水壓光面爆破在特長(zhǎng)隧道開挖中的應(yīng)用

閆有民，劉國(guó)軍，楊 鵬，陸彥林，常彥軍，楊元兵，滕 瀟，李鵬程

(1.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 蘭州 730020；2.甘肅蘭金民用爆炸高新技術(shù)有限責(zé)任公司，蘭州 730020;3.甘肅省民用爆炸工程技術(shù)研究中心，蘭州 730020)

0 引言

隨著國(guó)家西部大開發(fā)及“一帶一路”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，我國(guó)西部地區(qū)基建工程大量開工建設(shè)，由于西部地區(qū)海拔普遍較高，新建高速公路往往需要穿過高大山脈，隧道建設(shè)成了交通建設(shè)中必不可少的一部分，因此大量隧道隧址位于高寒地區(qū)，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，多屬于特長(zhǎng)隧道.隧道建設(shè)是整個(gè)交通建設(shè)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，造價(jià)高，爆破方案的選擇對(duì)隧道建設(shè)起到關(guān)鍵性作用.目前國(guó)內(nèi)隧道主要采用鉆爆法施工[1].爆炸過程釋放的能量?jī)H僅只有20%～30%直接用于巖石破碎，而其余的能量則以地面振動(dòng)、空氣沖擊波、飛石和噪音的形式消散，還會(huì)產(chǎn)生大量粉塵[2].隨著國(guó)內(nèi)隧道工程建設(shè)的快速發(fā)展，當(dāng)前，傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)已不能滿足日益增高的爆破效果需求[3]，常規(guī)爆破技術(shù)隧道超欠挖嚴(yán)重，爆后圍巖整體性差，混凝土襯砌量大量增加；爆后產(chǎn)生的粉塵及爆破產(chǎn)生的有害氣體較多，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，且排除時(shí)間長(zhǎng)，施工人員作業(yè)環(huán)境差，職業(yè)病危害嚴(yán)重；火工品材料使用量大，增加施工成本.鑒于這種情況，敦煌至當(dāng)金山高速公路阿爾金山隧道采用水壓光面爆破技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果.

1 工程概況

阿爾金山隧道位于中高山區(qū)，總體呈東西向延伸山脈，隧址區(qū)地面高程3 200～3 760 m，相對(duì)高差約560 m，高海拔季節(jié)性溫差較大，年降水量較小，屬于高寒干旱氣候區(qū)；隧道長(zhǎng)：右線7 527 m，左線7 525 m，屬于特長(zhǎng)隧道，設(shè)計(jì)開挖斷面為78.75 m2(不含圍巖預(yù)留變形).

隧道所處范圍地勢(shì)陡峭，山峰疊嶂起伏，植被覆蓋薄弱，巖層表面土層覆蓋率低且下切嚴(yán)重，溝壑大多深切呈“V”字形，溝谷兩邊山體自然坡度35°～65°，溝谷南北兩側(cè)寬度11～13 km，隧道在山體中的位置離山體邊緣13 km.阿爾金山隧道北面地勢(shì)險(xiǎn)峻，南面相對(duì)平緩，山體表層巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重.隧道線路位置受東西方向斷裂構(gòu)造影響，穿越區(qū)域斷裂層較多，巖體穩(wěn)定性較差.地勢(shì)挺拔，海拔高，空氣含氧量較低.巖層存在裂隙水，隧址區(qū)裂隙水多以泉的形式排泄于溝谷較低洼處.隧道線路圍巖以Ⅳ級(jí)圍巖為主，存在部分Ⅲ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖.

2 隧道常規(guī)爆破

2.1 主要方案

隧道鉆爆采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，人工裝藥，使用2號(hào)巖石乳化炸藥，導(dǎo)爆管雷管，非電毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)絡(luò)，控制最大一段齊爆藥量，確保爆破振動(dòng)速度在容許范圍以下.

2.1.1 開挖方法

阿爾金山隧道圍巖以Ⅳ級(jí)圍巖為主，Ⅳ級(jí)圍巖巖石破碎，整體穩(wěn)定性較差，掘進(jìn)時(shí)采用上下兩臺(tái)階開挖方法，先開挖隧道上部，及時(shí)進(jìn)行初支封閉拱頂圍巖，再開挖隧道下部，及時(shí)對(duì)兩幫支護(hù)封閉，最后施工仰拱，形成整體封閉支護(hù)體系.對(duì)于部分Ⅲ級(jí)圍巖段，可采用全段面一次開挖方法掘進(jìn)，一次爆破成形，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)封閉.

2.1.2 鉆孔施工

鉆孔施工采用人工風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)焊制鉆孔臺(tái)架.鉆孔直徑42 mm，鉆孔前進(jìn)行孔位測(cè)量定位，在掌子面畫出開挖輪廓線，定出周邊眼、輔助眼、掏槽眼孔位.鉆孔時(shí)嚴(yán)格按放樣孔位開鉆，保持鉆孔角度，孔底要落在一個(gè)平面.

2.1.3 裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽眼、輔助眼在軸向采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，徑向采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合系數(shù)為1.3.周邊眼軸向采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，孔底段加強(qiáng)裝藥，徑向不耦合裝藥，不耦合系數(shù)1.3.常規(guī)爆破所有炮孔采用炸藥包裝箱浸水軟化后堵塞或不堵塞.

2.1.4 起爆順序

采用非電毫秒導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)，掏槽眼為二級(jí)復(fù)式楔形掏槽，雷管段采用1段和3段雷管；輔助眼根據(jù)排數(shù)及最大齊爆藥量要求，采用5～11段雷管；周邊眼一次起爆，采用13段雷管；底板眼最后起爆，采用15段雷管.總體起爆順序?yàn)椋禾筒垩邸o助眼—周邊眼—底板眼.

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 炮眼總數(shù)

根據(jù)開挖斷面面積和開挖段圍巖堅(jiān)固性系數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出每一循環(huán)所需炮眼總數(shù)，再根據(jù)實(shí)際布孔進(jìn)行回歸校正，最終確定出實(shí)際1個(gè)循環(huán)所需炮眼，按相關(guān)爆破參數(shù)及布孔規(guī)則進(jìn)行炮眼布置.

炮眼總數(shù)按式(1)計(jì)算

(1)

式中，N為炮眼數(shù)目；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；S為開挖斷面面積，m2.

根據(jù)阿爾金山隧道開挖面積和圍巖性質(zhì)，按上式計(jì)算并進(jìn)行實(shí)際調(diào)整，最終確定開挖面炮眼總數(shù)為125個(gè)，具體按不同炮眼形式分配.

2.2.2 掏槽孔設(shè)計(jì)

掏槽眼的作用在于創(chuàng)造新的自由面，為輔助眼和周邊眼爆破創(chuàng)造有利條件[4].楔形掏槽是隧道掏槽爆破中的主要形式，有單級(jí)楔形掏槽和多級(jí)復(fù)式楔形掏槽之分，循環(huán)進(jìn)尺較大時(shí)宜采用多級(jí)復(fù)式楔形掏槽[5].根據(jù)阿爾金山隧道圍巖地質(zhì)情況及開挖斷面尺寸，共設(shè)計(jì)16個(gè)掏槽孔，采用二級(jí)復(fù)式楔形掏槽.其中一級(jí)掏槽孔8個(gè)，傾角77°，孔深3.5 m，孔間距0.6 m;二級(jí)掏槽孔8個(gè)，傾角81°，孔深3.3 m，孔間距0.6 m，孔底距0.3 m；掏槽孔位于掌子面中心線左右兩側(cè)1 m，距離底板0.8 m的位置.

2.2.3 輔助孔設(shè)計(jì)

孔數(shù)50個(gè)，傾角83°～88°孔深3.2 m，孔間距0.8～1.0 m，孔底距0.8～1.0 m.

2.2.4 周邊眼設(shè)計(jì)

孔數(shù)43個(gè)，傾角92°孔深3.2 m，孔間距0.5 m，孔底距0.45～0.5 m.

2.2.5 底板眼設(shè)計(jì)

孔數(shù)16個(gè)，傾角90°～92°孔深3.2 m，孔間距0.8 m，孔底距0.8～0.9 m.

2.3 裝藥量計(jì)算

隧道爆破中不同炮眼類型所承擔(dān)的任務(wù)有所不同.掏槽眼主要是為后續(xù)爆破創(chuàng)造自由面，要求將炮眼負(fù)擔(dān)面積的巖石盡可能全部拋出；周邊眼為保護(hù)圍巖不受破壞，通過光面爆破在開挖輪廓線形成平滑裂縫；輔助眼要盡可能均勻破碎巖石且不能拋擲過遠(yuǎn)，塊度均勻，爆堆集中，有利于爆渣裝運(yùn).各部位炮眼根據(jù)要求裝藥量有所不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試爆，確定合理的線裝藥密度.

利用式(2)計(jì)算單孔裝藥量

Qi=nilir

(2)

式中,Qi為i種類炮孔的單孔裝藥量，kg；ni為i種類炮孔的裝填系數(shù)，%；li為i種類炮孔的孔深，m;r為每米炸藥的質(zhì)量，(kg/m).根據(jù)公式計(jì)算可得：

1)掏槽眼：ni=75%，li=3.3 m(l=3/sin77°×0.94≈3.3 m，l=3/sin81°×0.94≈3.23 m，取3.3 m線裝藥密度q=0.98 kg/m.)，r1=0.88，因此Q=2.2 kg,取2.4 kg,則總藥量為38.4 kg；

2)周邊眼：ni=75%，li=3.2 m，r=0.75，因此Q=1.8 kg，則總藥量為84.6 kg；

3)輔助孔：ni=75%，li=3.2 m，r=0.85，因此Q1=2.04 kg,取2.1 kg,則總藥量為105 kg；

4)底板眼：ni=75%，li=3.2 m，r=0.78，因此Q=1.87 kg,取1.8 kg,則總藥量為28.8 kg.

表1 隧道常規(guī)爆破參數(shù)表

3 隧道水壓光面爆破

3.1 水壓爆破原理

隧道水壓光面爆破是在炮孔內(nèi)加入水介質(zhì)，合理改變裝藥結(jié)構(gòu)，在原有光面控制爆破的基礎(chǔ)上，在炮眼中裝入一定比例的水袋替代一部分炸藥的同時(shí)，改變傳能介質(zhì)，從而提高爆破時(shí)的傳能效率，既能節(jié)約隧道爆破成本，又有利于隧道超欠挖控制.水壓爆破與常規(guī)爆破相比只是將水袋和炮泥填充到炮眼中，區(qū)別在于裝藥量，除周邊眼外其他每個(gè)炮眼的裝藥量少一節(jié)炸藥，其他方面例如掏槽形式、炮眼分布和數(shù)量、鉆孔深度、起爆順序和時(shí)間間隔等方面的設(shè)計(jì)與常規(guī)爆破相同[6-7].

水壓爆破技術(shù)有著“三提高一保護(hù)”的明顯優(yōu)勢(shì)[8].相對(duì)于常規(guī)爆破技術(shù)，水壓爆破技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了炸藥能量的利用率，改善了爆破效果，還降低了爆破噪聲和振動(dòng)效應(yīng)，有效地保護(hù)環(huán)境[9].與傳統(tǒng)隧道開挖爆破相比，其技術(shù)特性歸納如下：

1)由于水中初始沖擊波壓力比空氣中的大得多，因此有利于巖體破碎，從而能提高炸藥的能量利用率及隧道掘進(jìn)效率.試驗(yàn)證明，空氣中的爆破初始沖擊波壓力約為(80～130)MPa，而在水中的初始沖擊波壓力則超過1萬MPa.

2)由于炸藥爆炸后產(chǎn)生的高壓氣團(tuán)形成的水楔傳遞的能量比氣楔大，水楔作用有利于巖體的進(jìn)一步破碎，也有利于提高施工中炸藥的能量利用率及隧道掘進(jìn)效率.

3)水具有緩釋降能作用：爆炸沖擊波在水中傳遞較為均勻，能量在被爆介質(zhì)(巖體)上作用時(shí)，介質(zhì)破裂區(qū)擴(kuò)張明顯，塑性流動(dòng)破壞和表面介質(zhì)的過度粉碎則大大降低，這不僅使得爆炸能量的有效利用率得到提高，而且也起到了緩沖作用，因此更有利于隧道爆破控制，這也正是隧道超欠挖控制所需要的效果.

4)炮眼由于采用了炮泥加水袋此更有利于隧道爆破控制，這也正是隧道超欠挖控制所需要的效果.水袋加炮泥的混合堵塞方式，有效隔絕了爆破腔室的向外通道，炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量和高溫高壓氣體可長(zhǎng)時(shí)間作用于巖壁，爆炸能量向外無效逸散較少，提高了炸藥能量利用率，減少炸藥使用量，經(jīng)濟(jì)效益顯著.

5)堵塞的水袋在炸藥爆炸瞬間，迅速霧化，霧化后的水汽可吸收粉塵，有效降低隧道內(nèi)的爆炸粉塵濃度，通風(fēng)降塵時(shí)間大大縮短，有利于加快施工進(jìn)度.

3.2 水壓光面爆破技術(shù)要點(diǎn)

遵循能量均布的原則，在炮孔裝藥段合理布置藥卷，嚴(yán)格控制周邊眼單孔裝藥量.

利用水介質(zhì)減少炸藥能量的消耗，同時(shí)由于“水楔”效應(yīng)使巖石破碎效果更均勻.

利用水袋爆炸霧化，水霧吸附粉塵顆粒，改善作業(yè)環(huán)境，減小粉塵對(duì)作業(yè)員工的職業(yè)危害.

3.3 水壓光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

水壓爆破在炮眼深度、炮眼分布以及起爆順序等設(shè)計(jì)與常規(guī)爆破一模一樣，僅是減少炮眼數(shù)量和每個(gè)炮眼的裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)上做了變化.

1)輔助眼炮眼直徑采用：d=42 mm，藥卷直徑φ32 mm，反向連續(xù)裝藥；周邊眼炮眼直徑采用：d=38 mm，藥卷直徑φ20 mm，空氣間隔裝藥.

2)循環(huán)進(jìn)尺為3.0 m，炮眼利用率94%.

3)掏槽方式采用復(fù)式楔形掏槽.

4)孔位布置形式及參數(shù)見圖1：

圖1 Ⅲ級(jí)圍巖孔位布置圖

5)掏槽孔裝藥量計(jì)算：

η為炮孔利用率；l為炮孔長(zhǎng)度；q為線裝藥密度.

Q=ηlq=0.94×3.3×0.98=3.04 kg,取Q=3.0 kg；線裝藥密度q=0.98 kg/m.

6)輔助、底板孔爆破參數(shù).

抵抗線：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取抵抗線W=(800～900)mm.

炮孔間距?。篴=(800～900)mm.

輔助、底板孔裝藥量：Q=qv=qawl.(q為炸藥單耗量kg/m3，取0.9 kg/m3)

Q=qv=qawl=0.9×0.8×0.8×3.2=1.84 kg,取Q=1.8 kg.

7)周邊孔爆破及參數(shù)：

周邊孔參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算.

孔間距：E=(8～18)d，在計(jì)算時(shí)取E=15×38=570，故取E=600 mm.

抵抗線：W=(1.0～1.5)E,在計(jì)算時(shí)取W=1.2×500=600 mm.

裝藥集中度：q=0.1～0.2 kg/m，取q=0.2 kg/m，故Q=3×0.2=0.60 kg,取Q=0.6 kg.采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥順序?yàn)椋?節(jié)水袋+2/3單孔裝藥量+3節(jié)水袋+1/3單孔藥量+5～6節(jié)水袋+泡泥回填(確?；靥钤?.4～0.5 m)，炮孔堵塞長(zhǎng)度=抵抗線=500 mm.

表2 隧道水壓光面爆破參數(shù)表

3.4 水袋灌裝

現(xiàn)場(chǎng)采用預(yù)制水袋，水袋外購，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行灌裝.水袋材料為聚乙烯塑料，水袋要求具有足夠的厚度，保證裝填時(shí)不被炮眼內(nèi)鋒利巖屑劃破，同時(shí)水袋長(zhǎng)度可選擇與藥卷長(zhǎng)度一直，方便現(xiàn)場(chǎng)控制裝填長(zhǎng)度.

水袋灌裝采用KPS-60塑袋灌裝封口機(jī)加工制作.該設(shè)備操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員簡(jiǎn)單培訓(xùn)后可熟練操作，正常可制作600個(gè)/h水袋以上.

3.5 預(yù)制炮泥

水壓爆破的關(guān)鍵點(diǎn)之一就是炮孔的有效封堵，要求封堵材料具有良好的黏性、塑性及材料易獲得和現(xiàn)場(chǎng)操作方便.按炮眼直徑提前預(yù)制炮泥，現(xiàn)場(chǎng)直接使用可有效提高勞動(dòng)效率，同時(shí)更為作業(yè)人員所接受.

預(yù)制炮泥采用PNJ-A型專用炮泥機(jī)進(jìn)行加工制作.制作炮泥的原材料為黏土、河沙及水，可就地取材，而且用量不大，成本低廉.炮泥成型后要求軟硬適中，表面光滑，使用中不斷裂.生產(chǎn)出的炮泥按照(20～30)cm的長(zhǎng)度切割.制作好的炮泥放置時(shí)間不要太長(zhǎng)，最好在使用前1～2 h制作好，不然會(huì)失水變硬，堵塞后影響降塵效果，如放置時(shí)間較長(zhǎng)，可在加工好的炮泥外包裹塑料薄膜，或放置在陰涼處，用濕土工布完全覆蓋保存.

在制作炮泥時(shí)在原材料中添加玻璃絲，制作的炮泥柔軟性好.制作好的炮泥裝置在塑料筐中并采用塑料薄膜封閉后，可存放2～3 d，可減少炮泥的制作頻率.

3.6 水壓光面爆破工序

在爆破作業(yè)前，用專用設(shè)備提前加工好水袋和炮泥；準(zhǔn)備好炮棍和絕緣膠帶，并運(yùn)至掌子面附近不受干擾的地方.裝填步驟：①在每個(gè)炮孔裝入1個(gè)水袋(掏槽孔除外)，并用炮棍送到孔底；②周邊眼裝入2條炸藥及1發(fā)導(dǎo)爆管雷管，輔助眼裝入6條炸藥及1發(fā)導(dǎo)爆管雷管，掏槽眼裝入10條炸藥及1發(fā)導(dǎo)爆管雷管；③裝入水袋(掏槽孔位置可適當(dāng)增加炸藥數(shù)量，減少水袋數(shù)量)確保泡泥回填深度40 cm；④裝入炮泥并把炮孔封堵嚴(yán)實(shí)，所有炮孔裝填完成后聯(lián)線起爆，裝藥結(jié)構(gòu)圖見圖2.

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4 效果對(duì)比

對(duì)阿爾金山隧道相同圍巖類別采用不同的爆破方式，并對(duì)鉆孔長(zhǎng)度、單循環(huán)時(shí)間、爆破主要器材消耗、超欠挖、噴護(hù)混凝土消耗量及排煙時(shí)間進(jìn)行對(duì)比.

4.1 技術(shù)效果分析

1)縮短了鉆孔時(shí)間，節(jié)約鉆孔材料消耗，降低電力消耗，減少了炸藥用量，節(jié)約成本.

表3 爆破效果對(duì)比

2)半孔保留率達(dá)到80%以上，提高后序工作安全系數(shù).

3)爆堆長(zhǎng)度適中，大塊率低，提高了出渣速度，縮短循環(huán)周期.

4)減少有害氣體排放量，縮短排煙時(shí)間，減少有害氣體對(duì)人體的傷害，更有效預(yù)防職業(yè)病.水壓光面爆破

5)超欠挖控制良好，有效的節(jié)約了噴錨材料.(水壓光面爆破與光面爆破效果對(duì)比圖見圖3)

圖3 水壓光面爆破效果

4.2 經(jīng)濟(jì)效果分析

1)節(jié)約炸藥17%以上，控制了成本；

2)減少噴砼12%左右，節(jié)約資源、降低了成本；

3)加快了施工速度，縮短工期，提高設(shè)備利用率，減少設(shè)備使用費(fèi)用及人員、電力消耗等費(fèi)用.

5 結(jié)束語

1)隧道開挖過程中采用水壓爆破增加了爆破效果，節(jié)約了爆破材料，減少了圍巖的擾動(dòng)影響，提高保留巖體的完整性與穩(wěn)定性，孔痕率、半孔率高，開挖輪廓平整，超欠挖控制良好，支護(hù)噴砼成本降低，節(jié)省電力資源，降低施工成本.

2)加快了施工進(jìn)度，生產(chǎn)成本降低，經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提高，作業(yè)環(huán)境改善，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.

3)在長(zhǎng)期的隧道爆破施工中，采用水壓光面爆破，不僅起到了降本增效的作用，同時(shí)更加符合國(guó)家綠色環(huán)保施工的要求，在今后的隧道爆破施工中應(yīng)大力的推廣，積極的應(yīng)用.