爆破中產生的“水楔”作用，再次破碎炮孔周邊巖體，減少巖石的大塊率，便于出渣。隧洞成型好（見圖 9），超欠挖控制得當，混凝土回填成本大為降低，節約了施工成本。爆炸后水被大量霧化，吸附了爆炸時產生的粉塵及氣體等有害物質，減少了通風時間，保護了人身健康。

圖9 成型隧洞圖

3 技術經濟效果分析

3.1 技術效果分析

通過對常規光面爆破與水壓聚能控制爆破的爆破參數及效果統計如表 1 所示，研究分析表明水壓聚能控制爆破在爆破效果上具有明顯的優勢。

表1 技術效果對比表

3.2 經濟效果對比

在同樣環境下，分別統計研究了常規光面爆破與水壓聚能控制爆破的爆破效果，研究結果表明應用水壓聚能控制爆破技術獲得了較好的經濟效果。

根據傳統光面爆破和水壓聚能控制爆破的爆破效果對比發現，在同樣條件下，水壓聚能控制爆破更具有優勢，其每個循環能多進尺 0.2 m，節省炸藥量 4 kg，最大的改進是每循環縮短了 15 min 的通風時間，減少工時消耗，節省了大量的工期。

4 結論

所采用的周邊孔水壓聚能控制爆破技術不但減少了對隧洞圍巖的擾動，確保了巖體的穩定性，還能保證開挖輪廓線的圓順、整齊，減少超挖量，加快施工進度。在施工質量、施工進度、生產成本等方面取得的經濟效益和社會效益顯著。

1）開挖輪廓線圓順、整齊，降低對隧洞周圍巖體的擾動，有效控制超挖現象，節約了混凝土的成本。

2）周邊孔開孔率可減少 50 % 左右，減少了鉆孔與出渣的勞動力與時間，節約了炸藥等材料成本。

3）每循環縮短了 15 min 的通風時間，減少工時消耗，節省了大量的工期。