大梁山隧道掘進(jìn)過(guò)程中水壓爆破的應(yīng)用技術(shù)

邱雙雷

中鐵十七局四公司 重慶 401120

1 大梁山隧道掘進(jìn)水壓爆破原理及技術(shù)要點(diǎn)

1.1 水壓爆破原理

炸藥爆炸后，由于水的不可壓縮性，構(gòu)筑物內(nèi)壁首先會(huì)受到由水袋中的水傳遞的沖擊波作用，強(qiáng)度達(dá)到幾十至幾百兆帕，并且會(huì)發(fā)生反射，從而使構(gòu)筑物的內(nèi)壁在強(qiáng)載荷作用下，發(fā)生形變和位移。當(dāng)變形程度達(dá)到內(nèi)壁材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)筑物將會(huì)破裂。隨后，在爆炸高壓氣團(tuán)作用下水球迅速向外膨脹，并將能量傳遞給四壁，形成一次突躍加載，加劇構(gòu)筑物破壞[1]。

大梁山隧道掘進(jìn)水壓爆破：采用在炮眼中先注水后用炮泥回填堵塞。它正是利用水壓爆破原理，使爆炸能量經(jīng)水無(wú)損傳遞到炮眼圍巖，充分利用炸藥爆炸能量對(duì)圍巖進(jìn)行破碎，而且，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生水楔效應(yīng)，進(jìn)一步對(duì)圍巖進(jìn)行破碎，進(jìn)一步使掌子面周邊圍巖的破碎更徹底、大塊率降低。

1.2 大梁山隧道水壓爆破技術(shù)要點(diǎn)

1.2.1 裝藥結(jié)構(gòu)

大梁山隧道掘進(jìn)水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)：其順序是從炮眼底部依次是水袋、雷管、藥卷、水袋最后炮泥堵塞，采用雙水帶新型模式。

一般隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破裝藥結(jié)構(gòu)：從炮眼底部依次是藥卷、雷管、藥卷。

大梁山隧道水壓爆破的裝藥結(jié)構(gòu)與常規(guī)爆破裝藥結(jié)構(gòu)在實(shí)踐中比較水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)既節(jié)省炸藥而且增加爆破進(jìn)尺。

根據(jù)不同的圍巖情況，水袋填塞長(zhǎng)度與炮泥填塞長(zhǎng)度不同，一般水袋填塞長(zhǎng)度與炮泥填塞長(zhǎng)度為0.75:1可達(dá)到最好爆破效果。不同隧道可根據(jù)隧道實(shí)際圍巖做實(shí)驗(yàn)得出最佳比例。下圖1為三種裝藥結(jié)構(gòu)。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

據(jù)眾多實(shí)踐及大梁山隧道實(shí)際爆破效果表明：圖c爆破效果最好。

1.2.2 炮泥制作

炮泥制作質(zhì)量的好與壞將直接影響著水袋作用的發(fā)揮，所以砂、黏土與水的成分比例會(huì)更明顯的影響著水壓破壞效果。砂、黏土與水應(yīng)該按照不同比例經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)可以得出最佳比例。

炮泥采用PNJ-1型炮泥機(jī)生產(chǎn)而成，炮泥機(jī)為普通設(shè)備，外型尺寸1712×590×1293（mm），兩個(gè)人一小時(shí)可制作200-400個(gè)，可足夠一個(gè)爆破循環(huán)所需的數(shù)量。制作炮泥材料為普通粘土。制好的炮泥以表面光滑。用手略微一捏可以變形為宜。為了保證制作質(zhì)量，粘土含砂率控制在9%左右，含水率控制在14%左右。拌合均勻，待混合均勻以后，裝入炮泥機(jī)的進(jìn)料倉(cāng)，開(kāi)動(dòng)電鈕，這時(shí)按200mm-300mm的長(zhǎng)度切割。

制作完成的炮泥應(yīng)該表面光滑，用手指輕輕的捏表面會(huì)留下指印，這才能表明其既含有一定量的水又方便加固塑性搗實(shí)，已經(jīng)制作完成的炮泥嚴(yán)禁在陽(yáng)光與通風(fēng)的地方存放，防止炮泥的水分蒸發(fā)流失，在使用前1-2小時(shí)加工。

1.2.3 炮眼注水

炮眼中注的水是先把水灌入塑料袋中，然后把水袋填入炮眼底部和中上部。

炮孔水量以水袋直徑與長(zhǎng)度來(lái)控制。往炮眼中注水的工藝是先把水灌入到塑料袋中密封，然后把水帶填入炮眼底部和中部。水袋是PSP-1型炮孔水袋自動(dòng)封裝機(jī)生產(chǎn)而成，水袋機(jī)為普通設(shè)備，外形尺寸1000×600×400（mm），整機(jī)功率0.85KW，電源AC220V，50HZ，一臺(tái)水袋機(jī)一小時(shí)可以制作700袋，可供兩三個(gè)循環(huán)使用。塑料袋為常用的聚乙烯塑料，袋厚為0.8mm左右。隧道爆破一般為水平眼，為便于裝填，水袋長(zhǎng)200mm-300mm，直徑為35mm-40mm為宜。

2 大梁山隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破與水壓爆破的異同及水壓爆破優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破與水壓爆破相同點(diǎn)

隧道掘進(jìn)水壓爆破的掏槽形式、炮眼布置、炮眼數(shù)量、炮眼深度、起爆順序與時(shí)間間隔等方面與常規(guī)爆破相同。

2.2 隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破與水壓爆破不同點(diǎn)

隧道掘進(jìn)水壓爆破的裝藥結(jié)構(gòu)與裝藥量與常規(guī)爆破不同。隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破采用無(wú)回填堵塞方法連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，這樣安全性低，易發(fā)生隧道坍塌等安全事故。這種裝藥結(jié)構(gòu)使炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟波沿著空氣向圍巖傳遞同時(shí)向孔外傳遞，導(dǎo)致炸藥能量不能完全作用于圍巖，會(huì)使炸藥用量過(guò)大，存在浪費(fèi)炸藥和發(fā)生坍塌危險(xiǎn)；隧道掘進(jìn)水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)會(huì)使炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波作用于水，利用水的不可壓縮，爆炸能量無(wú)損失地經(jīng)過(guò)水傳遞到炮眼圍巖中，這樣可以充分利用爆炸產(chǎn)生的能量，此外在爆炸作用的膨脹擠壓作用下產(chǎn)生水楔效應(yīng)，能夠再次對(duì)圍巖進(jìn)行破碎，這樣水壓爆破充分利用爆炸能量減少炸藥用量，兩次破碎圍巖使爆渣大塊率降低，更有利于隧道出渣作業(yè)。

2.3 水壓爆破優(yōu)點(diǎn)

（1）相同的爆破循環(huán)比常規(guī)爆破炸藥用量少且循環(huán)進(jìn)尺增大。

（2）水壓爆破過(guò)程產(chǎn)生振動(dòng)和噪音較小，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小，爆破出得光面效果理想，有利于支護(hù)作業(yè)進(jìn)行。

（3）水壓爆破中的水使爆破時(shí)產(chǎn)生的粉塵變少，有利于作業(yè)環(huán)境安全和工作人員身體健康，減少通風(fēng)排塵時(shí)間。

（4）利用水壓爆破過(guò)程中產(chǎn)生的巖石體積小，可以進(jìn)行路基填料。

水壓爆破大大提高了炸藥能量利用率、節(jié)省單位延米炸藥用量、加快施工進(jìn)度、降低粉塵含量保護(hù)工作人員健康和環(huán)境。

2.4 水壓爆破缺點(diǎn)

水壓爆破增加水袋制作工藝和炮泥制作工藝以及裝藥前炮孔清理要求過(guò)高等工序，使水壓爆破所需設(shè)備、工序等變多變得繁瑣，對(duì)于較短隧道經(jīng)濟(jì)效益不明顯。工序多，設(shè)備多增加工作人員多，對(duì)工序管理要求也高。

3 大梁山隧道工程概況

大梁山隧道起訖里程DK55+735-DK69+130，全長(zhǎng)13395m，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，全隧道共設(shè)置5座斜井，1號(hào)斜井與正線交匯里程為DK57+800，斜井長(zhǎng)度950m，2號(hào)斜井與正線交匯里程為DK60+700，斜井長(zhǎng)度450m，3號(hào)斜井與正線交匯里程DK62+650，斜井長(zhǎng)度1045m，4號(hào)斜井與正線交匯里程DK65+140，斜井長(zhǎng)度1300m，5號(hào)斜井與正線交匯里程DK66+800，斜井長(zhǎng)度1013m。隧道進(jìn)、出口交通條件較便利，隧道全線為直線。本標(biāo)段施工里程為DK61+450-DK69+130（包含3#、4#、5#斜井及隧道出口區(qū)段），共長(zhǎng)7.68km。隧道穿越地層主要為瓦窯口片麻巖，變質(zhì)斜長(zhǎng)花崗巖，斜長(zhǎng)二輝麻粒巖，黑云二長(zhǎng)花崗巖，變質(zhì)花崗巖，呂梁期早期變質(zhì)輝綠巖，呂梁期晚期灰綠巖，晉寧期灰綠巖及印支期石英斑巖，其中II級(jí)圍巖575m，Ⅲ級(jí)圍巖4960m、IV級(jí)圍巖5520m、Ⅴ級(jí)圍巖2295m，VI級(jí)圍巖45m。隧道最大埋深430m。隧道正常涌水量80870m3/d，雨洪期最大涌水量136937m3/d。不良地質(zhì)主要為圍巖失穩(wěn)塌方、巖爆、突水突泥與斷層破碎帶，特殊巖土包括黃土和膨脹巖土。隧道初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定為“極高”。

4 大梁山隧道掘進(jìn)中水壓爆破的應(yīng)用

大梁山隧道全長(zhǎng)13395m，地質(zhì)圍巖復(fù)雜，屬于長(zhǎng)大隧道，大梁山隧道采用了水壓爆破技術(shù)：

（1）施工進(jìn)度要求：隧道掘進(jìn)水壓爆破每循環(huán)爆破進(jìn)尺增加，爆渣破碎度提高，爆渣大塊率降低，運(yùn)渣作業(yè)時(shí)間減少，光爆效果好有利于支護(hù)工作進(jìn)行等可以大大提高施工進(jìn)度，使大梁山隧道如期完工甚至提前完工。

（2）施工安全要求：隧道掘進(jìn)水壓爆破充分利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，爆炸沖擊波對(duì)圍巖作用均勻，爆破效果好，不易發(fā)生坍塌。特別針對(duì)大梁上隧道這種地質(zhì)圍巖復(fù)雜的高危隧道能顯著提高施工安全性。

（3）工程效益要求：隧道掘進(jìn)水壓爆破適用于“長(zhǎng)、大、?！彼淼溃梢源罅抗?jié)省炸藥用量，減少隧道事故發(fā)生額外費(fèi)用，加快施工進(jìn)度減少人力物力費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)提高了炸藥能量利用率，改善爆破作業(yè)對(duì)環(huán)境影響，適用于隧道各級(jí)圍巖開(kāi)挖掘進(jìn)。水壓?jiǎn)慰籽b藥量比常規(guī)爆破少，降低爆破噪聲和震動(dòng)，減輕爆破后沖效應(yīng)，保護(hù)圍巖穩(wěn)定性，從而增加光面爆破周邊孔的孔痕率，水在爆炸作用下霧化降塵，使隧道工作面粉塵濃度較低。希望大梁山隧道也可以大力推廣實(shí)踐水壓爆破，為水壓爆破的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)大梁山隧道能夠按期甚至提前完工。