水压光面爆破在老格山隧道开挖中的应用

刘俊杰

(中铁十局集团第二工程有限公司，河南 郑州 450000)

水压光面爆破在老格山隧道开挖中的应用

刘俊杰

(中铁十局集团第二工程有限公司，河南 郑州 450000)

为解决云南地区灰岩隧道溶蚀破碎严重，开挖爆破超挖、补炮次数较多，爆破后粉尘体积质量较大，洞内空气质量不佳，影响作业人员身体健康等难题，在隧道开挖掘进施工中引入水压爆破，在炮眼一定位置处注入一定量的水，炮孔采用特制炮泥进行堵塞。通过工程实践总结，调整光面爆破钻爆参数，得到最佳爆破效果，有效地降低了粉尘体积质量，改善了洞内空气质量，提高了光爆效果和开挖循环进尺，相较于常规爆破有较大的优势。

灰岩隧道；老格山隧道；水压爆破；钻爆设计；装药结构；成效分析

0 引言

目前，我国隧道的施工现状是：1)隧道爆破掘进炮眼无堵塞，炸药爆破能量损失严重；2)隧道开挖爆破后，粉尘体积质量较大，造成洞内空气污染严重，危害人体健康；3)超欠挖严重，影响施工质量，增加成本。为改善目前隧道开挖施工存在的问题，在隧道开挖中引入隧道水压爆破掘进施工新技术。该技术的研究开发始于何广沂教授2002年的 “隧道掘进和城市露天开挖水压爆破技术”，同年，该技术通过了省级鉴定。采取炮孔充填水袋,并用炮泥回填堵塞,提高了炸药能量利用率,改善了爆破对环境的影响,具有可操作性,实现了浅孔爆破的工艺技术创新,为国际先进水平[1]。

水压爆破在国内多条新建铁路隧道中已经开始应用，在降低粉尘体积质量、节省炸药及增加循环进尺等方面取得了一定成效，但在灰岩破碎地段和光面爆破中却未予涉及。云桂线老格山隧道洞身穿过的地层以白云质灰岩和灰岩为主,岩体节理裂隙发育、岩溶强烈发育的特点，以及开挖采用全断面光面爆破的实际情况，决定在隧道掘进中采用水压光面爆破施工技术，并结合光面爆破和水压爆破对灰岩破碎围岩隧道开挖爆破效果及经济效益进行分析。

1 水压爆破机制

隧道掘进水压爆破是在炮眼中一定位置处注入一定量的水，然后用专门的炮泥机生产炮泥回填堵塞[2]。由于炮眼中有水，而水具有压缩性极小、变形能低、热能损失小等特性，在水中传播的水激波能够按照水的“液压”作用，较均匀地、几乎不受损失地把能量传递到炮眼围岩中。另外,在水激波做功的同时，被爆炸气体冲击压缩的高压水挤入爆生裂隙中,形成“水楔”，这种“水楔”的尖劈作用更加加剧了裂隙的延伸和扩展,使破碎块度更均匀；同时,炮眼中的水在高温高压下被雾化,充分吸收了有毒、有害爆生气体及粉尘,起到了雾化降尘的作用,大大降低了粉尘对环境的污染,改善了洞内空气质量[3]。

2 隧道掘进水压光面爆破[4]的钻爆设计

水压光面爆破采取与光面爆破相同的设计[5]，只是在装药结构和炮孔堵塞上进行了适当的调整。

2.1 爆破器材及设备

施工中常用的爆破器材有：直径为32 mm的防水乳化炸药、电雷管、导爆管雷管和导爆索；专用设备有：KPS-60 水袋封装机和PNJ-A 炮泥机。

2.2 光面爆破参数的确定[6]

2.2.1 周边眼间距E

根据现有设备，炮眼直径d=42 mm，周边眼间距E根据经验公式E=(8～12)d(d为炮眼直径)[7]取值，取E=50 cm。

2.2.2 不耦合系数与光爆层厚度

生产实践表明，增大不耦合系数、采用空气间隔装药可以消除压碎破坏，控制放射状裂隙的产生，提高炮孔的残留率。根据最小抵抗线W[4]与炮孔间距的关系，最小抵抗线W=(1.0～1.5)E=50～75 cm。

2.2.3 周边眼延米装药量

周边眼装药量q=cWE=0.06～0.16 kg/m。式中c为爆破系数，在通常情况下，c=0.2～0.5 kg/m3。

2.3 水压钻爆设计

在老格山隧道Ⅱ级围岩开挖施工中，结合原有非水压爆破参数，通过现场多次水压光面爆破试验，减少了常规爆破中的掘进眼、掏槽眼、扩槽眼、辅助眼、二台眼和底板眼的装药量，每孔装药量减少0.2 kg，内圈眼平均装药量减少 0.1 kg。水压爆破装药参数见表1，水压爆破炮眼布置见图1。采用水压爆破时，掏槽形式、炮眼布置、炮眼数量、炮眼深度、起爆顺序及时间间隔等参数设计与常规爆破完全相同[8]，所不同的是在每个炮眼中增加了水袋和炮泥，装药量和装药结构也有所不同。

表1 水压爆破装药参数Table 1 Charging parameters of hydraulic blasting

注：开挖断面面积116.7 m2，设计爆破进尺3.5 m，总装药12.85箱。

2.4 炮孔装药结构

2.4.1 周边眼

采用空气间隔、不耦合装药，导爆索起爆，将导爆索插入孔底药卷内，炸药均匀分布装入炮孔内。为克服底部炮眼的阻力，一般将底部药量稍微加大，将其余炸药按10 cm/节均匀布置。装药前先在炮眼孔底装入1节长约20 cm的水袋，并在装药结束后距孔口80 cm处再装入2节水袋，最后进行炮泥堵塞。周边眼装药结构如图2所示。

2.4.2 掏槽眼

掏槽眼采用斜眼掏槽，与开挖面间的夹角见图1(b)，采用连续耦合装药，雷管埋入孔底药卷，聚能穴朝孔口方向。装药前先在炮眼孔底装入1节长约20 cm的水袋，并在装药结束后再装入4节水袋，最后进行炮泥堵塞,水袋及炮泥长度比宜为3/4。掏槽眼装药结构如图3所示。

2.4.3 掘进眼、扩槽眼、辅助眼、二台眼和底板眼等

采用连续耦合装药方法，雷管埋入孔底药卷，聚能穴朝孔口方向。装药前先在炮眼孔底装入1节长约20 cm的水袋，并在装药结束后再装入3节水袋，后进行炮泥堵塞,水袋及炮泥长度比宜为3/4。装药结构如图4所示。

(a)平面图

(b)1-1剖面图

图2 水压爆破周边眼装药结构(单位：cm)

图3 水压爆破掏槽眼装药结构(单位：cm)

图4 水压爆破掘进眼、扩槽眼、辅助眼、二台眼和底板眼装药结构(单位：cm)

3 隧道掘进水压爆破成效分析

3.1 粉尘监测

粉尘监测采用P-5L2C 型便携式微电脑粉尘仪，在爆破后5 min、距掌子面 20 m位置处进行粉尘体积质量的监测。通过连续对5个循环常规爆破和5个循环水压爆破的监测(见表2)，得出常规爆破后平均粉尘体积质量为15.98 mg/m3，水压爆破后平均粉尘体积质量为7.19 mg/m3，即水压爆破比常规爆破的粉尘体积质量降低了55%，有明显的降尘效果。

表2常规爆破和水压爆破对粉尘体积质量的影响统计对比表
Table 2 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of dust control

测定地点工种及状态常规爆破粉尘体积质量/(mg/m3)水压爆破粉尘体积质量/(mg/m3)降低的百分比/%距掌子面20m处爆破后5min，未通风15．757．295415．97．065616．27．335516．17．125615．957．1355平均15．987．1955

3.2 技术指标分析

2013年4月老格山隧道在Ⅱ级围岩段施工了50个循环，总共掘进168 m。为了比较2种方法的效果，在水压爆破中常规爆破也间隔施工了25个循环，掘进79.8 m，设计掘进进尺均为3.5 m。常规爆破每循环实际进尺3.1～3.3 m，平均进尺3.192 m，水压爆破进尺3.5～3.6 m，平均进尺3.528 m，水压爆破平均每循环提高进尺0.336 m。常规爆破的炮眼利用率为 86.27%，而水压爆破的炮眼利用率达到了95.35%，通风排烟由过去的35～45 min缩短至15 min以内。由此可见，水压爆破在增加循环进尺、缩短通风时间、加强光爆效果等方面的优势是十分明显的。

3.3 经济指标分析

根据常规爆破和水压爆破的现场统计数据对比，在相同开挖断面面积、炮眼布置和钻孔深度的前提下，水压爆破比普通爆破每循环多开挖0.336 m，每循环节省炸药21.7 kg，每爆破1 m3岩石节省炸药0.14 kg(见表3)，最为显著的是通风降尘时间缩短了20～30 min，经济指标分析如下。

表3常规爆破和水压爆破炸药消耗统计对比表
Table 3 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of explosives consumption

指标 常规爆破水压爆破差值平均循环进尺/m3．1923．5280．336每循环炸药消耗/kg330．1308．4-21．7每延米炸药消耗/kg103．4187．41-16．00炸药消耗/(kg/m3)0．890．75-0．14

按Ⅱ级围岩每月开挖160 m计算，常规爆破每循环进尺3.192 m，需要开挖50个循环，水压爆破每循环进尺3.528 m，需要45个循环，火工品、人员、机械以及材料费用如表4所示，经计算，每延米可节省费用(566 232-509 285.7)/160=355.91元。

表4 常规爆破和水压爆破经济指标对比Table 4 Comparison and contrast between conventional blasting and hydraulic blasting in terms of economic efficiency

4 结论与体会

根据灰岩隧道裂隙发育严重、爆破效果差的特点，结合老格山隧道现场实际情况，对爆破参数及装药结构进行调整，使得水压爆破新技术在灰岩隧道掘进中增加循环进尺、加强光面爆破效果、提高炸药利用率及降低粉尘体积质量，对保护作业人员身心健康的作用与效果显著增强，给隧道施工带来了积极的影响。但是水压光面爆破在较差围岩地段的应用有待于进一步研究，对于隧道水压爆破机制以及装药结构形式对爆破效果的影响，应有更多实践来验证、调整，作进一步探索，以达到更好的爆破效果。

[1]刘友平，李义，张丕界，等.工程爆破节能环保技术研究与应用[J].中国工程科学，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]何广沂，段昌炎，荆山，等.节能环保工程水压爆破研究与应用[J].中国工程科学，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]袁国.隧道掘进水压爆破施工技术[J].甘肃科技纵横，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]郭进平，聂兴信.新编爆破工程实用技术大全[M].北京：

光明日报出版社，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]郑鹏飞.水压光面爆破在隧道施工中的应用研究[J].科技资讯，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]铁建设【2010】241号 高速铁路隧道工程施工技术指南 [S].北京：中国铁道出版社,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]欧阳燕，付杨果.隧道掘进中的水压爆破技术[J].北方交通,2011(8)：63-65.(OUYANG Yan，FU Yangguo.Application of water blasting in tunneling[J].Northern Communications,2011(8)：63-65.(in Chinese))

[8]张友勇.隧道掘进水压爆破技术应用与效果[J].隧道建设，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))

长株潭城际铁路“洞穿”湘江

2014年10月16日，长株潭城际铁路综合I标湘江隧道开福寺站至滨江新城站区间左线顺利贯通，“城铁I号”大直径土压平衡盾构在开福寺路地下30 m破土而出，标志着长株潭城际铁路成功穿越湘江。

长株潭城际铁路湘江隧道是我国首条土压平衡盾构铁路隧道，也是国内首个采用大直径土压平衡盾构施工的过江隧道。开福寺站至滨江新城站区间长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，盾构穿越湘江段地质复杂多变、覆土浅，同时还要下穿湘江东西大堤、银盆岭大桥主桥等高风险地带，施工难度全线第一。

长株潭城际铁路湘江隧道使用的盾构直径达到了9.34 m，是国内目前断面最大的复合式土压平衡过江盾构，是专门用于穿越湘江隧道施工的利器。2012年9月12日区间左线盾构“城铁I号”始发，先后成功穿越了湘江防洪大堤、湘江银盆岭大桥主桥、江中地质钻孔地段和江中复杂地质段。

预计到2016年底，全长12.5 km的湘江隧道将实现全线贯通，这将为长株潭城铁实现长沙火车站以西的线路2017年完工提供有利条件。

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

我国最大地下共同管沟项目内部验收完毕

2014年10月14日，由上海隧道工程有限公司承建的国内最大地下共同管沟工程——天津于家堡共同沟一期工程顺利通过内部竣工验收，未来该金融区总长达数百km的地下管线将“集中收纳”在“共同沟”内，将彻底改变传统管道各自建设、各自管理的凌乱局面。

天津于家堡综合地下空间开发项目建成后有望成为世界上最大的地下交通商业空间，其总建设面积达400万m2，规模相当于20座天津环球金融中心大厦。其中，负责该项目管线收纳的“共同沟”项目位于地下负一层，全长约865.2 m，将容纳于家堡金融区内所有供热主干管道、给水主干管道和电力电缆等市政管线(除雨污水及燃气管道)，与地下车行系统外圈形成巨大的“C形”。

项目建成后，金融区市政管线将通过主沟接入各相应支沟，再接入单体建筑设备用房，满足金融区分期开发的市政配套需求，避免道路的反复开挖，便于后期管线升级，同时也可大大延长管线寿命。

(摘自 隧道网 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

刘俊杰(1984—)，男，河南潢川人，2007年毕业于河南城建学院，土木工程专业，本科，工程师，现主要从事云桂铁路云南段四标铁路施工工作。

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

U 455.6

B

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