水壓爆破技術在水工隧洞施工中的應用

王來柱 WANG Lai-zhu

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，西安 710000）

0 引言

鉆孔爆破是水工隧洞修建過程中的一種常見的開挖方式，具備精細化、快捷、方便等特點。為了順應國家提出綠色環保的建設理念，作為一種的新的爆破概念，水壓爆破正在逐步應用于水工隧洞開挖建設過程[1]。

與傳統爆破開挖方法對比，水壓爆破技術核心是通過水作為傳播爆炸的主要介質，進而提高炸藥爆炸的能量利用率，同時通過形成的水霧來降低爆炸所產生粉塵對環境的影響[2]。

國內學者針對隧道中水壓爆破施工開展了較多的研究，并取得了一些有益成果。王海洋等[3]基于理論推導和數值模擬方法，揭示了水壓爆破中不同層理面位置對爆炸應力波傳播的影響規律。李真珍等[4]通過數值模擬方法分析了深部煤層水壓爆破施工過程，提出了深部煤層水壓爆破圍巖裂紋擴展規律。李立功等[5]通過信息化監測技術手段研究了隧道爆破過程中圍巖的爆破振動響應特性，提出水壓爆破可有效控制爆破振速。

目前，關于在隧道開挖中水壓爆破作用機理及其爆破效果影響因素已有一些初步的研究成果，有益推動了交通隧道的建設的發展。然而在水工隧洞施工方面，水壓爆破施工方式并不常見，一方面是水工隧洞中水壓爆破施工應用工藝尚不明晰，另一方面在水工隧洞爆破施工中水壓爆破施工方法較常規爆破施工方法的優勢未量化，故導致水壓爆破施工方法在水工隧洞建設過程中受限。因此，擬依托秦嶺輸水隧洞工程，梳理總結水工隧洞建設過程中水壓爆破施工工藝，對比分析水壓爆破方法與常規爆破方法的優劣，量化評價水工隧洞中水壓爆破施工效果。

1 水工隧洞工程概況

隧洞位于秦嶺山，主洞采用鉆爆法施工，縱向坡度為1/2500，設計流量高達每秒70 立方米。橫斷面形式為6.76m×6.76m 的馬蹄型。水工隧洞主洞圍巖地層以中粒變質砂巖為主，夾大理巖，整體屬于堅硬巖體，主洞段以Ⅱ類、Ⅲ類圍巖為主，隧洞埋深為209-439m。隧洞設計按新奧法施工，采用全斷面開挖（圖1（a））。本文采用了水壓爆破與常規爆破的開挖方案（圖1（b）），炮孔采用垂直楔形掏槽，炮孔數為104 個，設置了40 個爆破循環。

圖1 隧道工程設計圖

2 水工隧洞水壓爆破施工工藝

針對秦嶺輸水隧洞水壓爆破開挖的施工項目，結合相關規范和施工經驗，本文建立了水壓爆破開挖整體斷面施工的工藝流程（圖2）。

圖2 水壓爆破開挖的工藝流程圖

其中炮泥加工工藝與水袋加工工藝是水壓爆破工藝的核心。炮泥由黏土、水、細砂組成，三者比例為黏土∶砂∶水=0.75:0.09:0.16，將三種材料按照比例攪拌混合均勻，送入炮泥制造機進料倉，接通電源后啟動機器生產。炮泥制作直徑為35mm，制作長度則在20 至30cm 之間，炮泥制備必須保證表面光滑、具有可壓塑性變形特征。為確保最佳工作性能，建議在炮泥制作結束后務必在1 至2 小時內盡快使用。長時間擱置可能會導致炮泥失水變硬，進而造成炮眼堵塞，從而影響降塵效果。

圓柱形水袋由生活用水和聚乙烯塑料袋構成。水袋直徑為35mm，長為200mm，塑料袋厚度為0.8mm。設備啟動后，圓柱形水袋套在出水管口上，按下啟動鈕，完成自動灌水和封口過程，注意封口機封口溫度應設定130℃。進行水壓爆破的炮孔裝藥作業時，每個炮眼都需要先在眼底裝入一個水袋，然后按照爆破設計要求放入所需的藥卷。剩余的炮孔均需要按照1:1 的長度比例依次裝入圓柱形水袋和炮泥。

3 兩種爆破的用藥量對比與分析

通過現場進行不同裝藥結構的爆破試驗，對比分析常規爆破裝藥與水壓爆破裝藥的不同，具體裝藥結構見圖3。

圖3 常規爆破裝藥與三種水壓爆破裝藥結構圖

通過現場爆破試驗，結合爆破后爆破質量效果分析，提出了一種適用于水工隧洞的水壓爆破裝藥結構，其炮眼裝藥結構為炮眼底水袋與水袋、刨泥回填堵塞，其裝藥順序為：先往炮眼底部裝1 個水袋，隨之裝所需的藥卷，最后根據所剩炮孔深度的1/2 裝水袋，剩余的1/2 用炮泥堵塞。水袋、藥卷、水袋、炮泥要挨得緊密，適當搗固。

在隧洞開挖斷面爆破設計中，傳統的常規爆破設計的掏槽形式、炮眼布置、數量、深度、起爆順序和時間間隔與水壓爆破設計基本相同。但在常規爆破施工設計中的總裝藥量143.59kg，僅僅采用紙屑回填填塞炮眼；而在水壓爆破施工設計中的總裝藥量129.59kg，炮眼則采用圓柱形水袋和炮泥填塞。常規爆破與水壓爆破炮各種炮眼孔裝藥量對比結果如表1 和圖4。

表1 常規爆破與水壓爆破炮孔裝藥量對比分析表

圖4 常規爆破與水壓爆破各炮眼裝藥量對比分析圖

水壓爆破的裝藥結構與常規爆破相比，除了水壓爆破中特有的56 個水袋和126cm 炮泥之外，掏槽眼、輔助眼、內圈眼和抬底眼的每個炮眼減少裝藥0.2kg，周邊眼裝藥量不變，每循環累計節省炸藥14.0kg，降低了9.7%的炸藥使用量。

4 兩種爆破的實施效果對比分析

在圍巖級別相同的情況下，通過40 個循環隧洞水壓爆破施工和常規爆破施工研究對比分析，水壓爆破施工掘進122m，而常規爆破施工掘進比水壓爆破施工掘進長度小了16m。在每個循環中，水壓爆破、常規爆破的實際進尺分別為3.0～3.1m、2.6～2.75m，對應平均進尺分別為3.05m和2.65m。水壓爆破施工工藝較常規爆破施工工藝平均每循環提高進尺0.4m，開挖進尺效率提升了15.1%。

在水壓爆破施工中炮孔周圍巖石中發現了爆炸應力波的強度相對高，且衰減較慢，作用時間較長等特點，其原因是由于水的不可壓縮性、高密度以及較大的流動粘度，使得水中爆轟產物的膨脹速度較慢和爆炸沖擊波在水中產生的作用強度高。同時，由于水的不可壓縮性和高效的能量傳遞效率，以及炮泥和水袋的堵塞作用，使得傳遞給巖石的爆破能量分布更為均勻，更加有助于提高爆破破碎質量，并使巖體破碎程度更加均勻。（表2）

表2 常規爆破與水壓爆破效果統計分析表

通過水壓爆破可有效提高光面爆破的成型質量，基于通過統計可知常規爆破的炮眼有效利用率僅為83%，而水壓爆破的炮眼有效利用率則高達94%，因而水壓爆破的炮眼利用率顯著提高了13.3%。

炮眼中的水可以起到霧化降塵作用，大大降低了爆破產生的粉塵，使排煙速度加快，節約了風機用電，提高了循環進度。同時，水壓爆破施工工藝對爆炸后的殘渣粒徑的改善起到了重要作用，大大提高了除渣裝車的速度，且不用解炮，避免了解炮過程中產生的安全隱患。根據現場統計數據的對比研究分析結果，發現在開挖斷面面積、炮眼布置和鉆孔深度相同的情況下，水壓爆破相突出優勢指標在于：①每個循環能多開挖0.4m 進尺，②每循環可以節省炸藥14.0kg，③通風排煙時間縮短了25 分鐘。由表3 中可得，水壓爆破后粉塵濃度為8.97mg/m3，與常規爆破相比降低了47.2%。

表3 兩種爆破中粉塵濃度監測記錄與對比分析

綜上所述，水壓爆破施工不但炸藥用量少而且開挖掘進速度快，同時能夠縮短通風時間，有效地改善了洞內施工環境，從而可以實現經濟、高效、文明的水工隧洞爆破施工目標。

5 結論

通過對比分析水工隧洞中水壓爆破與常規爆破施效果對比研究，可得以下結論：

①提出了一種適用于水工隧洞的水壓爆破裝藥結構，可取得更好的爆炸效果，并降低了9.7%的炸藥使用量。

②水壓爆破施工在循環進尺方面提高了進尺0.4m，進尺效率提升了15.1%，且水壓爆破的炮眼利用率較常規爆破的炮眼利用率提高了13.3%。

③水壓爆破施工能夠縮短通風時間，有效地改善洞內施工環境，爆破后的粉塵濃度比常規爆破產生粉塵濃度降低了47.1%。

遵循國家的低碳環保的發展戰略，水壓爆破施工技術在秦嶺輸水隧洞施工中的成功應用，不但炸藥用量少、開挖掘進速度快，而且能夠縮短通風時間，有效地改善了洞內施工環境，從而實現經濟、高效、文明的水工隧洞爆破施工目標，值得推廣。