水壓爆破在大斷面公路隧道開(kāi)挖中的應(yīng)用

楊治發(fā) （中鐵十六局集團(tuán)路橋公司，北京 101500）

1 工程概況

國(guó)家高速公路網(wǎng)G85重慶至昆明公路的昭通至?xí)啥喂?，該公路也是云南干線公路網(wǎng)規(guī)劃中的“七出省”通道昆明至水富公路的重要組成部分。國(guó)家高速公路G85渝昆高速公路昭通至?xí)啥胃臄U(kuò)建工程土建第1標(biāo)段位于云南省昭通市魯?shù)榭h，本標(biāo)段經(jīng)云南省昭通市昭陽(yáng)區(qū)布嘎鄉(xiāng)新街轉(zhuǎn)角樓、貴州省威寧縣玉龍鄉(xiāng)團(tuán)結(jié)村邵家院子、田邊、魯?shù)榭h江底鄉(xiāng)洗羊塘、馬宗林、小海子，止于威寧縣玉龍鄉(xiāng)中營(yíng)村小丫口。里程樁上 K0+000.85～上 K13+710，長(zhǎng)度13.850599km；隧道2座，長(zhǎng)3778m。本標(biāo)段大口子特長(zhǎng)隧道3135m，為一座雙線單洞的高速公路特長(zhǎng)隧道。隧道昭通端洞口位于直線上，會(huì)澤端洞口位于R=1410m的右偏曲線上?？v坡為-2.5%的單向坡，隧道最大埋深約229m。

2 水壓爆破原理

水壓爆破是由我國(guó)著名的爆破專家何廣沂教授研究出來(lái)的，水壓爆破原理是向爆破眼中注入一定量的水，然后用炮泥堵塞炮眼。所謂的水壓爆破是炸藥在受約束的水體內(nèi)爆炸，由于水有很好的傳遞爆炸能量的作用，用水將炸藥爆炸后的能量作用于圍巖上，使得圍巖破碎的一種爆破技術(shù)。水作為液體，它的可壓縮性很小，也就是加壓后體積變化很小，密度變化很小，恒定溫度下給一定質(zhì)量的水體加壓100MPa，這一定質(zhì)量的水密度才增加5%左右。恒溫下空氣的可壓縮性較大。由此看來(lái)，同樣質(zhì)量的炸藥爆炸釋放的能量在液態(tài)水里比在空氣中傳遞效果好，因?yàn)橛糜趬嚎s空氣做功的能量遠(yuǎn)大于壓縮水做功的能量。因此水是一種很好的傳能介質(zhì)，是空氣或其他介質(zhì)無(wú)法比擬的[1]。

水雖然加壓密度變化不大，但是還是有一定的緩沖作用的。如果炸藥直接接觸巖體爆炸，高溫高壓下的瞬間能量過(guò)于集中于部分巖石，一定范圍內(nèi)的巖石會(huì)粉碎，粉碎的這部分巖石在開(kāi)挖效果上意義不大，這部分粉碎的巖石消耗能量很大，炸藥爆炸釋放的能量算是做了一部分無(wú)用功。采用水壓爆破的方式，水能很好的傳遞能量，水的一定緩沖效果能夠均勻的傳遞爆炸釋放的能量，沖擊波會(huì)均勻的作用于巖體，使巖體不至于過(guò)于粉碎，節(jié)省能量用于破碎更大范圍內(nèi)的巖石。

3 隧道水壓爆破前的準(zhǔn)備

3.1 炮泥的制作

通過(guò)多家炮泥機(jī)比選最終選定了河南鞏義的炮泥機(jī)，本項(xiàng)目使用炮泥機(jī)的型號(hào)是PNJ-A型。制作炮泥的原料：土、砂、粉煤灰、水。土就地取材，采用普通黏土，含水率不超過(guò)8%且不含腐殖質(zhì)等雜物，土用10mm方孔篩過(guò)篩，粒徑過(guò)大則人工破碎。砂采用與澆筑混凝土相同的河砂，河砂也需過(guò)篩，除去雜物，河砂含水率亦不超過(guò)4%。粉煤灰過(guò)篩除去石子等雜物，大粒徑人工破碎，含水率不超過(guò)3%。制作炮泥要提前一天準(zhǔn)備材料，水、土、河砂、粉煤灰按重量比例配好，并攪拌均勻，有利于炮泥材料充分濕潤(rùn)。

3.2 炮泥機(jī)操作注意事項(xiàng)

①打開(kāi)電源鍵之前，把前一天制作好15～20kg的炮泥材料緩慢加入炮泥機(jī)的料斗中，加完料后打開(kāi)電源。在螺旋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)下，炮泥被輸送推壓密實(shí)到臥式螺旋桿中，然后炮泥在推送擠壓到成形器端頭成形。

②炮泥在成形端口擠出長(zhǎng)度約20～30cm切斷，這個(gè)長(zhǎng)度較為合適。

③如果炮泥容易斷裂且表面粗糙，這是含河砂量大造成的，應(yīng)及時(shí)調(diào)整黏土的比重。

④制作炮泥的過(guò)程中，時(shí)刻注意炮泥機(jī)的溫度，炮泥機(jī)的電機(jī)和減速器等都不易溫度過(guò)高，一般不超過(guò)50℃；若溫度過(guò)高立刻停機(jī)，檢查故障的根源。一般情況比如料斗中料加入過(guò)多，土的含量大且黏、沒(méi)有篩掉樹根等雜物都會(huì)造成炮泥機(jī)過(guò)熱。找出原因后等待電機(jī)冷卻后再重新開(kāi)始開(kāi)機(jī)制作炮泥[2]。

⑤炮泥機(jī)料斗有很大的撞擊聲時(shí)，應(yīng)該立刻停機(jī)，檢查材料中是否混入了較大的石塊，停機(jī)撿出石塊，然后繼續(xù)制作炮泥。

⑥新炮泥機(jī)使用一天后要進(jìn)行保養(yǎng)，更換潤(rùn)滑油等。平均500～1000h保養(yǎng)一下炮泥機(jī)。

3.3 炮泥原料配合比的調(diào)配

按照配比，土∶砂∶粉煤灰∶水=100∶6∶7∶15進(jìn)行了洞外試配加工，初次試拌出的炮泥效果不明顯，炮泥表面不光滑，而且很干燥，容易斷。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終將配合比調(diào)整為土∶砂∶粉煤灰∶水=100∶6∶8∶20。

3.4 水袋的制作

3.4.1 材料、機(jī)械的準(zhǔn)備

配置一臺(tái)“KPS-60”塑袋灌裝封口機(jī)，先將封口機(jī)開(kāi)機(jī)預(yù)熱，將購(gòu)買的水袋安裝在噴咀上，水袋灌滿后自動(dòng)熱融封口。水袋為聚乙烯塑料，厚0.8mm長(zhǎng)200mm，直徑35mm。

3.4.2 封口機(jī)制作水袋工序及要點(diǎn)

①開(kāi)動(dòng)封口機(jī)前，首先要注入水定量調(diào)整容量。

②在機(jī)器后門打開(kāi)后，調(diào)節(jié)泵連桿端頭的蝶形螺母來(lái)定罐裝水袋的容量。蝶形螺母的位移大小，對(duì)應(yīng)到泵連桿滑塊左右位置，從而調(diào)節(jié)到水袋的灌裝容量；逆時(shí)針增大，順時(shí)針減小。

③調(diào)節(jié)好蝶形螺母，定好水袋的罐裝容量后，擰緊螺母，防止由于機(jī)械等震動(dòng)使螺母松動(dòng)，罐裝容量會(huì)受到不同程度的影響，有可能損壞調(diào)整桿。

④打開(kāi)電源，指示燈亮，設(shè)定初始溫度為130℃，然后逐步升高溫度。由綠燈變?yōu)榧t燈時(shí)，即達(dá)到所調(diào)節(jié)的封口溫度。

⑤在灌注水袋封口之前，先把主令開(kāi)關(guān)打開(kāi)，空轉(zhuǎn)機(jī)器兩次，讓計(jì)量泵內(nèi)吸滿水，空氣排干凈以后，把主令開(kāi)關(guān)關(guān)掉。用雙手拇指和食指夾住空塑料袋套在出料管口上，打開(kāi)開(kāi)關(guān)就自動(dòng)灌注水袋并封口。

4 隧道水壓爆破的設(shè)計(jì)

水壓爆破區(qū)別于傳統(tǒng)的光面爆破在于裝藥結(jié)構(gòu)和堵上炮眼有所區(qū)別。采用水壓爆破時(shí)，炮眼的布置、深度、數(shù)量、時(shí)間間隔、起爆順序以及掏槽形式與常規(guī)爆破基本一樣。水壓爆破所不同的是在每個(gè)炮眼中增加了水袋和炮泥，裝藥量減少和裝藥結(jié)構(gòu)有所變化。根據(jù)何廣沂教授提出的一般的山嶺隧道的水壓爆破水袋的累計(jì)長(zhǎng)度與炮泥回填封堵長(zhǎng)度為3∶4。為了降低粉塵，有利施工人員健康，增加炮眼中水的比例有利于降低粉塵，即水袋的累計(jì)長(zhǎng)度與炮泥回填封堵長(zhǎng)度為1∶1（掏槽眼1.5∶1）。大口子隧道出口，圍巖為IV級(jí)圍巖，采用上下臺(tái)階法施工，上斷面開(kāi)挖面積約55m2。常規(guī)爆破進(jìn)尺2.7m一個(gè)循環(huán)，水壓爆破2.9m一個(gè)循環(huán)；水壓爆破在山嶺隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中節(jié)省炸藥，加快開(kāi)挖進(jìn)度。

5 水壓爆破效果

①安全上：水壓爆破破碎效果好，光面效果好接近隧道設(shè)計(jì)的輪廓線，圍巖受力合理，自穩(wěn)效果好，有效的減少塌方，增加了施工的安全性，減小了排險(xiǎn)難度，減少了排險(xiǎn)時(shí)間，加快了施工進(jìn)度。

②質(zhì)量上：由于水壓爆破超欠挖少，開(kāi)挖輪廓均勻使得二襯防水板得到很好的貼合巖面，不易被凸起的圍巖在澆筑二襯時(shí)候劃破，保證了二襯的厚度均勻，二襯內(nèi)力分布符合設(shè)計(jì)要求，提高了隧道的施工質(zhì)量。

③成本上：水壓爆破節(jié)約用藥量，節(jié)約隧道施工一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)的時(shí)間，節(jié)約了工期；通風(fēng)時(shí)間減少，用電量勢(shì)必減少，節(jié)約了施工成本。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得知，每循環(huán)炸藥和原來(lái)使用炸藥為168kg，現(xiàn)在采用水壓爆破后節(jié)省炸藥32kg左右，節(jié)省了近19%的炸藥。

④環(huán)境上：由于炮眼最底部有水袋，水袋經(jīng)過(guò)爆破后，其霧化降塵作用效果明顯好。以前全天洞內(nèi)通風(fēng)空氣非?；鞚幔褂盟畨罕坪髷?shù)10min后視線良好，也沒(méi)有明顯的炮煙味，特別是像這種長(zhǎng)大隧道，緩解了因爆破所產(chǎn)生的粉塵多、通風(fēng)困難的壓力，施工條件得到改善且利于提高施工功效。

⑤經(jīng)濟(jì)上：縮短工序時(shí)間。以前放完炮通風(fēng)要30min，現(xiàn)在15min通風(fēng)即可施工下道工序；節(jié)省了炸藥，以前上臺(tái)階使用炸藥共168kg/循環(huán)，現(xiàn)在采用水壓爆破后使用炸藥136kg/循環(huán)，節(jié)省炸藥32kg，節(jié)省率達(dá)到19%；電費(fèi)，每天節(jié)省用電66度，每天節(jié)省132元；降低了粉塵、減少了機(jī)械設(shè)備損耗率。綜合分析每次節(jié)省開(kāi)支達(dá)到750元，每天節(jié)省1500元，每月節(jié)省開(kāi)支45000元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)在隧道施工中的實(shí)際應(yīng)用充分證明了該項(xiàng)技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，節(jié)約資源，對(duì)保護(hù)環(huán)境起到了良好的推動(dòng)作用，尤其是對(duì)環(huán)境保護(hù)要求比較高的施工工地。在水壓爆破過(guò)程中，炸藥能量利用率提升了，用藥量減少，提高了經(jīng)濟(jì)效益，一定程度上改善了隧道施工作業(yè)環(huán)境，有利于施工人員的健康。