多向聚能水壓光面爆破在隧道施工中的應用

摘要：以某工程為背景，闡述多向聚能管在工程中的應用效果。實踐證明，多向聚能水壓光面爆破更能夠解決Ⅳ、Ⅳ軟弱圍巖的爆破施工的超欠挖問題，有效保護圍巖，節約炸藥使用量，降低成本。

關鍵詞：聚能爆破；隧道；開挖；圍巖

0" "引言

隧道施工為了獲得較平整的開挖輪廓線，當圍巖結構為石質圍巖時，多采用爆破施工。炸藥在巖石中爆破時能量沿炸藥表面法線方向釋放，只有少部分用于破碎巖石，而大部分能量都消耗在產生空氣沖擊波、地震波、噪聲和飛石等有害效應方面。

可利用改變炸藥的形式，調整增加炸藥外表面的凹槽，來提高炸藥局部破壞作用的效應稱為聚能效應。同時充分利用炸藥的聚能效應，結合隧道圍巖定向爆破、定向保護的需求，將常規爆破工藝進行改進，調整爆破結構，能夠起到減少鉆孔數量、提高光爆效果、降低對圍巖擾動，切實降低隧道初支的超挖超耗。

1" "爆破原理

聚能爆破主要是充分利用炸藥的聚能效應，也就是炸藥是聚能爆破的能源，因此炸藥的性能是影響聚能威力的根本因素。當聚能管爆炸時，爆破能量沿炸藥表面法線方向釋放，在聚能槽位置處高速壓合和碰撞，產生集中的高速運動射流。而常規爆破沿表面方向釋放，不僅僅是隧道輪廓線方向，還包括需要保護的圍巖方向，因此可能導致軟弱圍巖進一步破壞，在藥包集中段形成更大超挖，在空孔段形成欠挖。多向聚能爆破與常規爆破能量釋放對比如圖1所示。

水壓光面爆破在傳統光面爆破基礎上，在周邊眼中填塞了水袋，然后用專用炮泥封堵炮眼。利用水的不可壓縮性，使得爆破應力無損傳遞。水在爆破能量的作用下產生“水楔”效應，有利于巖石破碎，產生水霧還有利于降塵。聚能水壓光面爆破就是將以上兩者結合，它可充分發揮兩者的高效、節能、環保等優點，解決隧道開挖光面爆破超欠挖控制不理想、工作量大、支護成本高等問題。

2" "常規光面爆破存在的問題

國內隧道爆破開挖多采用光面爆破，但針對Ⅳ、V級圍巖開展的光面爆破有較少的成功案例。一般光面爆破多為常規藥卷，采用紅線間斷裝藥，常規光面爆破常存在以下幾個問題：①周邊孔布孔過密，鉆孔作業時間長[1]；②周邊孔中藥卷爆破能量集中，破壞圍巖整體完整性，甚至會造成塌方；③周邊孔中藥卷區段易出現超挖，從而引起初支混凝土超耗；空孔區段出現欠挖，處理難度大，費工費時；④爆破能量不能充分的利用，炸藥利用率低。⑤爆破時產生大量有毒有害氣體和粉塵，破壞作業環境；⑥裝藥結構復雜，操作不便。

3" "多向聚能管在工程中的應用

3.1" " 工程概況

新建張吉懷鐵路9標2分部起止里程為DK203+000～DK213+670，線路全長約10.67km，工程地點位于懷化市麻陽縣、鶴城區境內。管段內隧道長度共計9602m， 巖性主要以泥質粉砂巖、粉質黏土為主。圍巖類型以Ⅳ級、Ⅴ級為主，Ⅳ級圍巖5971m，占比63.3%，Ⅴ級圍巖2240m，占比23.8%。

3.2" " 多向聚能管的構成

為充分發揮炸藥爆破自身存在的聚能效應，將爆破應力集中到需要釋放的方向，在連續裝藥的基礎上設置三向聚能槽，以最大發揮爆破里的剪切破壞作用，在需要保護圍巖的方向設置緩沖層，以減弱爆破力對圍巖的影響。隧道爆破用高效聚能管主要由管體、管蓋兩部分組成，如圖2所示。

管體直徑26mm，內徑尺寸15mm，聚能槽為70°，采用PVC在廠內加工。設置有三向聚能槽，分別沿圍巖爆破方向及向隧道斷面內方向。針對圍巖等級或軟硬不一所產生的裝藥量不同，設置裝藥調整區。管體結構如圖3a所示。管蓋主要為固定封閉乳化炸藥所用，同時為了減少炸藥爆破沖擊力對圍巖的影響，在蓋體設置泡沫緩沖層，以延緩沖擊時間，削弱瞬時沖擊力。管蓋結構如圖3b所示。

聚能管采用廠制成品加工而成，在聚能管加工車間采用二次炸藥加工。采用注藥槍注入管體內，為確保適應不同圍巖的爆破[3]，同時保證聚能槽的作用發揮，注藥時必須確保覆蓋最小裝藥線。水袋采用耐磨抗靜電的聚乙烯塑料材料，厚度約為0.8mm，規格35mm（直徑）×200mm（長度），采用塑料灌裝封口機加工封孔。炮泥一般選用優良黏土、中粗砂以及水，配合比為土：砂：水=0.8：0.05：0.15。

3.3" " 爆破方案設計

多向聚能管設置有聚能槽和緩沖層，以使爆破能量有方向性的釋放。多向聚能爆破與常規爆破最大區別在于周邊孔的間距和裝藥量。常規爆破周邊眼間距最大不超過55cm，如圖4所示。聚能水壓光面爆破周邊眼間距至少可布置為80cm，如圖5所示。

以隧道Ⅳ級圍巖為例，具體爆破方案如下：隧道上臺階采用楔形掏槽方式爆破，掏槽孔分上下兩層呈矩形布置，垂直深度2.5m。底板孔孔距1.5m，與掌子面垂直，周邊孔孔距按照80cm布置，最小抵抗線取為0.6m，與掌子面夾角為88°。詳細參數如表1所示 。

3.4" " 多向聚能爆破裝藥結構

為了使爆破能量得到有效的利用，節約炸藥用量，在炮孔底部安裝有整體藥卷及反向雷管引爆，炮孔口位置處采用2節炮泥、2節水袋進行封堵。炮泥采用專用的PNJ-A型炮泥機加工而成。KPS-60型水袋采用自動封裝機加工而成。多向聚能爆破裝藥結構如圖6所示。

安裝水袋主要是利用水的不可壓縮性，使爆破能量在水中無損失傳遞到炮眼圍巖中。爆破過程中，在炸藥爆炸作用下水能產生的力，可使圍巖微小裂隙進一步擴展。產生較小的渣塊有效縮短了渣堆距離，炮眼中高壓水則可起到霧化降塵的作用。

3.5" " 裝藥控制要點

3.5.1" "聚能槽方向控制

裝藥過程中技術人員要做好監督指導，確保工人正確使用聚能管。聚能槽的方向控制是此項技術達到目標效果的關鍵，一旦錯誤不僅起不到聚能水壓光面爆破的效果，還會引起嚴重的超欠挖問題。

3.5.2" "鉆孔定位及角度控制

開挖放樣要對孔位進行標識，嚴格按照孔位標識施鉆。角度控制由專人監督，杜絕工人因陋習導致鉆孔不合格或偏差過大，致使爆破效果大打折扣。

3.5.3" "裝藥規范操作

采用連續裝藥方式，按照爆破設計順序及要求將聚能管送入孔內，并且炮棍搗送的力度不宜過大，以免聚能藥卷、水袋破損，影響爆破性能。炮孔填塞要規范，不得出現漏堵或堵塞長度不足，影響爆破效果。

3.6" " 實際應用效果

3.6.1" "縮短工序時間

聚能水壓光面爆破鉆孔數量少，爆破后炮渣級配均勻，縮短了爆堆距離20%，縮短了開挖鉆孔及出渣時間，經統計每循環較普通光面爆破時間縮短至少70min，且由于鉆孔少，節約了人工成本，提高了施工效率，加快了隧道掘進進度。

3.6.2" "節省爆破材料

聚能水壓光面爆破較普通光面爆破提高炸藥能量利用率，周邊眼孔數減少了近一半，因此周邊孔處乳化炸藥、雷管及導爆索等節省了55.2%。如考慮能提高循環進尺或全斷面開挖，則節省的材料成本將更為突出。

3.6.3" "降低噴射混凝土及二襯混凝土超耗

聚能水壓光面爆破對周邊圍巖擾動較普通光面爆破小，爆破后輪廓面均勻，留存半眼率達到85%，超欠挖控制提升明顯，噴混凝土超耗節約近20%，并進一步降低了二襯混凝土的超耗量。

3.6.4" "降低有害效應

此項爆破技術結合水袋、炮泥進行填塞炮眼，保證了爆破的效果，大大削弱了爆破飛石、沖擊波、噪聲、振動及爆破煙塵等有害效應，相比傳統爆破，降振率達到63%。常規爆破爆與聚能爆破云3D圖對比如圖7所示。多向聚能爆破掌子面實物圖如圖8所示。

4" "結語

本文以某工程為背景，闡述多向聚能管在工程中的應用效果。實踐證明，張吉懷鐵路隧道開挖掘進工程中，應用多向聚能水壓光面爆破技術，有效節省了炸藥用量，壓縮了循環作業時間，改善了作業環境所，有效保護了圍巖，并有利于節能減排，具有較良好的應用前景，可為類似工程提供參考。

參考文獻

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