隧道水壓爆破施工技術(shù)

楊七正

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西太原 030032)

水壓爆破對施工技術(shù)管理有較高的要求，比常規(guī)爆破增加炮泥和水袋加工及裝填兩道工序，但采用水壓爆破施工方法可以有效降低炸藥單耗，提高炮孔利用率，增加循環(huán)進(jìn)尺速度，減少通風(fēng)排塵時(shí)間，提高空氣質(zhì)量，改善施工環(huán)境。

1 工程概況

新建鐵路張?zhí)凭€楊木柵子隧道全長5 627.5 m，最大埋深320 m，設(shè)計(jì)為雙線隧道，斷面尺寸為:Ⅱ級，Ⅲ級圍巖分別為83.362 m2和94.92 m2。該隧道出口洞身掘進(jìn)，Ⅱ級，Ⅲ級圍巖采用全斷面法施工;Ⅳ級，Ⅴ級圍巖采用臺階法施工，爆破方法采用水壓爆破。

2 爆破設(shè)計(jì)

2.1 爆破器材選用

根據(jù)施工中常用爆破器材的種類結(jié)合本地火工品庫存情況，選用以下爆破器材。1)瞬發(fā)非電毫秒雷管、導(dǎo)爆管連接、擊發(fā)槍起爆。2)1，3，5，7，9，11，13 段非電毫秒雷管。3)巖石硝銨膨化炸藥、巖石粉狀乳化炸藥，炸藥規(guī)格22 cm×φ32 mm，200 g/管。4)導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆管起爆、網(wǎng)路連接或光面爆破。

2.2 光爆孔參數(shù)確定

1)周邊眼間距E。當(dāng)爆孔孔徑D=42 mm時(shí)，周邊孔間距E=(10～16)D，Ⅱ級，Ⅲ級圍巖周邊眼的間距取:40 cm～55 cm。周邊眼要根據(jù)圍巖的軟硬程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，軟巖要加密，不同圍巖級別相應(yīng)增加8個～10個炮孔。2)光爆層厚度W。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，光爆層厚度W=0.5 m～0.8 m，Ⅱ級，Ⅲ級圍巖 W=55 cm。3)密集系數(shù)K。周邊眼密集系數(shù)是周邊眼間距E與光爆層厚度W的比值，是影響爆破效果的重要因素，K=E/W(K=0.8)。4)孔深 L。Ⅱ級，Ⅲ級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺深度:L=0.5×B ×0.9%=0.5×10×0.9%=4.5 m(隧道寬度 B=10 m)。根據(jù)圍巖軟硬程度，Ⅱ級，Ⅲ級圍巖每循環(huán)鉆孔取值:掏槽眼(抽芯眼)深度取4.5 m，底板眼深度取5.0 m，輔助眼深度取4.0 m，周邊眼深度取3.8 m。5)裝藥量Q。它取決于巖性、斷面積、炮孔直徑和炮孔深度等多種因素，q=1.2 kg/m3。

2.3 掘進(jìn)孔參數(shù)確定

1)掏槽眼:掏槽眼采用楔形24個炮孔，單孔裝藥量取2.8 kg。2)開挖斷面炮孔數(shù)量N的確定:炮孔數(shù)量N取決于掘進(jìn)斷面面積、巖石性能和炸藥性能。根據(jù)公式N=0.001 2qS/ad2計(jì)算出掌子面開挖所需的炮孔個數(shù)。3)單耗:根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，Ⅱ級，Ⅲ級圍巖斷面開挖取0.5 kg/m3～1.94 kg/m3。楊木柵子隧道出口Ⅱ級，Ⅲ級圍巖斷面開挖單耗取0.5 kg/m3。4)裝藥結(jié)構(gòu):周邊眼裝藥采用徑向不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，間隔藥卷采用導(dǎo)爆索串聯(lián)后連接導(dǎo)爆管再連接到起爆網(wǎng)路中。5)水壓爆破，炮孔底部藥量由水袋代替，除掏槽孔外所有炮孔要比設(shè)計(jì)少裝一管(160 g～200 g)炸藥。

2.4 堵塞長度

周邊孔、掘進(jìn)孔和掏槽孔等炮孔按照設(shè)計(jì)的單孔裝藥量裝好炸藥后裝入4節(jié)水袋再填塞炮泥封口。

2.5 起爆方法及順序

1)起爆方法:隧道爆破從掏槽眼到輔助眼至周邊眼，采用多段微差毫秒雷管起爆由里向外起爆，其中周邊眼比輔助眼要跳2段，間隔時(shí)間為25 ms～100 ms，且用同一段雷管同時(shí)起爆。2)起爆順序(采用全斷面開挖時(shí)):掏槽眼→輔助眼→周邊眼→底板眼。

2.6 Ⅳ級，Ⅴ級圍巖爆破設(shè)計(jì)

以楊木柵子隧道出口為例，該隧道Ⅳ級，Ⅴ級圍巖掌子面開挖斷面分別為99 m2和102 m2，Ⅳ級，Ⅴ級圍巖采用臺階法施工。爆破參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)圍巖的軟硬程度、開挖面積，首先考慮的是炮孔間距，尤其是周邊孔的間距。再者就是炸藥單耗、炮孔深度及輔助炮孔的個數(shù)，其他參數(shù)和Ⅱ級，Ⅲ級圍巖基本相同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，周邊孔間距一般取35 cm～45 cm。炮孔深度是根據(jù)鐵道部鐵建設(shè)［120］號文件規(guī)定，進(jìn)尺不超過一榀拱架的間距，即孔深為2.0 cm～2.7 m。掘進(jìn)炮孔個數(shù)，根據(jù)開挖面積按上述公式計(jì)算確定，圍巖軟弱程度不同，可適當(dāng)增減炮孔個數(shù)。單孔裝藥量，取炸藥單耗最小值計(jì)算。鉆孔方法、裝藥結(jié)構(gòu)、填堵工藝、敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)連接及起爆方法與Ⅱ級，Ⅲ級圍巖相同。水壓爆破同樣適用于Ⅳ級，Ⅴ級圍巖隧道，施工方法相同。

3 水壓爆破施工工藝

3.1 炮泥及水袋制作

機(jī)具:炮泥機(jī)，KPS-60型塑袋灌裝封口機(jī)。材料:普通黃土，φ35 mm水袋，保鮮膜。制作流程:1)炮泥制作:黃土過篩，去掉粗顆粒及雜質(zhì)，給篩過的黃土灑水，保存黃土的濕度，這一步叫培土。將黃土放入炮泥機(jī)內(nèi)充分?jǐn)嚢?，攪拌均勻后開始制作炮泥，制作出來的炮泥不能有裂口及裂紋，然后用保鮮膜包裝好，保持炮泥的濕度(也可不用保鮮膜)，每管炮泥長度取20 m，直徑為35 mm。2)水袋制作:將一組(3個)空水袋插入塑袋灌裝封口機(jī)水口處，開啟電源按鈕，水袋自動裝水封口，水袋制作完成。

3.2 水袋、炸藥、炮泥裝填方法及順序

炮孔按設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)及深度鉆好后，首先清除各炮孔內(nèi)的殘?jiān)b填前一定要把孔內(nèi)的殘?jiān)宄蓛?，否則水袋容易被孔內(nèi)殘?jiān)茡p。清孔后，先將炮孔內(nèi)放入1節(jié)水袋墊底(約15 cm)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的單孔裝藥量裝填炸藥，炸藥裝好后，再裝填4節(jié)水袋(60 cm)，最后裝填炮泥堵塞封口。水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

3.3 現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)小結(jié)

周邊孔，鉆孔深度3.8 m，單孔裝炸藥0.7 kg，孔底先裝1節(jié)水袋墊底后裝炸藥，采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥分別為0.5管—1管—1管—1管(3.5管)，炸藥間隔長度60 cm～80 cm，裝好炸藥后再連續(xù)裝入4節(jié)水袋，最后填塞炮泥至孔口，用木桿搗實(shí)堵緊炮泥。掏槽孔，孔深4.8 m，單孔裝藥2.6 kg～2.8 kg，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。1節(jié)水袋墊底后裝炸藥，裝藥長度2.86 m～3.08 m(13管—14管)，再連續(xù)裝入4節(jié)水袋后填堵炮泥至孔口，用木桿搗實(shí)堵緊炮泥。輔助孔，孔深4.5 m，單孔裝藥1.2 kg，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。炮孔內(nèi)先裝入1節(jié)水袋后再連續(xù)裝炸藥，裝藥長度1.32 m(6管)，再裝入4節(jié)水袋后堵裝炮泥至孔口，用木棍堵緊炮泥。掏槽孔、輔助孔等炮孔裝藥堵塞時(shí)，一定要注意填塞密實(shí)。各炮孔裝藥量要視圍巖的軟硬程度進(jìn)行適量調(diào)整，軟巖減少，硬巖增加。周邊孔間隔裝藥要均勻。炸藥采用規(guī)格為22 cm×φ32 mm，200 g/管的巖石粉狀乳化炸藥。

4 水壓爆破施工特點(diǎn)

1)水壓爆破的技術(shù)原理是利用水介質(zhì)傳遞炸藥的爆炸能量，破壞孔內(nèi)巖層。2)采用水壓爆破，開挖布孔與常規(guī)爆破鉆孔一樣，周邊眼間距取:40 cm～60 cm，其他掏槽眼、底板眼、輔助眼按正常設(shè)計(jì)鉆孔。3)隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)采取炮孔充填水袋，并用炮泥回填堵塞，提高了炸藥能量利用率，改善了爆破對環(huán)境的影響，具有可操作性，實(shí)現(xiàn)了爆破技術(shù)工藝的創(chuàng)新，改善了爆破效果，節(jié)約炸藥達(dá)17%，提高了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，由于炮孔中的水在爆炸作用下的霧化降塵作用，隧道工作面粉塵濃度比常規(guī)爆破降低了42.5%，表明顯著降低了爆破對環(huán)境的粉塵污染，具有良好的社會效益。4)水壓爆破炮泥及水袋生產(chǎn)簡單易行，生產(chǎn)成本也很低，每個隧道口，只需1臺炮泥機(jī)及1臺塑袋灌裝封口機(jī)和1個工人操作即可滿足生產(chǎn)需求。5)水壓爆破具有“三提高一保護(hù)”的顯著作用，即提高了炸藥能量利用率、提高了施工效率、提高了經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)了環(huán)境。

5 效益分析

水壓爆破與常規(guī)爆破相比，更具有顯著的“三提高一保護(hù)”的作用:實(shí)際單位用藥量降低了21.4%;每循環(huán)掘進(jìn)深度增加了0.4 m，即:常規(guī)爆破11個循環(huán)累計(jì)進(jìn)尺僅相當(dāng)于水壓爆破10個循環(huán)的進(jìn)尺，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益及更好的保護(hù)環(huán)境，降塵效果最為明顯。1)排煙降塵。降塵效果最明顯，水袋受到炸藥的爆炸后形成水汽，把灰塵顆粒附著，灰塵不易飛揚(yáng)，可節(jié)省通風(fēng)時(shí)間。2)節(jié)省炸藥費(fèi)用。采用水壓爆破技術(shù)，單位用藥量可降低21.4%。3)提高施工效率。采用水壓爆破技術(shù)，提高了炮孔利用率和施工效率。每循環(huán)掘進(jìn)深度增加了0.4 m。4)降低爆渣大塊率。由于使用水袋墊底，炮泥封口后，爆炸力充分顯現(xiàn)，且爆炸力更均勻，使得圍巖受力也更加均勻，不易形成大顆粒的渣，降低了爆渣大塊率。5)縮短了出渣時(shí)間?？s短了出渣時(shí)間，普通爆破后出渣時(shí)間為6 h～8 h，采用水壓爆破出渣時(shí)間為3 h～4 h，可節(jié)省出渣時(shí)間1倍以上。6)提高了循環(huán)進(jìn)尺速度。由于縮短了出渣時(shí)間和降低了通風(fēng)時(shí)間，增加了鉆爆時(shí)間，故提高了循環(huán)進(jìn)尺速度，每天可保證兩個循環(huán)進(jìn)尺，每月可增加5個～6個循環(huán)進(jìn)尺。7)提高了隧道棄渣的利用率。采用水壓爆破后，爆渣粒徑基本都在40 cm～50 cm以下，75%以上爆渣能滿足路基填筑粒徑要求，提高了隧道棄渣的利用率。8)提高光爆效果。采用水壓爆破技術(shù)，周邊孔爆破后的半孔壁殘留率可達(dá)98%以上，且孔壁圍巖穩(wěn)定。

6 結(jié)語

水壓爆破與以往普通爆破開挖法相比，具有顯著的“三提高一保護(hù)”的作用，即提高了炸藥能量利用率、提高了施工效率、提高了經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境，實(shí)屬一項(xiàng)“節(jié)能環(huán)?！毙捅萍夹g(shù)。