隧道水壓爆破施工技術(shù)在長(zhǎng)邯高速改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

李?lèi)?ài)軍

（山西交控集團(tuán)長(zhǎng)治高速公路分公司，山西 長(zhǎng)治046100）

1 研究背景及工程概況

1.1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)高速公路建設(shè)如火如荼，隧道在高速公路建設(shè)中所占的比重日益增大，特別是在崇山峻嶺地區(qū)尤為顯著，隧道工程因其造價(jià)高、施工難度大、工期長(zhǎng)，已成為高速公路建設(shè)的重、難點(diǎn)工程和關(guān)鍵工程。

目前，我國(guó)隧道爆破開(kāi)挖的炮眼一般都不用填充物堵塞，即使封堵，也只是用手邊的炸藥箱紙殼簡(jiǎn)單地塞入炮眼孔口，致使炸藥爆破能量損失，炸藥性能下降，炸藥消耗量增大，不利于節(jié)能降耗，而且爆破完粉塵濃度大，影響施工進(jìn)度和一線(xiàn)工人的身體健康。水壓爆破在隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)在于往炮眼底部和中部放入數(shù)個(gè)水袋，“水袋”間填充炸藥，最后用“炮泥”回填堵塞炮眼，“水袋”和“炮泥”采用專(zhuān)用的設(shè)備制作，大大減少了爆破能量的損耗，提高了炸藥能量利用率，加快了隧道施工速度，節(jié)約了成本，且在炮孔中加入水袋后，炸藥爆炸后對(duì)水起到了霧化作用，大大降低了爆炸時(shí)產(chǎn)生的粉塵，真正做到環(huán)保爆破[1]。

1.2 工程概況

長(zhǎng)邯高速改擴(kuò)建工程LJ1 合同段位于山西省黎城縣東陽(yáng)關(guān)鎮(zhèn)，起于兩省交界下灣村，經(jīng)下灣村后設(shè)上灣隧道于上灣村北側(cè)山坡通過(guò)，之后設(shè)東陽(yáng)關(guān)隧道下穿G309 既有高速，于東陽(yáng)關(guān)隧道中后段達(dá)LJ1 標(biāo)終點(diǎn)。全長(zhǎng)5.095km，其中隧道2 座，共計(jì)摘要m，救援通道2 座，共計(jì)摘要m，隧道挖方量為5.5×105m3[2]。

其中東陽(yáng)關(guān)隧道全長(zhǎng)摘要m，V級(jí)圍巖381m，IV 級(jí)圍巖802m，Ⅲ級(jí)圍巖887m，是整個(gè)項(xiàng)目的重中之重，因此，合理的隧道爆破方案可以提高爆破效率，節(jié)約炸藥用量，降低開(kāi)挖成本，大大提高隧道開(kāi)挖的經(jīng)濟(jì)效益。

2 東陽(yáng)關(guān)隧道開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì)

2.1 炮眼布置要求

1）掌子面各類(lèi)炮眼布置首先要根據(jù)圍巖情況判別，選擇適當(dāng)?shù)奶筒鄯绞?，確定掏槽眼位置，其次是確定周邊眼環(huán)向間距，最后根據(jù)斷面大小確定輔助眼和底板眼的間距。

2）掏槽眼的位置直接影響巖石的拋擲距離和破碎塊大小，通常布置在爆破掌子面的正中央，并應(yīng)考慮輔助眼的布置。

3）周邊眼即為最外輪廓線(xiàn)附近的邊眼，一般布置在掌子面開(kāi)挖輪廓線(xiàn)上，但實(shí)際施工中，視圍巖情況判別，若巖石硬度較硬，可靠近或在輪廓線(xiàn)上布置，且向外有一定的偏角；若巖石硬度較軟，可遠(yuǎn)離輪廓線(xiàn)50mm～150mm，使爆破后的輪廓線(xiàn)圓順，周邊無(wú)松動(dòng)巖體和欠挖現(xiàn)象。

4）為確保爆破開(kāi)挖后的輪廓線(xiàn)周邊不受或少受破壞，爆破時(shí)各炮眼要保持相同的間距進(jìn)行鉆孔，眼底落在同一水平面上。

5）周邊眼和掏槽眼布置完成后，布置輔助眼。輔助眼以槽腔為自由面而層層布置，均勻地分布在周邊眼和掏槽眼間，并根據(jù)掌子面斷面大小和形狀調(diào)整好最小抵抗線(xiàn)和鄰近系數(shù)。

2.2 炮眼布置設(shè)計(jì)

東陽(yáng)關(guān)隧道全長(zhǎng)摘要m，V 級(jí)圍巖381m，IV 級(jí)圍巖802m，Ⅲ級(jí)圍巖887m，其中Ⅲ級(jí)圍巖占標(biāo)段總長(zhǎng)的42.9%，這段圍巖為奧陶系下馬家溝組中風(fēng)化巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，多呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，局部碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，屬于較堅(jiān)硬巖。按照Ⅲ型襯砌施工步序縱面示意圖（見(jiàn)圖1），本次設(shè)計(jì)對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖上臺(tái)階開(kāi)挖面炮眼位置及雷管起爆順序做出設(shè)計(jì), 如圖2所示。

圖1 Ⅲ型襯砌面施工步序縱面示意圖

圖2 Ⅲ級(jí)圍巖上臺(tái)階開(kāi)控面炮眼位置及雷管起爆順序設(shè)計(jì)

根據(jù)東陽(yáng)關(guān)隧道上臺(tái)階實(shí)際情況，炮眼設(shè)計(jì)位置如圖2所示，周邊眼平均間距40cm～50cm，輔助眼依據(jù)開(kāi)挖臺(tái)車(chē)三臺(tái)階設(shè)計(jì)3 層，最上層輔助眼層距70cm 左右；中層豎向排列輔助眼層距100cm 左右；最下層輔助眼層距110cm 左右；掏槽眼豎向排2 列，每列各7 個(gè)。

2.3 炮眼參數(shù)設(shè)計(jì)

1）依據(jù)鑿巖機(jī)性能與東陽(yáng)關(guān)隧道Ⅲ級(jí)圍巖具體地質(zhì)條件，鉆孔直徑取40mm。2）掏槽炮眼深度：

周邊眼、輔助眼深度為：

中空孔深度應(yīng)比掏槽眼深0.5～0.7m

式中，L為炮眼深度；l為每循環(huán)計(jì)劃進(jìn)尺數(shù)；η為炮眼利用率，東陽(yáng)關(guān)隧道Ⅲ級(jí)圍巖取0.92；Δh為炮眼超深。

3）抵抗線(xiàn)：

式中，Wmin為光面爆破的最小抵抗線(xiàn)，一般取0.4～0.8m，本設(shè)計(jì)計(jì)算中周邊眼抵抗線(xiàn)取0.6m，其余眼取0.7m；d為鉆孔直徑，本設(shè)計(jì)取0.04m。

4）孔間距：a掏1=0.4m；a輔上=0.7m；a輔中=1m；a輔下=1.1m；a周=0.5m

5）單孔裝藥量：

周邊眼單孔裝藥量公式：

其余眼單孔裝藥量公式：

式中，q為周邊眼裝藥集中度，kg/m，取0.25kg/m；a為裝藥系數(shù)，輔助眼取0.55，掏槽眼取0.65；γ為每米長(zhǎng)度炸藥量，kg/m，φ35mm 巖石乳化炸藥為0.78kg/m[2]。具體參數(shù)如表1 所示。

3 水壓爆破在隧道開(kāi)挖的應(yīng)用

3.1 水壓爆破原理及裝藥結(jié)構(gòu)

隧道水壓爆破技術(shù)是充分利用水具有不可壓縮性的特性，炸藥爆炸后，爆破能量經(jīng)過(guò)水傳遞到圍巖中幾乎無(wú)損失，特別有利于巖石破碎。同時(shí)，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)有利于巖石進(jìn)一步破碎，炮眼中的水可以起到霧化降塵作用，大大降低粉塵對(duì)環(huán)境的污染[3]。

水壓爆破技術(shù)與常規(guī)爆破的區(qū)別僅是炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，其他的如炮眼的分布、炮眼數(shù)量、炮眼深度和起爆方法都與常規(guī)爆破一樣。除去周邊眼，常規(guī)爆破10 個(gè)藥卷以上的炮眼減少藥卷2 個(gè)，裝10 個(gè)藥卷以下的炮眼減少藥卷1 個(gè)，少裝的藥卷用水袋代替。常規(guī)爆破與水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖3、圖4所示。

表1 炮眼參數(shù)設(shè)計(jì)

圖3 常規(guī)爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖4 水壓爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

3.2 水壓爆破工藝流程

水壓爆破工藝流程如圖5 所示。

圖5 水壓爆破工藝流程

3.3 東陽(yáng)關(guān)隧道實(shí)例分析

以東陽(yáng)關(guān)隧道Ⅲ級(jí)圍巖上臺(tái)階開(kāi)挖為例，采用水壓爆破后除去周邊眼，其余眼炸藥使用量為常規(guī)爆破的90%，水壓爆破與常規(guī)爆破每循環(huán)用藥量如表2 所示。

如表2 所示，常規(guī)爆破炮眼長(zhǎng)度3.3m，炮眼利用率0.92，每循環(huán)進(jìn)尺3.04m，消耗炸藥數(shù)228.8kg；水壓爆破炮眼長(zhǎng)度3.3m，炮眼利用率0.95，每循環(huán)進(jìn)尺3.14m，消耗炸藥數(shù)208.5kg。

4 水壓爆破對(duì)隧道施工的影響

水壓爆破在隧道開(kāi)挖的應(yīng)用中，首要帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是降低了爆破作業(yè)面的粉塵濃度，然后就是減少了炸藥能量的流失，提高了隧道爆破開(kāi)挖的經(jīng)濟(jì)效益。具體從以下2 方面闡述：

1）水壓爆破中的水袋，在爆炸應(yīng)力波的作用下，水袋中的水瞬間會(huì)產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)圍巖的有效破碎，大大減少爆破產(chǎn)生的大塊率，而且水袋在爆炸的作用下會(huì)產(chǎn)生霧化作用，可以吸收粉塵，降低爆破后的粉塵濃度，減少爆破對(duì)環(huán)境的污染，提高隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比較，用水壓爆破比用常規(guī)爆破所產(chǎn)生的粉塵要少很多。同時(shí)，爆破后巖石較破碎，易于機(jī)械挖裝，提高出碴效率。

2）由于炮眼采用了水袋和炮泥的堵塞，有效消除了炸藥爆破能量的損失，使炸藥能量在爆破巖體上得到了充分利用，大大提高了爆破效率，節(jié)約了炸藥消耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

常規(guī)爆破時(shí)，并不需要用炮泥封閉炮眼，而水壓爆破在裝藥時(shí)會(huì)增加水袋、炮泥的裝入時(shí)間，水壓爆破要比常規(guī)爆破裝藥耗時(shí)增加20min～30min。但是，常規(guī)爆破需要30min 通風(fēng)才能到掌子面排險(xiǎn)，水壓爆破僅用10min 左右就可以到掌子面排險(xiǎn)，這樣，既沒(méi)有增加每個(gè)開(kāi)挖初支循環(huán)的時(shí)間，又減少了風(fēng)機(jī)的功耗。

表2 水壓爆破與常規(guī)爆破每循環(huán)用藥量

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)水壓爆破技術(shù)在本隧道應(yīng)用的實(shí)例，水壓爆破技術(shù)與常規(guī)爆破相比，明顯提高了炸藥爆破能量利用率，減弱了爆破振動(dòng)效應(yīng)，節(jié)約了炸藥，降低了隧道內(nèi)粉塵含量，同時(shí)，改善了作業(yè)環(huán)境，保護(hù)了施工人員的身體健康，而且節(jié)約了大量人力和物力，加快了施工進(jìn)度，具有顯著的技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

推行水壓爆破技術(shù)不僅節(jié)能環(huán)保，而且加快了東陽(yáng)關(guān)隧道的開(kāi)挖進(jìn)度，可謂一舉兩得，水壓爆破的推行，不僅需要建設(shè)單位的大力支持，更需要施工單位的積極配合，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)水壓爆破技術(shù)的真正優(yōu)越性。