浅谈水压爆破技术在隧道施工中的应用

宋双江，刘京增（中铁十四局集团第五工程有限公司，重庆400700）

浅谈水压爆破技术在隧道施工中的应用

宋双江，刘京增
（中铁十四局集团第五工程有限公司，重庆400700）

水压爆破是一种新型环保节能爆破技术，在节约成本、提高工效、保护环境和缓解工期压力等方面有相对显著的效果，论文介绍水压爆破的基本原理和工艺，结合在各个隧道挖掘施工中的实际应用，检验了水压爆破的优越性，为水压爆破的全面推广提供参考。

水压爆破;节能环保;隧道

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.170

1 引言

中铁十四局集团在六盘山隧道施工、宝兰客专2标段和歇马隧道施工中使用了水压爆破技术，并取得了不错的成效。其中运用的原理是将容器式的结构物注满水,起爆悬挂在水中一定位置的药包,利用水作为中间介质，传递爆炸压力，从而达到破坏结构物的目的，并使爆破振动和碎块飞石得到有效控制。

2 概述

2.1 隧道掘进水压爆破的起源

在20世纪末，我国著名的爆破专家何广沂教授结合当前国内隧道工程爆破的现状发现了隧道的挖掘都是采取炸药箱纸壳浸水堵塞，或不回填堵塞炮眼的装药结构，不仅违背了科学，还浪费了炸药，造成粉尘污染，而且在爆破时山崩地裂，爆破后效果十分差，对施工人员的身心健康造成了伤害。何广沂教授为了解决工程爆破中不能充分利用炸弹能量和粉尘污染的这两大难题，于1995年提出了“露天深孔水压爆破”这一课题，并且在21世纪初（2002年）提出了“隧道掘进水压爆破新技术是在全系统内大力推广使用的隧道掘进施工新技术”。该施工技术在国内的设备、技术、施工方法与施工组织等方面总结出了十分可观的经验，并面向全国进行大力推广，深受施工单位的青睐。

2.2 工程概况

歇马隧道为重庆市“五横、六纵、一环、七联络”快速路系统中“一横线”的重要组成部分。是两江新区东西向的重要交通要道，也是主城区与北部区域的东西通道。歇马隧道左线4187.46m，右线4150m，左线桩号：ZK6+085—ZK10+272.46；右线桩号：YK6+105—YK10+255。

隧道标准段限界宽度=限界净宽为13.75m（检修道0.75m+路缘带0.5m+物流园专用车道3.75m+震荡分隔带0.25m+小车道3.5m+大车道3.75m+路缘带0.5m+检修道0.75m），限界高度为5.0m。

截止2016年3月初，隧道已掘进5759m，剩余2578m。工期十分紧张，为了解决这一问题公司领导决定应用水压爆破技术，这一技术不仅可以提高工效，还可缓解工期时间紧而带来的压力；不但提高了隧道挖掘施工中的劳动生产效率，还节省了成本。

3 水压爆破的施工原理

水压爆破正是利用水是不可压缩的介质、密度大、可压缩性小的这3个特点,破坏容器式的结构物，从而达到破坏以及有效控制破坏结构物。

水压爆破原理的其中的一个特点是利用水对波的传播快、消耗能量少的特点。将炸药爆炸时的爆轰波快速、高效、充分地传递到结构物表面，从而达到对结构物表面的冲击。而在这个传递的过程中，炸药的能量不但没有消耗而且爆炸能得到充分地利用。

水压爆破原理的第二特点是利用水压缩性能差,把炸药爆轰时产生气体的膨胀压力均匀地传递给结构物的表面。爆炸的产物在水中以气泡的形式继续膨胀，从而形成气泡涨缩脉动（气泡脉动）。气泡的脉动作用和其所形成的高速水流作用于结构表面，这是继爆炸冲击波之后的又一次对结构物的突跃加载，加剧了对结构物的破坏。

以上的陈述可以总结出水压爆破主要存在2种荷载的形式是：(1)高压气团的膨胀功;(2)冲击波作用。

4 水压爆破工艺

4.1 技术要点及优势

水压爆破的爆破设计是在炮孔堵塞和装药结构上进行了恰当的调整。其水压爆破的原理为：（1）用专用的炮泥回填堵塞炮眼，并在炮眼中注入一定量的水；（2）利用水的不可压缩性传播爆破冲击波,使爆炸能量经过水传递到围岩中几乎无损失；（3）水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应，加速了岩石的粉碎，在炮眼中注入的水雾化，从而起到降尘作用，大大降低了粉尘污染。

水压爆破的成功，顺利解决了工程爆破中存在的2大难题即“不能充分利用炸药能量”和“爆破中产生的粉尘污染”。同时我国隧道掘进用“湿法”钻孔代替“干法”钻孔、非电起爆代替火爆,使爆破工程产生了质的飞跃。水压爆破最明显的优势是“三提高一保护”，其中“三提高”是提高施工效率，炸药能量利用率，经济效益,“一保护”是保护环境和人身的健康。

4.2 水压爆破工艺流程

水压爆破工艺流程除了以前普通爆破的流程外还要事先准备好加工爆破所需的水袋，泡泥，在装药时按设计的装药结构依次装入水袋、炸药。水袋放入后要用炮泥堵塞。水压爆破工艺流程见图1。

4.3 水压爆破设备

实施隧道掘进水压爆破的基本保障设备是加工制作炮泥的“炮泥机”和自动注水、封口生产水袋的“水袋机”。炮泥的制作使用PNHA型炮泥机，单口机可生产炮泥约500根/h，双口机可生产炮泥约900根/h。水袋的制作是采用KPS60型塑袋灌装封口机，单台封口机生产水袋是500/h。

4.4 炮泥加工工艺

4.4.1 原材料准备

炮泥的原材料主要是黏土、砂以及水。黏土采用是含水量≤8%的普通黏土。超大颗粒需要人工粉碎，最大的颗粒是不能超过10 mm,不得有任何杂物。砂最好使用河砂，细沙也可以，但必须是干净的（≤3%的含水量）。水采用普通生产或生活用水即可。

图1 水压爆破工艺流程图

4.4.2 炮泥制作

制作时先将黏土、砂、水（配合比为0.75∶0.11∶0.14）人工拌合,然后将黏土、砂、水的混合物装入料斗中，经炮泥机的挤压，让混合物成为泡泥，生产出的炮泥切割为20～30cm的长条。图2为炮泥制作工艺流程。

图2 炮泥制作工艺流程图

4.5 水袋加工工艺

1）准备材料。水袋为长0.2m,直径为0.035m,袋厚约为0.8mm,袋头优化为圆头。水和塑料袋是水袋的原材料。其中水采用生活用水即可，塑料袋为普通塑料袋（聚乙烯塑料）。

2）水袋制作。制作时,先预热封口机,将水管内的空气排出,接着在喷嘴上分别套上袋子,水袋灌满后自动热熔封口（封口温度为240℃）。图3为水袋制作工艺流程。

图3 水袋制作工艺流程图

4.6 装药形式及水压爆破设计实例

歇马隧道出口C标段是最早使用水压爆破技术的，就以现在施工的III级围岩为例，岩层主要为灰岩、白云质灰岩，施工分上下台阶开挖，常规钻爆设计采用中空直眼掏槽形式，爆破炮眼无回填堵塞,如图4所示。水压爆破在掏槽形式、炮眼的深度、数量、布设、时间间隔和起爆顺序等设计上没有太大的改变与常规普通爆破是一样的，如图5所示。爆破参数见表1。

经过试验确定，歇马隧道蔡家段C标段在III级围岩水压爆破的装药结构与常规爆破相比，每循环总共节省炸药22.3kg。

5 实施效果分析

图4 常规爆破装药结构

设计掘进尺度为3m,常规爆破平均进深尺度为2.70m，水压爆破平均进深尺度2.95m。平均每循环比之前提高了进深尺度为0.25m。

图5 水压爆破药装结构图

水压爆破在施工当中的炮眼利用率达到了96%，而常规爆破在施工当中的炮眼利用率仅为84%，大大提高了12%，通风排烟的时间为10min比过去整整短了30min。由此可得出，水压爆破最明显优势是“三提高”。

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采用水压爆破节省了人工费232.6元，电费35.82元，火工品303元/m，制作炮泥还要另行支付水袋的费用为70.38元/m。通过计算分析，应用水压爆破每延米可节省费用303+232.6+35.82-70.38=5001.04元，隧道剩余2500m可以节省费用125.10万元。

6 水压爆破的应用体会

隧道掘进水压爆破经过试点、试验和推广,证明了水压爆破“三提高一保护”这一优势，是真正的“绿色爆破”，很适合我国可持续发展战略方针，应用前景也十分可观。由此可根据以往应用和经验得出以下需要注意的内容。

6.1 炮泥加工问题以及解决方法

6.1.1 料斗口的拌料下不去

拌料干结造成下料口的堵塞，其原因是在很长的时间内没有使用料斗口。解决以及预防的方法为：加入少量水使拌料机湿润，反转立式搅拌输送器再加入较稀的拌料搅拌。采用保湿这一方法和经常使用机器运转即可预防拌料的干结。

表1 III级围岩台阶法分部常规/水压爆破参数表

6.1.2 成形器形成不了炮泥

其中拌料干结使之成型器堵住形不成泡泥为主要原因。解决以及预防的方法为：摘下成形器的端头，将内部的拌料清除，用清水冲洗成形器内的表面，然后重新安装。

6.2 水袋制作常见的问题

水袋制作常见的问题有以下几项。

1）间歇不停。其原因是下侧倒盖板调整行程开关变位或损坏。

2）封口漏水渗水。其原因是温度调控器被损坏，电热线断开，上下封座的耐高温胶布损坏。

3）供水时大时小或供水不足。其原因是进排水口处的单向阀内有异物；进水管中密封度不够有大量的空气；还有就是连杆螺母的松动；曲柄滑动凸垫压得不紧实；水桶中水位超过标准水位。

6.3 炮泥及水袋安装

为了保证水袋和炮泥安装质量，减小孔壁的摩擦力，炮眼的清孔至关重要。前期进行水压爆破试验时，炮眼清孔采用的是风压清孔，水袋安装和捣入时，容易出现被孔壁上粘连的石屑划破的现象，且水袋和炸药不易塞入孔底，造成掏槽效果差，需重新补炮，不仅浪费了炸药，而且极大地影响了操作工人对水压爆破的信心。出现状况后，及时、积极与开挖工班进行沟通、查找分析原因，积极采取措施，在清孔管上接上水管，用水压进行清孔试验。实施后，清孔质量得到提升，水袋安装变得更加轻便，炮眼利用率也有所提高。

7 结语

关于水压爆破，实践总是走在理论的前面。在实际工程中的长时间推广，水压爆破在隧道施工中的作用已经十分显著。但是其中的一个缺点是由于施工人员已经习惯并熟练掌握普通爆破方法，对采用水袋和炮泥的水压爆破的方法并没有深入了解，接受程度不是很好。因此，水压爆破的新工艺推广成了重中之重的问题。水压爆破这一系统工程不仅仅是要克服技术上的这一大难题，还要解决施工人员的思想意识问题。只有解决了这些问题，才能使水压爆破技术在施工中尽情地发挥它的优势，解决一些常规遗留的问题，并能发挥节省炸药量、加快速度、降低通风时间、节能环保等作用。

【1】何广沂，徐凤奎，荆山，等.节能环保工程爆破[M].北京：中国铁道出版社，2007.

【2】何广沂.工程爆破新技术[M].北京：中国铁道出版社，2000.

【3】吴晓亮，路杰心，李贺.水压爆破技术的应用[J].山西焦煤科技，2011 (5):77-78.

【4】李兵，刘祖彬.隧道掘进节能环保水压爆破施工技术[J].铁道标准设计，2005(10):91-95.

【5】张卫国.水压爆破技术在隧道掘进施工中的应用[J].石家庄铁道大学学报，2013(6):46-48.

Discussion on the Application of Water Pressure Blasting Technique in Tunnel Excavation Contruction

SONG Shuang-jiang,LIU Jing-zeng
（The5th Engineering Co.Ltd.,China Railway14thBureau Group,Chongqing400700,China）

Water pressure blasting is a new type of energy saving and environmental protecting blasting technique.It has a remarkable effect onsaving costs,improving efficiency,protecting the environment and reducing duration pressure.This paper describes the rational and process ofwater pressure blasting combined with its application in some tunnel excavation construction,which demonstrates the superiority of this blastingtechnique，and provides reference for promoting the use of hydraulic blasting.

water pressure blasting;environment protecting;tunnel

U455.4

B

1007-9467（2016）12-0168-05

2016-11-09

宋双江（1990～），男，重庆渝北人，助理工程师，从事土木工程研究。