勐省隧道周邊孔聚能水壓爆破試驗研究

李興全，蔣新聞，陳志偉，張丕云，柏克超

（云南交投公路建設第六工程有限公司，昆明 650034）

公路隧道作為一種基礎交通設施，在改善公路路型、縮短騎車行駛距離、提高運輸能力和減少交通事故等方面有重要作用[1]。目前，國內較為常用的隧道開挖方法為光面爆破法。但是傳統的光面爆破法在進行鉆孔作業時，由于圍巖巖性情況、節理裂隙分布情況等問題，導致實際開挖的輪廓線與設計的輪廓線不能完全一致，其中超出設計輪廓線的部分被稱為“超挖”，達不到設計輪廓線的部分被稱為“欠挖”[2]。超欠挖現象的存在，一方面大大影響了隧道的安全性，過于嚴重的超欠挖可能會引起隧道的坍塌；另一方面，對于出現超欠挖現象的部分，常常需要支出更多的費用進行隧道支護和混凝土襯砌，提高了施工成本。而聚能爆破技術作為一門比較新穎的技術，一方面可以保護圍巖，降低超欠挖，從而達到使輪廓線光滑平整以及保證圍巖穩定性的目的[3]。20世紀90年代何廣沂教授首次提出的水壓爆破技術[4-6]，即在炮孔中一定位置放入若干水袋，然后利用爆破時水產生的“水楔”和“水霧化”作用破碎圍巖，以及降低爆破粉塵[7]。若將水壓爆破技術與聚能爆破技術結合使用，既可以利用“水楔”作用強化聚能射流，使爆破初始裂隙定向延伸，又可以利用“水霧化”作用控制爆破粉塵，降低施工對環境的污染及對工作人員身體健康的損傷[8]。目前，專家學者們已經在聚能水壓爆破領域做出了不少研究[9-13]。

綜上，專家學者們大多都是以聚能藥包為基礎開展的聚能水壓爆破研究，但是在以切縫藥包為基礎的聚能水壓爆破方面研究較少。因此本文于云南省臨滄市滄源縣勐省鎮正在進行開挖的勐省隧道中開展了切縫藥包聚能水壓爆破試驗，希望為類似的隧道掘進工程提供參考。

1 工程概況

勐省隧道位于云南省臨滄市滄源縣勐省鎮境內，其進口端位于勐省鎮金江水泥廠1 km處，出口端位于勐省鎮芒陽村。該隧道底寬12.43 m、頂高7.41 m，采用非仰拱全斷面開挖，斷面面積76.35 m2，隧道按單幅計全長7 183 m。現場施工隊施工時采用全斷面開挖法。施工區域超欠挖現象較為嚴重，在圍巖支護及混凝土襯砌時花費了較大的人力物力。且爆破后粉塵濃度較高，對施工人員的身體健康會造成損傷。施工隊施工平臺采用二襯臺車，鉆孔采用YT28汽腿式鑿巖機，塑料導爆管毫秒雷管微差爆破開挖，周邊輪廓采用光面爆破與預裂爆破相結合技術。當地施工隊在隧道周邊孔采用連續裝藥，段別15，單孔裝藥2~3卷，炮孔長短間隔，短孔孔深1.5 m，長孔孔深3 m，孔徑40 mm，未采用炮泥填塞；炸藥選用二號巖石乳化炸藥；雷管選用毫秒管；掏槽方式為楔形掏槽，實際施工中無空孔。目前施工隊組的炮孔布置方案如圖1所示。

圖1 全斷面開挖炮孔布置圖

隧道上斷面共布置120~130個炮孔，實際炮孔數以現場施工情況為準，存在多打孔或少打孔的情況。

2 聚能水壓爆破技術

2.1 切縫藥包破巖機理

切縫藥包爆破本質上是通過在炸藥外殼上剖開具有不同角度、形狀和數量的切縫，切縫可以控制爆炸應力場分布和爆生氣體對圍巖的準靜態作用和劈裂作用，并以此控制被爆介質的開裂方向。切縫藥包作用過程如圖2所示。

圖2 切縫藥包爆破作用

炸藥起爆后，爆轟產物首先會作用于切縫管內壁，爆轟波反射后形成反射沖擊波，減小對非切縫方向孔壁的破壞作用。然后沖擊再在作用在孔壁上形成爆炸應力波，該應力波強度大且集中于切縫處，導致切縫處孔壁出現剪切破裂面。初始定向裂隙會使孔壁產生應力松弛現象，又可以抑制一部分切縫方向外裂紋的產生。再加上切縫槽對能量的集中效果，更加強了對切縫方向孔壁的破壞作用。而爆生氣體在切縫管的阻礙作用下也會集中于切縫處，很少部分的爆生氣體轉換為內能，多數爆生氣體以動能形式射出，并行成“刀型”聚能射流，切割聚能方向巖體并控制裂隙的延展方向。

2.2 水壓爆破原理

水壓爆破是在炮孔中加入水介質，改變裝藥結構，用一定比例的水袋取代炸藥，并且取代空氣作為新的傳能介質。水壓爆破的本質在于利用水介質的儲能作用來達到緩沖和進一步推進裂隙延展的目的。水介質一定程度上是不可壓縮的，因此爆炸產生的沖擊波和爆生氣體在經過水段時，大量能量被轉化為水的內能。由于水的密度大于空氣且小于巖石，再加上水介質的傳能作用，沖擊波會以更加均勻且強度更低的方式作用于巖體，炮孔孔壁的破壞較小，所以水介質起到了緩沖的作用。同時在初始裂隙形成后，水介質會在爆生氣體的作用下被擠壓進裂隙中。水介質會使裂隙尖端應力集中，起到了“水楔”的作用，而水在高溫作用下發生霧化反應，以此可以控制爆破粉塵的產生。

3 爆破試驗

3.1 材料參數

3.1.1 切縫管參數

切縫管用PVC管材制作，制作時將PVC管材切下1 m的部分，剩余管材中留出0.3 m的部分不進行切割，再將2.3 m的部分對半剖開，切縫開口高度為3~4 mm。PVC管管材參數見表1。

表1 PVC管管材參數

3.1.2 其他材料參數

組裝聚能藥包的其他材料包括水袋、二號巖石乳化炸藥、導爆管雷管和膠帶等。其中水袋由注水機在長條狀透明密封塑料袋中注滿水后制成，炸藥、雷管和膠帶由施工現場提供。其他材料參數見表2、表3。

表2 炸藥性能參數

表3 水袋參數

3.2 爆破參數

在隧道頂拱挑選20個炮孔作為試驗組和對照組，其中左側10炮孔為試驗組，右側10炮孔為對照組。考慮到切縫藥包組裝完成后直徑較大，與施工隊溝通后，施工隊采用φ50 mm的鉆頭進行鉆孔。兩側每2個長孔前均增設1短孔，增設短孔作為導向孔，用于增大補償空間，因此短孔均不作為試驗孔或對照孔。本次試驗中試驗組和對照組的每個長孔都裝入3卷二號巖石乳化炸藥和3個水袋，2組中的短孔都不進行裝藥。爆破參數見表4。

表4 爆破參數

3.3 周邊孔裝藥

周邊孔裝藥時，切縫藥包應在現場加工。本次試驗采用孔底起爆的方式。因此組裝藥包時，將切縫管開口端作為至于孔底的一端。在開口端以連續裝藥的方式裝入3卷二號巖石乳化炸藥，再在炸藥后連續裝入3個水袋，導爆管雷管安裝在開口端第一卷炸藥上，然后將藥包用膠帶捆綁進行固定后即可裝入炮孔，且不使用炮泥進行填塞。炮孔內裝藥示意圖及成品切縫藥包如圖3所示。

圖3 裝藥示意圖及成品切縫藥包

3.4 連線方式

試驗組和對照組使用的導爆管雷管段別均為15，2組腳線分開捆綁便于區分。

3.5 試驗效果

爆破后效果如圖4所示。試驗組區域爆破后拱頂部分平整度相對較高，存在1個明顯半孔殘痕，無明顯超欠挖現象；對照組區域爆破后，整體平整度較低，無明顯半孔殘痕，存在一定欠挖現象。

圖4 爆破效果

4 結論

（1）含水袋切縫藥包的組裝過程簡單，易于上手。僅需要在裝藥時，迅速將藥卷、水袋、雷管按順序裝入切縫管中并固定好即可進行裝藥作業。經過試驗后，現場施工隊工人已基本掌握水間隔切縫藥包的組裝工藝以及裝藥方法，證明該技術可行性強。

（2）在裝藥量、孔距和孔深等爆破參數都相同的情況下，使用切縫藥包聚能水壓爆破技術進行爆破后，頂拱輪廓線平整，且頂拱圍巖完全崩落，無明顯超欠挖現象。這說明切縫裝置首先可以有效地保護非切縫端處的圍巖，同時，切縫端可以集中爆轟產物，形成聚能射流，同時起爆后水介質會形成“水楔”作用，二者疊加下可以提高炮孔內能量利用效率，并有效控制裂隙的擴展。