隧道掘进水压爆破施工技术

乔树伟

（中铁十九局集团第一工程有限公司 辽宁辽阳 111000）



隧道掘进水压爆破施工技术

乔树伟

（中铁十九局集团第一工程有限公司 辽宁辽阳 111000）

摘要：对常规爆破和掘进水压爆破技术的爆破参数以及两种爆破方法的技术指标及经济指标进行对比分析，并对掘进水压爆破的工艺流程、爆破参数、装药结构、材料用量以及三种爆破炮眼装药结构进行对比分析，总结得出掘进水压爆破施工技术的注意事项，以利此技术地应用推广。

关键词：隧道 掘进 水压爆破 技术

1　工程概述

北武夷山隧道全长14646m，是京福铁路客专闽赣段重点控制工程之一，工期紧任务重。该隧道进口段设金奥和岚谷两条斜井，金奥斜井长733.38m，“S型”曲线，与正线交角90°；岚谷斜井全长1848.39m，与正线交角60°。隧道内不良地质情况复杂，有2670m属于极高地应力区，有1315m属于高地应力区；有4055m属于高地温危害区域，最高温度达50.3℃。施工中采用了掘进水压爆破技术，解决了隧道工程爆破存在多年已久的未能充分利用炸药能量和改善洞内施工作业环境等两大难题。

2　隧道掘进水压爆破

2.1钻爆设计

水压爆破在炮眼数量、炮眼深度、炮眼分布以及起爆顺序等设计与常规爆破一模一样，仅在每个炮眼的装药量和装药结构上作了变化，即适当地减少了各个炮眼的装药量，往炮眼中装入水袋，最后用炮泥回填堵塞。水压爆破炮眼参数见表1。

2.2炮孔装药结构

炮眼均在眼底设置水袋，从炮孔底部至炮孔口依次为水袋、药卷、水袋和炮泥封堵，见图1。装药前，先用尺量出炮孔深度，根据实测的炮孔深度计算出装药量及水袋、炮泥的长度后，将炸药、水袋和炮泥按顺序装填入炮孔中。需要说明的是，仅需在试验阶段准确测量每个炮孔的深度，在实际施工时，装填结构参数确定后，就不需要重复此项工作了。水袋、炮泥在炮孔中的长度比例为3∶4。

图1　炮孔装药结构

2.3 爆破基本情况

自2010年6月进场以来，以连续采取水压爆破施工整整300个循环进行总结，共计掘进了1 140 m，在Ⅲ级围岩（凝灰岩）地段，设计掘进深度4.0 m，每循环实际进尺3.6～4.0 m，平均每循环进尺为3.8m，平均炮眼利用率达93.4 %。

表1　北武夷山隧道b型断面水压爆破参数表

3　施工方法

3.1隧道掘进光面水压爆破

3.1.1北武夷山隧道掘进水压爆破光面炮眼装药结构

该隧道掘进实际光爆炮眼常规装药结构与水压爆破装药结构如图2、图3、图4。

图2　常规光面爆破周边眼装药结构（单位：cm）

图3　水压光面爆破拱部周边眼装药结构（单位：cm）

图4　水压光面爆破边墙周边眼装药结构（单位：cm）

光面炮眼水压爆破后，整体开挖断面圆顺平整，拱部线性超挖6.2 cm，边墙为5.4 cm，全断面无欠挖，半眼痕保留率达到91 %（常规爆破为78.2 %）。光面炮眼水压爆破最大的优点是节省爆破材料费，常规光面爆破由于采用导爆索起爆成本高，每循环发生的材料费为1113元，而水压光面爆破由于取消了导爆索，成本大大降低，每循环材料费仅815元，节省26.8 %。除此之外，还能起到进一步降低粉尘浓度和防止岩爆的作用。

光面水压爆破与常规光面爆破的爆破材料用量对比见表2。

表2　爆破材料用量表

从表中可看出，光面水压爆破与常规光面爆破相比每循环可节省爆破材料费26.8 %。

根据北武夷山隧道（进口段）多个循环所总结的经验，爆破炮眼装药结构浓缩为三种不同装药结构：①炮眼无回填堵塞；②炮眼用水袋炮泥回填堵塞；③炮眼底水袋与水袋炮泥回填堵塞。

这三种不同装药结构见图5。

图5　炮眼三种不同装药结构

炮眼底部装水袋，是我们大胆尝试，其爆破效果通过一些循环还不能充分说明问题，还需要进一步比较，所以以后施工内容中还保留了炮眼水袋炮泥回填堵塞，其目的是为了与实际爆破效果对比。

图6　常规爆破炮眼分布（单位：cm）

在与常规爆破同样条件下，及仍按原炮眼布置分布，见图6，每循环设计进尺仍为3.8 m，炮眼数量、炮眼深度、起爆顺序及间隔时间等不变。

上述炮眼三种不同装药结构实际爆破效果见表3。

表3　炮眼三种不同装药结构爆破效果对比表

3.1.2爆破效果分析

从表3可以看出，炮眼眼底水袋与水袋炮泥回填堵塞，其爆破效果略好于炮眼水袋炮泥回填堵塞，其实前者最大的优点还表现在降尘和防岩爆方面：由于炮眼最底部有水袋，可以视为爆破最后一刹那给爆堆“喷水”，其雾化降尘作用效果更好；炮眼底有水袋，其“水楔”作用不但更进一步破碎岩石，而且水渗入到掌子面的岩石中，对防止岩爆起了很好的作用。

3.2隧道掘进水压爆破施工工艺

3.2.1工艺原理

（1）隧道爆破掘进，围岩能够达到破碎是炸药爆炸产生的应用波和爆炸气体膨胀共同作用的结果。炮眼中的炸药，从爆炸开始到炸药爆炸完毕，在炸药中传播的是爆轰波，爆轰波沿炮眼方向传到炮眼的空间称为击波，而击波传到炮眼围岩中称为应力波，炮孔填塞水袋隧道爆破法是最大可能的降低了击波的能量损失，阻止了爆炸气体从炮眼口冲出。炮孔填塞水袋隧道爆破法与目前全国普遍采用的隧道爆破掘进无回填堵塞相比显著提高了炸药能量利用率，即炸药爆破产生的应力波和爆炸高压气体利用率提高，非常有利于围岩破碎。

（2）隧道掘进常规爆破即炮眼无回填堵塞，如图7所示。因炮眼无回填堵塞而被空气充满，一旦炸药爆炸，压缩空气大大损失了冲击波的能量，这就相应的削弱了在围岩中传播的应力波能量，降低了应力波的强度，不利于岩石的破碎；同时，由于炮眼无回填堵塞，爆炸气体膨胀从炮眼口冲出，因而损失了膨胀气体大部分的能量，从而削弱了膨胀气体进一步破碎岩石的作用。

图7　隧道掘进爆破眼无回填堵塞示意图

图8　炮眼堵塞水袋炮眼装药结构示意图

（3）将图8中炮眼无回填堵塞部位改为图8中的应用水袋与炮眼回填堵塞，这样在水中传播的冲击波对水不可压缩，爆破能量没有损失的经过水传递到炮眼围岩中，十分有利于围岩破碎，由于用专门设备制成的炮泥回填堵塞炮眼，抑制膨胀气体冲出炮眼口，提高了爆炸能量使用效率。

3.2.2工艺流程

炮孔填塞水袋爆破与隧道掘进常规爆破相比主要区别在于增加了以下两道工序：

（1）炮眼注水工艺

往炮眼中注水的工艺是先把水灌入到塑料袋中密封，然后把水带填入炮眼底部和中部。水袋是由2004年研制成功的PSP-1型炮孔水袋自动封装机生产而成，水袋机为普通设备，外形尺寸1000×600×400 （mm），整机功率0.85KW，电源AC220V，50HZ，一台水袋机一小时可以制作700袋，可供两三个循环使用。塑料袋为常用的聚乙烯塑料，袋厚为0.8mm左右。隧道爆破一般为水平眼，为便于装填，水袋长200mm～300mm，直径为35mm～40mm为宜。

（2）炮泥制作工艺

炮泥是由近几年研制成功的PNJ-1型炮泥机生产而成，炮泥机为普通设备，外型尺寸1712×590×1293（mm），两个人一小时可制作200～400个，可足够一个爆破循环所需的数量。制作炮泥材料为普通粘土。制好的炮泥以表面光滑。用手略微一捏可以变形为宜。为了保证制作质量，粘土含砂率控制在10%左右，含水率控制在15%左右。拌合均匀，待混合均匀以后，装入炮泥机的进料仓，开动电钮，这时按200mm～300mm的长度切割。

（3）施工工艺流程图（见图9）

图9　施工工艺流程图

（4）炮孔填塞水袋隧道爆破炮眼装药结构如图10所示。

图10　炮眼装药结构示意图

说明：L1—眼底水袋长；L2—炸药长；L3—炮眼中间水袋；L4—炮泥回填堵塞长

其关系为L=L1+L2+L3+L4

L1一般为一节水袋的长度，L2为水压爆破所需的炮眼装药量的药卷长度。如果L3过小，L4过大，则水的作用不大，如果L3过大，L4过小，则抑制爆炸气体膨胀作用不大。

3.2.2.5水袋、炸药药卷、炮泥填装

从炮眼底到炮眼口依次装填水袋、炸药药卷、水袋、炮泥，它们之间的连接必须紧密。装填水袋时，用炮棍轻轻推到炮眼一定位置：回填堵塞炮泥时，除与水袋接触的炮泥之外，其余回填堵塞的炮泥要用炮棍捣固坚实。

4　施工注意事项

严格认真的清洗炮眼，防止有棱角的碎石在填塞水袋时划破水袋而引起水袋漏水，达不到水压爆破效果；水袋要充满水，封口密实，不漏水，合格的水袋坚实挺拔，方便装填炮眼中；在使用前2h～3h制作炮泥，以避免时间过长，炮泥失水变硬，造成爆破后产生灰尘。

5　结语

（1）水压爆破应用后，对炮眼中水袋长与炮泥长的不同比例进行了试验，其最佳比例，即爆破效果最好时为3/4左右。改变以往炮孔无回填堵塞或仅用纸壳塞入炮孔（周边眼常用纸壳塞入炮孔口）。

（2）炮眼水袋、药卷间隔充填，炮泥堵塞，应变测试结果解释了炮眼水压爆破较常规爆破提高了炮眼利用率，使岩石破碎均匀并降低了大块率。

（3）采用水压爆破很大程度缩减了隧道出碴时间，加快了作业循环。

（4）采用水压爆破，掌子面粉尘浓度比常规爆破明显降低，极大地改善了洞内施工作业环境，有效地加快了施工进度。

Water Pressure Blasting Technology for Tunnel Excavation

QIAO Shu-wei
（China railway 19th bureau group first engineering co., LTD Liaoyang Liaoning 111000 China）

Abstract：In this paper, first, the technical and economic index of the conventional blasting technology and water pressure blasting technology are compared and analyzed. Then, the process flow, the blasting parameters, the charging structure, the material dosage and the charging structure of three different blasting perforations are analyzed. Finally the precautions of water pressure blasting technology are introduced.

Key words：tunnel tunneling water pressure blasting technology

文献标识码：中国分类号：TD235A

文章编号：1673-1816（2016）01-0025-06

收稿日期：2015-11-14

作者简介：乔树伟（1970-），男，辽宁朝阳人，学士，工程师，研究方向交通土建。