水压爆破在隧道开挖施工中的应用

(宁德沈海复线双福高速公路有限责任公司，352100宁德)

水压爆破在隧道开挖施工中的应用

■黄石勇

(宁德沈海复线双福高速公路有限责任公司，352100宁德)

隧道水压爆破是在传统的隧道光面爆破中加入水袋的施工方法，由炸药爆炸引起的冲击波在水中的衰减速度远远小于在空气中衰减的速度，所以加入水袋后，能够使爆炸冲击波更好地传播，减少爆炸能量消耗，从而提高了爆破效率，节约了炸药用量，降低了开挖成本，大大提高了隧道开挖的经济效益。本文结合宁德沈海复线双福高速公路A3标周山隧道水压爆破开挖施工情况的研究和总结，阐述水压爆破在隧道开挖施工中的应用。

水压爆破隧道开挖施工应用

1 引言

近年来，我国在不断地加大高速公路的投资建设，随着高速公路行车速度的提高，对公路选线的要求也不断提高，桥隧比重在不断增大，尤其在我国西南地区、东南沿海崇山峻岭地区，桥隧所占的比重越来越大。随着科技和机械设备的不断更新和发展，隧道的设计长度也在不断的增加，成为施工中的重难点工程和控制性工程。

目前我国隧道爆破掘进施工的现状是：几乎所有的隧道爆破掘进的炮眼均采取无回填堵塞，或仅将炸药箱纸壳卷成卷塞入光爆眼口上，致使炸药爆炸能量大部分被浪费，炸药能量利用率低下。本文针对以上常规爆破的缺点，结合宁德沈海复线双福高速公路A3标周山隧道开挖施工实例，设计了一套水压爆破施工方案，并针对两种爆破方式的优缺点及经济效益进行了探讨。

2 工程概况

周山隧道是一座分离式长隧道，A3标负责周山隧道出口段施工，出口段左线起讫桩号为ZK12+890.11～ZK14+328，长1437.89m，Ⅳ、Ⅴ级围岩共208m，占14.5%，Ⅱ、Ⅲ级围岩共1229.89m，占85.5%；右线起讫桩号为YK12+900～YK14+337.9，长1437.9m，Ⅳ、Ⅴ级围岩共257.9m，占17.9%，Ⅱ、Ⅲ级围岩共1180m，占82.1%。

隧道区属低山丘陵地貌，隧道横穿东西向山脊，地形起伏较大，山脊较窄小，隧道地表分布多条沟谷，沟谷较窄，切割较深，植被较发育。隧道区地表水体发育，地下水主要为风化带网状孔隙裂隙水、基岩裂隙水，孔隙裂隙水赋存于第四系残坡积层底部及基岩强风化带，基岩裂隙水赋存于构造破碎带中。隧道岩性主要以侏罗纪南园组(J3n)凝灰熔岩为主，属较硬-坚硬岩，岩体较破碎-较完整。

3 水压爆破的原理

隧道水压爆破是利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到炮眼围岩中的一种爆破方式。由于炸药在爆炸时产生的冲击波在水中的衰减速度要远远小于在空气中衰减的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸药产生的冲击波通过水袋直接作用在岩石上，可以大大减少炸药能量的消耗，提高炮眼利用率及隧道开挖的经济效益。炮眼中的水袋，在炸药爆炸的作用下，会产生“水楔”效应，有利于围岩的进一步破碎，减少爆破产生的大块率。此外，堵塞水袋在爆炸的作用下会产生雾化作用，可以吸收粉尘，降低爆破后的粉尘浓度，减少爆后对环境的污染。

4 水压爆破方案设计

水压爆破设计与传统的隧道光面爆破设计方案基本相同，针对水压爆破的特点，炮眼开挖方式，装药结构和炮孔堵塞上进行了适当的调整。

4.1 爆破参数确定

根据现有设备条件，水压爆破的炮眼直径按照d= 40mm设计，周边孔间距相应地按照a=(8～16)d=32～64cm采用。装药直径d0根据光面爆破的不耦合系数λ=d0/d确定，λ在0.8～1之间变化，当λ变小时，孔壁上的最大切向应力减小，爆炸波作用时间延长，有利于应力叠加和应力集中，产生拉伸裂隙，而不易产生粉碎。λ增大时，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。周边眼装药量q1=cwa=0.06～0.15kg/m；c为爆破系数，在通常情况下，取c=0.2～0.5kg/m3；w为光爆层厚度，w=a/λ。

4.2 前期准备

根据水压爆破的特殊要求，爆破器材选用直径为Φ32的防水乳化炸药，并采用电雷管和导爆管雷管作为起爆器材。炮孔内所用水袋及炮泥由专用机械加工而成。炮泥采用粘性土或红土制作，土中不含碎石、杂草等，利用设备挤压成型。炮泥随用随做，成品炮泥应软硬适中，表面光滑，同时避免在阳光下暴晒和放置时间过长。水袋采用水袋封口机自动灌装并封口。水袋长200mm，直径为35mm，袋厚约为0.8mm，其原材料为水和塑料袋。水袋用水为普通水，塑料袋为常用的聚乙烯塑料，成品水袋需饱满，坚实挺拔。

4.3 钻孔与清孔

水压爆破炮眼开挖分为钻孔与清孔两个步骤。首先使用全站仪定出隧道的轴线与圆心，再以半径长在掌子面用红油漆画出开挖轮廓线，最后根据设计的炮眼布置图画出炮眼位置，周边眼和掏槽眼的位置要求更加精确。钻孔前，根据隧道开挖断面尺寸，事先制作一台开挖钻孔台车，开挖台车的高度要适合工人操作要求，开眼的位置要求尽量不偏离设计炮位。其中，周边眼和掏槽眼由专业技术人员负责，使钻眼达到“准、平、直、齐”的要求。

炮眼打设完成后，为消除钻眼过程中炮眼中残留的石渣对水袋的不利影响，需采用高压水枪对炮眼逐孔进行清洗，保证水袋安装至炮眼底部，紧贴岩面。如未彻底清洗，水袋安装过程中存在被石渣刺破而漏水的可能性；爆破过程中，亦将导致爆炸能量传递中断，水压爆破失去功效。

4.4 装药及起爆

水压爆破采用人工用木制炮棍装药，由施工人员将药卷逐个装入炮孔，并用炮棍轻轻捣实，避免药卷之间间隔较大，影响传爆。在装药过程中严禁大力用炮棍捣实炸药，防止用力过猛后使水袋破裂或使装药密度过大，造成炸药压死拒爆。

如图1、图2所示，水压爆破方法中，炮眼根据其位置的不同，采用两种装药结构，周边眼采用空气间隔、不耦合装药，导爆索起爆，将导爆索插入空底药卷内，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。掏槽眼、辅助眼、底板眼等采用连续耦合装药，雷管埋入孔底药卷，聚能穴朝孔口方向。两种装药结构在装药前，均需先在炮眼孔底装入长约20cm的水袋1节，并在装药结束后再装入2节水袋，使用炮泥进行堵塞。

图1 周边眼装药结构示意图

图2 掏槽眼装药结构示意图

水压爆破的起爆网络采用簇连法，俗称一把抓起爆法。即在各炮孔内装1发延期导爆管雷管，将导爆管连成一把后，用2发8号电雷管起爆。连接好起爆网络，待其他施工人员撤离到警戒线以外后，由爆破员用起爆器在安全避炮点起爆。

5 水压爆破与普通爆破效益对比

5.1 经济效益对比

表1～表4为常规爆破与水压爆破中材料、劳动力、技术参数等各项指标的对比，由表4可以计算得出，应用水压爆破后，每延米进尺可节省费用93.6元。按照周山隧道出口段单洞长度2875.79m计算，采用水压爆破贯通后可节省27万元，经济效益较好。

表1 常规爆破与水压爆破火工品数量对比

表2 常规爆破与水压爆破技术参数对比

表3 常规爆破与水压爆破劳动力对比

表4 常规爆破与水压爆破成本对比

5.2 工期对比

由于水压爆破平均每循环进尺比普通爆破多0.2m，隧道采用水压爆破掘进至贯通时可少钻爆24个循环，因此左右洞采用水压爆破后均可缩短工期15～16天。

6 结语

由于加入了水的元素，隧道水压爆破大幅度地提高了爆破能量的利用率，降低了炸药用量，提高了单个循环进尺，加快了工程进度，大大提高了经济效益；此外，炸药爆炸后对水袋中的水起到了雾化作用，相当于在爆炸后一瞬间对爆堆进行了一次喷水，加大了对爆后粉尘及有害气体的吸收，降低了爆后隧道内粉尘的浓度，缩短了通风降尘时间，真正做到了环保施工的要求。

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