水壓光面爆破在老格山隧道開挖中的應(yīng)用

劉俊杰

(中鐵十局集團第二工程有限公司，河南 鄭州 450000)

水壓光面爆破在老格山隧道開挖中的應(yīng)用

劉俊杰

(中鐵十局集團第二工程有限公司，河南 鄭州 450000)

為解決云南地區(qū)灰?guī)r隧道溶蝕破碎嚴(yán)重，開挖爆破超挖、補炮次數(shù)較多，爆破后粉塵體積質(zhì)量較大，洞內(nèi)空氣質(zhì)量不佳，影響作業(yè)人員身體健康等難題，在隧道開挖掘進(jìn)施工中引入水壓爆破，在炮眼一定位置處注入一定量的水，炮孔采用特制炮泥進(jìn)行堵塞。通過工程實踐總結(jié)，調(diào)整光面爆破鉆爆參數(shù)，得到最佳爆破效果，有效地降低了粉塵體積質(zhì)量，改善了洞內(nèi)空氣質(zhì)量，提高了光爆效果和開挖循環(huán)進(jìn)尺，相較于常規(guī)爆破有較大的優(yōu)勢。

灰?guī)r隧道；老格山隧道；水壓爆破；鉆爆設(shè)計；裝藥結(jié)構(gòu)；成效分析

0 引言

目前，我國隧道的施工現(xiàn)狀是：1)隧道爆破掘進(jìn)炮眼無堵塞，炸藥爆破能量損失嚴(yán)重；2)隧道開挖爆破后，粉塵體積質(zhì)量較大，造成洞內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，危害人體健康；3)超欠挖嚴(yán)重，影響施工質(zhì)量，增加成本。為改善目前隧道開挖施工存在的問題，在隧道開挖中引入隧道水壓爆破掘進(jìn)施工新技術(shù)。該技術(shù)的研究開發(fā)始于何廣沂教授2002年的 “隧道掘進(jìn)和城市露天開挖水壓爆破技術(shù)”，同年，該技術(shù)通過了省級鑒定。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,實現(xiàn)了淺孔爆破的工藝技術(shù)創(chuàng)新,為國際先進(jìn)水平[1]。

水壓爆破在國內(nèi)多條新建鐵路隧道中已經(jīng)開始應(yīng)用，在降低粉塵體積質(zhì)量、節(jié)省炸藥及增加循環(huán)進(jìn)尺等方面取得了一定成效，但在灰?guī)r破碎地段和光面爆破中卻未予涉及。云桂線老格山隧道洞身穿過的地層以白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r為主,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶強烈發(fā)育的特點，以及開挖采用全斷面光面爆破的實際情況，決定在隧道掘進(jìn)中采用水壓光面爆破施工技術(shù)，并結(jié)合光面爆破和水壓爆破對灰?guī)r破碎圍巖隧道開挖爆破效果及經(jīng)濟效益進(jìn)行分析。

1 水壓爆破機制

隧道掘進(jìn)水壓爆破是在炮眼中一定位置處注入一定量的水，然后用專門的炮泥機生產(chǎn)炮泥回填堵塞[2]。由于炮眼中有水，而水具有壓縮性極小、變形能低、熱能損失小等特性，在水中傳播的水激波能夠按照水的“液壓”作用，較均勻地、幾乎不受損失地把能量傳遞到炮眼圍巖中。另外,在水激波做功的同時，被爆炸氣體沖擊壓縮的高壓水?dāng)D入爆生裂隙中,形成“水楔”，這種“水楔”的尖劈作用更加加劇了裂隙的延伸和擴展,使破碎塊度更均勻；同時,炮眼中的水在高溫高壓下被霧化,充分吸收了有毒、有害爆生氣體及粉塵,起到了霧化降塵的作用,大大降低了粉塵對環(huán)境的污染,改善了洞內(nèi)空氣質(zhì)量[3]。

2 隧道掘進(jìn)水壓光面爆破[4]的鉆爆設(shè)計

水壓光面爆破采取與光面爆破相同的設(shè)計[5]，只是在裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔堵塞上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2.1 爆破器材及設(shè)備

施工中常用的爆破器材有：直徑為32 mm的防水乳化炸藥、電雷管、導(dǎo)爆管雷管和導(dǎo)爆索；專用設(shè)備有：KPS-60 水袋封裝機和PNJ-A 炮泥機。

2.2 光面爆破參數(shù)的確定[6]

2.2.1 周邊眼間距E

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，炮眼直徑d=42 mm，周邊眼間距E根據(jù)經(jīng)驗公式E=(8～12)d(d為炮眼直徑)[7]取值，取E=50 cm。

2.2.2 不耦合系數(shù)與光爆層厚度

生產(chǎn)實踐表明，增大不耦合系數(shù)、采用空氣間隔裝藥可以消除壓碎破壞，控制放射狀裂隙的產(chǎn)生，提高炮孔的殘留率。根據(jù)最小抵抗線W[4]與炮孔間距的關(guān)系，最小抵抗線W=(1.0～1.5)E=50～75 cm。

2.2.3 周邊眼延米裝藥量

周邊眼裝藥量q=cWE=0.06～0.16 kg/m。式中c為爆破系數(shù)，在通常情況下，c=0.2～0.5 kg/m3。

2.3 水壓鉆爆設(shè)計

在老格山隧道Ⅱ級圍巖開挖施工中，結(jié)合原有非水壓爆破參數(shù)，通過現(xiàn)場多次水壓光面爆破試驗，減少了常規(guī)爆破中的掘進(jìn)眼、掏槽眼、擴槽眼、輔助眼、二臺眼和底板眼的裝藥量，每孔裝藥量減少0.2 kg，內(nèi)圈眼平均裝藥量減少 0.1 kg。水壓爆破裝藥參數(shù)見表1，水壓爆破炮眼布置見圖1。采用水壓爆破時，掏槽形式、炮眼布置、炮眼數(shù)量、炮眼深度、起爆順序及時間間隔等參數(shù)設(shè)計與常規(guī)爆破完全相同[8]，所不同的是在每個炮眼中增加了水袋和炮泥，裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)也有所不同。

表1 水壓爆破裝藥參數(shù)Table 1 Charging parameters of hydraulic blasting

注：開挖斷面面積116.7 m2，設(shè)計爆破進(jìn)尺3.5 m，總裝藥12.85箱。

2.4 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

2.4.1 周邊眼

采用空氣間隔、不耦合裝藥，導(dǎo)爆索起爆，將導(dǎo)爆索插入孔底藥卷內(nèi)，炸藥均勻分布裝入炮孔內(nèi)。為克服底部炮眼的阻力，一般將底部藥量稍微加大，將其余炸藥按10 cm/節(jié)均勻布置。裝藥前先在炮眼孔底裝入1節(jié)長約20 cm的水袋，并在裝藥結(jié)束后距孔口80 cm處再裝入2節(jié)水袋，最后進(jìn)行炮泥堵塞。周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4.2 掏槽眼

掏槽眼采用斜眼掏槽，與開挖面間的夾角見圖1(b)，采用連續(xù)耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。裝藥前先在炮眼孔底裝入1節(jié)長約20 cm的水袋，并在裝藥結(jié)束后再裝入4節(jié)水袋，最后進(jìn)行炮泥堵塞,水袋及炮泥長度比宜為3/4。掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4.3 掘進(jìn)眼、擴槽眼、輔助眼、二臺眼和底板眼等

采用連續(xù)耦合裝藥方法，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。裝藥前先在炮眼孔底裝入1節(jié)長約20 cm的水袋，并在裝藥結(jié)束后再裝入3節(jié)水袋，后進(jìn)行炮泥堵塞,水袋及炮泥長度比宜為3/4。裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(a)平面圖

(b)1-1剖面圖

圖2 水壓爆破周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖3 水壓爆破掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖4 水壓爆破掘進(jìn)眼、擴槽眼、輔助眼、二臺眼和底板眼裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

3 隧道掘進(jìn)水壓爆破成效分析

3.1 粉塵監(jiān)測

粉塵監(jiān)測采用P-5L2C 型便攜式微電腦粉塵儀，在爆破后5 min、距掌子面 20 m位置處進(jìn)行粉塵體積質(zhì)量的監(jiān)測。通過連續(xù)對5個循環(huán)常規(guī)爆破和5個循環(huán)水壓爆破的監(jiān)測(見表2)，得出常規(guī)爆破后平均粉塵體積質(zhì)量為15.98 mg/m3，水壓爆破后平均粉塵體積質(zhì)量為7.19 mg/m3，即水壓爆破比常規(guī)爆破的粉塵體積質(zhì)量降低了55%，有明顯的降塵效果。

表2常規(guī)爆破和水壓爆破對粉塵體積質(zhì)量的影響統(tǒng)計對比表
Table 2 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of dust control

測定地點工種及狀態(tài)常規(guī)爆破粉塵體積質(zhì)量/(mg/m3)水壓爆破粉塵體積質(zhì)量/(mg/m3)降低的百分比/%距掌子面20m處爆破后5min，未通風(fēng)15．757．295415．97．065616．27．335516．17．125615．957．1355平均15．987．1955

3.2 技術(shù)指標(biāo)分析

2013年4月老格山隧道在Ⅱ級圍巖段施工了50個循環(huán)，總共掘進(jìn)168 m。為了比較2種方法的效果，在水壓爆破中常規(guī)爆破也間隔施工了25個循環(huán)，掘進(jìn)79.8 m，設(shè)計掘進(jìn)進(jìn)尺均為3.5 m。常規(guī)爆破每循環(huán)實際進(jìn)尺3.1～3.3 m，平均進(jìn)尺3.192 m，水壓爆破進(jìn)尺3.5～3.6 m，平均進(jìn)尺3.528 m，水壓爆破平均每循環(huán)提高進(jìn)尺0.336 m。常規(guī)爆破的炮眼利用率為 86.27%，而水壓爆破的炮眼利用率達(dá)到了95.35%，通風(fēng)排煙由過去的35～45 min縮短至15 min以內(nèi)。由此可見，水壓爆破在增加循環(huán)進(jìn)尺、縮短通風(fēng)時間、加強光爆效果等方面的優(yōu)勢是十分明顯的。

3.3 經(jīng)濟指標(biāo)分析

根據(jù)常規(guī)爆破和水壓爆破的現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，在相同開挖斷面面積、炮眼布置和鉆孔深度的前提下，水壓爆破比普通爆破每循環(huán)多開挖0.336 m，每循環(huán)節(jié)省炸藥21.7 kg，每爆破1 m3巖石節(jié)省炸藥0.14 kg(見表3)，最為顯著的是通風(fēng)降塵時間縮短了20～30 min，經(jīng)濟指標(biāo)分析如下。

表3常規(guī)爆破和水壓爆破炸藥消耗統(tǒng)計對比表
Table 3 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of explosives consumption

指標(biāo) 常規(guī)爆破水壓爆破差值平均循環(huán)進(jìn)尺/m3．1923．5280．336每循環(huán)炸藥消耗/kg330．1308．4-21．7每延米炸藥消耗/kg103．4187．41-16．00炸藥消耗/(kg/m3)0．890．75-0．14

按Ⅱ級圍巖每月開挖160 m計算，常規(guī)爆破每循環(huán)進(jìn)尺3.192 m，需要開挖50個循環(huán)，水壓爆破每循環(huán)進(jìn)尺3.528 m，需要45個循環(huán)，火工品、人員、機械以及材料費用如表4所示，經(jīng)計算，每延米可節(jié)省費用(566 232-509 285.7)/160=355.91元。

表4 常規(guī)爆破和水壓爆破經(jīng)濟指標(biāo)對比Table 4 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of economic efficiency

4 結(jié)論與體會

根據(jù)灰?guī)r隧道裂隙發(fā)育嚴(yán)重、爆破效果差的特點，結(jié)合老格山隧道現(xiàn)場實際情況，對爆破參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使得水壓爆破新技術(shù)在灰?guī)r隧道掘進(jìn)中增加循環(huán)進(jìn)尺、加強光面爆破效果、提高炸藥利用率及降低粉塵體積質(zhì)量，對保護(hù)作業(yè)人員身心健康的作用與效果顯著增強，給隧道施工帶來了積極的影響。但是水壓光面爆破在較差圍巖地段的應(yīng)用有待于進(jìn)一步研究，對于隧道水壓爆破機制以及裝藥結(jié)構(gòu)形式對爆破效果的影響，應(yīng)有更多實踐來驗證、調(diào)整，作進(jìn)一步探索，以達(dá)到更好的爆破效果。

[1]劉友平，李義，張丕界，等.工程爆破節(jié)能環(huán)保技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國工程科學(xué)，2008(9)：41-48.(LIU You-ping，LI Yi，ZHANG Pijie，et al.New stage of the research and application of the technology about engineering blasting energy conservation environmental protection[J].Engineering Sciences，2008(9)：41-48.(in Chinese))

[2]何廣沂，段昌炎，荊山，等.節(jié)能環(huán)保工程水壓爆破研究與應(yīng)用[J].中國工程科學(xué)，2003(9)：47-52.(HE Guangyi，DUAN Changyan，JING Shan，et al.Research and application of engineering water-pressure blasting for economizing energy and environmental protection[J].Engineering Sciences，2003(9)：47-52.(in Chinese))

[3]袁國.隧道掘進(jìn)水壓爆破施工技術(shù)[J].甘肅科技縱橫，2013(12)：74-76.(YUAN Guo.Hydraulic blasting technology applied in tunneling [J].Science and Technology in Gansu Province，2013(12)：74-76.(in Chinese))

[4]郭進(jìn)平，聶興信.新編爆破工程實用技術(shù)大全[M].北京：

光明日報出版社，2002：883-884.(GUO Jinping,NIE Xingxin.A complete collection of blasting technology[M].Beijing：Guangming Daily Publishing House，2002：883-884.(in Chinese))

[5]鄭鵬飛.水壓光面爆破在隧道施工中的應(yīng)用研究[J].科技資訊，2011(32)：53.(ZHENG Pengfei.Study on application of hydraulic smooth blasting in tunneling [J].Science and Technology Information，2011(32)：53.(in Chinese))

[6]鐵建設(shè)【2010】241號 高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南 [S].北京：中國鐵道出版社,2010：58.(Tie Jian She 【2010】No.241 Technical guide for construction of high-speed railway tunnels[S].Beijing: China Railway Publishing House,2010：58.(in Chinese))

[7]歐陽燕，付楊果.隧道掘進(jìn)中的水壓爆破技術(shù)[J].北方交通,2011(8)：63-65.(OUYANG Yan，F(xiàn)U Yangguo.Application of water blasting in tunneling[J].Northern Communications,2011(8)：63-65.(in Chinese))

[8]張友勇.隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)應(yīng)用與效果[J].隧道建設(shè)，2007,27(5)：71-73.(ZHANG Youyong.Application and effect of hydraulic blasting technology in tunnel driving[J].Tunnel Construction，2007,27(5)：71-73.(in Chinese))

長株潭城際鐵路“洞穿”湘江

2014年10月16日，長株潭城際鐵路綜合I標(biāo)湘江隧道開福寺站至濱江新城站區(qū)間左線順利貫通，“城鐵I號”大直徑土壓平衡盾構(gòu)在開福寺路地下30 m破土而出，標(biāo)志著長株潭城際鐵路成功穿越湘江。

長株潭城際鐵路湘江隧道是我國首條土壓平衡盾構(gòu)鐵路隧道，也是國內(nèi)首個采用大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工的過江隧道。開福寺站至濱江新城站區(qū)間長2 710.7 m，其中穿越湘江段1 100余m。地面建筑物密集，交通繁忙，盾構(gòu)穿越湘江段地質(zhì)復(fù)雜多變、覆土淺，同時還要下穿湘江東西大堤、銀盆嶺大橋主橋等高風(fēng)險地帶，施工難度全線第一。

長株潭城際鐵路湘江隧道使用的盾構(gòu)直徑達(dá)到了9.34 m，是國內(nèi)目前斷面最大的復(fù)合式土壓平衡過江盾構(gòu)，是專門用于穿越湘江隧道施工的利器。2012年9月12日區(qū)間左線盾構(gòu)“城鐵I號”始發(fā)，先后成功穿越了湘江防洪大堤、湘江銀盆嶺大橋主橋、江中地質(zhì)鉆孔地段和江中復(fù)雜地質(zhì)段。

預(yù)計到2016年底，全長12.5 km的湘江隧道將實現(xiàn)全線貫通，這將為長株潭城鐵實現(xiàn)長沙火車站以西的線路2017年完工提供有利條件。

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=f2dc24e4-1e45-4d95-a0b5-fcfcf5623bda&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-10-17)

我國最大地下共同管溝項目內(nèi)部驗收完畢

2014年10月14日，由上海隧道工程有限公司承建的國內(nèi)最大地下共同管溝工程——天津于家堡共同溝一期工程順利通過內(nèi)部竣工驗收，未來該金融區(qū)總長達(dá)數(shù)百km的地下管線將“集中收納”在“共同溝”內(nèi)，將徹底改變傳統(tǒng)管道各自建設(shè)、各自管理的凌亂局面。

天津于家堡綜合地下空間開發(fā)項目建成后有望成為世界上最大的地下交通商業(yè)空間，其總建設(shè)面積達(dá)400萬m2，規(guī)模相當(dāng)于20座天津環(huán)球金融中心大廈。其中，負(fù)責(zé)該項目管線收納的“共同溝”項目位于地下負(fù)一層，全長約865.2 m，將容納于家堡金融區(qū)內(nèi)所有供熱主干管道、給水主干管道和電力電纜等市政管線(除雨污水及燃?xì)夤艿?，與地下車行系統(tǒng)外圈形成巨大的“C形”。

項目建成后，金融區(qū)市政管線將通過主溝接入各相應(yīng)支溝，再接入單體建筑設(shè)備用房，滿足金融區(qū)分期開發(fā)的市政配套需求，避免道路的反復(fù)開挖，便于后期管線升級，同時也可大大延長管線壽命。

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=669f3f65-0cb3-42b9-ae30-dde1e820220e&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-10-27 )

ApplicationofHydraulicBlastinginExcavationofLaogeshanTunnel

LIU Junjie

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway10thBureauGroup,Zhengzhou450000,Henan,China)

Tunnels located in limestone area in Yunnan province are subject to serious corrosions.In the excavation of these tunnels,problems,such as serious overbreak,multiple secondary blastings,serious dust after blasting and poor air quality in tunnel,may occur.Therefore,hydraulic blasting,which includes the injection of some water into the blast holes and stemming the blast holes with special materials,is adopted in the excavation of Laogeshan tunnel located in limestone in Yunnan province.During the tunnel excavation,the parameters of the hydraulic smooth blasting are optimized.In the end,optimum blasting effect has been achieved,the content of dust has been minimized,the air quality in the tunnel has been improved and the excavation rate has been enhanced.Compared to the conventional blasting methods,the hydraulic blasting method described has obvious advantages.

tunnel in limestone; Laogeshan tunnel; hydraulic blasting; drilling and blasting design; charging structure; effect analysis

2013-09-09;

2014-10-18

劉俊杰(1984—)，男，河南潢川人，2007年畢業(yè)于河南城建學(xué)院，土木工程專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)主要從事云桂鐵路云南段四標(biāo)鐵路施工工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.012

U 455.6

B

1672-741X(2014)11-1087-05