水压爆破技术在地铁隧道掘进施工中的应用分析

郑建岭

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆400039）

水压爆破技术在地铁隧道掘进施工中的应用分析

郑建岭

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆400039）

伴随着科学技术的不断进步，在城市地铁隧道掘进工程项目中，传统技术的应用水平不能完全满足和顺应时代的发展。基于此，利用绿色环保的水压爆破技术，能有效为掘进工程项目创造更大的价值，为人们提供出行便利。结合陈家坪站安全专项施工方案，对水压爆破技术的内涵、原理以及优势进行了分析，并着重阐释了水压爆破技术在城市地铁隧道掘进施工中的应用路径，旨在为相关技术部门提供更加有价值的技术建议，以供参考。

水压爆破技术；隧道掘进；优势；作用

1 工程案例

重庆轨道环线二期土建五标位于重庆市九龙坡区，工程项目包括两座车站和两个区间。标段全长共计约2950米，其中，奥陈区间长约751米、陈家坪站长约209米、陈凤区间长约1771米，凤凰站长约220米，以上区间均为地下暗挖。工程项目中，施工单位主要采用钻爆法开挖配以复合衬砌施工。标段内一共设置了三处施工通道，主要包括327米的凤凰站施工通道、420米的陈家坪施工通道以及209米的陈凤区间施工通道。

奥陈区间主要采取的是土建四标明挖段拉坡道施工措施，区间段内两车站均为地下两层12米的岛式站台，宽度为23.44米，高度为21.14米，基本工艺手段是双侧壁导坑法九步开挖措施。奥陈区间采用单洞单线断面形式，陈凤区间较长，以单洞双线断面形式为主。由于奥陈区间段采用单洞单线断面形式，陈凤区间为单洞双线断面形式，因此，接近车站部位配线区调整为单洞单线。针对城市轨道交通中钻爆法施工存在的环境污染大、噪音大、能耗高等问题，施工团队在优化分析重庆轨道交通环线二期土建五标工程的具体情况后，结合水压爆破效果，在城市轨道交通工程大断面车站及区间施工中引进水压爆破技术。

2 水压爆破技术概述

2.1 水压爆破技术内涵

水压爆破技术的提出充分融合了地铁隧道工程施工流程的具体要求，在多数隧道工程开展掘进项目的过程中，采取的爆破方式并不进行回填堵塞炮眼的操作，炸药箱纸浸水应用也十分少见。因此，传统技术工艺的科学性、合理性以及资源的持续利用性都缺乏优势，一味增大成本投入会导致爆破的强度逐渐增大，对周边环境产生影响，露天深孔水压爆破的研究课题应运而生，结合隧道掘进工程的具体要求，对深孔、浅孔以及隧道掘进等水压型爆破技术展开了深度分析和集中讨论。

2.2 水压爆破技术原理

在水压爆破技术应用过程中，相对于常规爆破具有较大的优势。由于水压爆破技术的炮孔中装填了水袋和炮泥，能一定程度上有效升级水的不可压缩特性，进一步提高爆破效果，并且建立无损失传递炸药能量传输系统，为后续工作的开展提供保障，不仅有利于围岩破碎，也能优化产生“水楔”作用，全面落实破碎岩石的操作标准，从根本上减少岩爆的概率。另外，在水压爆破技术应用过程中，由于炮孔最底部的水袋能有效替代炸药卷更好地完成水压爆破工作，主要是利用水中反射波作用，在延长爆破作用时间的基础上，充分发挥“水楔”作用的优势和项目特征，优化岩石破碎效率和实际水准的同时，为有效利用爆破生成的膨胀气体提供保障，从而全面落实围岩破碎效果。也就是说，炮孔中有水抑或是爆破产生的水雾，都能从根本上优化降尘效果[1]。

相较于常规爆破，水压爆破技术应用过程中，装药量能有效节约20%。需要注意的是，由于装药量减少，整个水压爆破技术应用中的爆破振动就会随之减弱。例如，本案例中的凤凰站爆破振速能有效控制在每秒1厘米范围内。

水压爆破与常规爆破的炮眼装药结构对比如图1所示。

图1 水压爆破与常规爆破的炮眼装药结构对比示意图

在整个技术应用过程中，将炮眼无回填堵塞部位改为用水袋与炮泥回填堵塞。水中传播的冲击波对水无法运行压缩操作，爆炸能量无损失地经过水传递到炮眼围岩中，这种无能量损失的应力波十分有利于围岩的破碎。另外，由于水压爆破技术的基本运行原理，水能在炸药爆炸作用下产生对整个操作流程有利的水楔效应，实现围岩破碎效果的全面升级，且炮眼中存有较多的水分，使得雾化降尘作用全面升级。而对于炮眼底部的水与炮眼中上部的水来说，两者形式以及实际作用都存在一定的差异，炮眼底部的水代替了炸药，炮眼中上部的水取代了空气及部分回填土[2]。正是基于此，专用设备制成的炮泥回填堵塞炮眼，要比土具有更加坚实且密度更大的优势，加之物料中含有一定量的水分，能有效抑制膨胀气体冲出炮眼，因此，在实际处理过程中，水压爆破技术的整体效果更好，便捷化也能有所升级。

炮眼底部的水袋完全替代了炮眼底部的部分炸药。炮眼底部水袋与炮眼中上部水袋相比最大的区别是前者代替了炮眼底药卷，其自身的基本功用就是药卷作用，不能过长，否则会导致整个结构向炮眼底方向传播的冲击波逐渐减小，同时，导致岩石夹制作用增大，在整个变化和结构发展到一定位置后，会存在应力波不足的问题，无法有效践行破碎围岩的操作，就会对整个处理系统和结构产生影响。但是，炮眼中上部的水袋作用则不尽相同，整个结构的传播方向和炮眼口方向一致，若是冲击波逐渐变小，则岩石的夹制作用也逐渐变小，在整个参数体系到了一定位置应力波后，就会直接破碎岩石。综上所述，炮眼中上部水袋要比炮眼底水袋长。经实际爆破效果相比，光爆炮眼眼口水袋长可相当于2～3药卷长度，而内部炮眼由于夹制作用大，其炮眼底水袋长可相当于1药卷长度[3]。

2.3 水压爆破技术优势

第一，能有效实现对比分析。1）从爆破渣样对比情况分析，水压爆破后碎石堆积整齐，渣堆短，易于出渣。2）从烟尘情况对比分析，水压爆破后烟尘浓度明显减小，节约了通风时间。3）从爆破振动情况对比分析，水压爆破较常规爆破震速、震动声音减小，同时优化了爆破对周边围岩、建、构筑及居民的影响。除此之外，也节省了投入成本。

第二，能有效控制爆破振速，在实际技术应用体系建立后，要确保监测水压爆破比常规爆破减小了爆破振速，并且，要将振速设计为每秒2厘米左右，从而满足设计要求，同时一定程度上优化建设安全性，为地面交通以及行人常规化行走提供便利。

第三，充分利用水压爆破，对“水楔”效应进行整合，不仅是为了进一步控制爆破后粉尘的实际浓度，也是为了能有效改善地铁挖掘项目中洞内的环境。利用该技术后，粉尘浓度能有效降低近70%左右。

第四，要在水袋中水蒸气降低掌子面前温度后，优化整体技术结构的应用效果，相较于常规化爆破技术结构，利用水压爆破掌子面前温度降低了约3℃左右，并且优化控制爆破后岩石的实际尺寸，50厘米以下居多，实现快速出渣。

3 水压爆破技术在隧道掘进施工中的应用流程

在实际施工项目操作过程中，对水压爆破的技术要点进行分析的过程中，要向炮眼中基本位置装入适量水。这个标定的一定位置，主要是指炮眼底部和炮眼的中上部。而适量水则涉及水袋的直径以及水袋的实际长度[4]。尤其是在城市轨道交通施工中，相关技术人员在注水长度与炮泥回填堵塞的长度参数处理方面，要践行有效的处理机制，最佳比例为1∶1或1∶0.9。并且，炮眼底注水长度约为20厘米左右，水袋制作工艺和炮泥制作工艺都要结合实际需求进行统筹处理。需要注意的是，炮孔最底部装填水袋及孔口堵塞水袋等结构十分关键，炮泥的水压爆破与隧道掘进常规的爆破相比较，最大的优势就在于增加整个水袋制作工艺和炮泥制作工艺的完整性，也为后续工作的开展奠定了坚实基础[5]。

图2 工艺流程图

3.1 水袋制作

在对水袋制作过程进行分析的过程中，要对工艺流程和实际管理工作展开深度分析，向炮眼中注水时，要先将水灌入到塑料袋中，然后把水袋填入炮眼的底部与中上部位。例如，本文中水袋加工封口机采用浙江温州鑫瑞包装机械有限公司产KPS-160塑料灌装封口机。另外，对于水袋制作而言，水袋的基本材料也非常关键，塑料袋是通用的聚乙烯塑料，袋厚0.8毫米，炮眼直径为40厘米，袋径为35厘米，袋长200毫米左右[6]。需要注意的是，在封口机使用过程开始前，要集中排除空水管内的残存空气，将袋子安装在喷嘴等结构中，在水袋灌满后压口塑封。水袋灌装要保证饱满效果，隧道爆破过程主要是水平炮眼，能有效实现装填水袋过程的目标和完整性，水袋长度控制在200毫米，直径控制在35毫米。水袋袋厚0.8毫米左右。水袋袋厚太薄会出现承载力减小的问题，不仅会出现变形也会被划破。水袋要盛满水，确保封口严实的基础上，不漏水、渗水，见图3。

图3 水袋加工工艺流程

3.2 炮泥制作

在炮泥制作过程中，由于其主要成分是土和砂，因此，主要利用的是黏土和细砂。在相关材料和水进行搅和之前，拣出石块，利用过筛精挑细小石子，其筛眼尺寸为5mm×5mm为宜。也就是说，炮泥要按照固定比例进行统筹制作。需要注意的是，不同原料的数量要适中，若是砂过多，就会导致炮泥成型差；若是砂过少，就会使得炮泥比重小[7]。另外，水量也要保持适中，若是水量过少，则无法有效落实黏合及降尘作用；若是水量过多，则会导致炮泥质地柔软，不易捣固坚实。总之，合格的炮泥不仅仅要表面光滑，也要含有一定的水且便于捣固。制作好的炮泥不要暴晒在太阳下或放置时间过长，避免失去水分变硬，最好在使用前两个小时到三个小时之内进行制作。

3.3 水袋、炸药、炮泥装填

装填水袋时用炮棍轻轻推到炮孔，回填堵塞炮泥，施工时应注意严格认真清洗炮孔，水袋要盛满水，封口密实，方便装填炮孔中。在使用前2h-3h制作炮泥，以免时间过长，炮泥失水变硬[8]。

4 结束语

总而言之，水压爆破技术的应用具有较大的经济优势，尤其是在地铁建造过程中，在优化利用率和施工效率的基础上，也为经济效益和环境保护提供支撑。

[1]聂武丁.隧道掘进水压爆破技术的实际应用[J].工程爆破，2012（4）：38-41.

[2]刘友平.水压爆破技术在黔桂铁路定水坝隧道掘进中的应用[J].铁道标准设计，2009（4）：91-92.

[3]高红宾.隧道掘进新技术：水压爆破施工[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2016，66（03）:125-126.

[4]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（自然科学版），2013，26（02）:46-50，100.

[5]乔树伟.隧道掘进水压爆破施工技术[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2016，15（01）:25-30.

[6]张英华，倪文，尹根成，等.穿层孔水压爆破法提高煤层透气性的研究[J].煤炭学报，2014，29（03）:298-302.

[7]陈士海.深孔水压爆破装药结构与应用研究[J].煤炭学报，2013，25（z1）:112-116.

[8]蔡永乐，付宏伟.水压爆破应力波传播及破煤岩机理实验研究[J].煤炭学报，2017，42（04）:902-907.

Application of Water Pressure Blasting Technology in Tunneling Construction of Urban Subway

ZHENG Jianling
（China Railway Eighteen Bureau Group Tunnel Engineering Co.,Ltd.,Chongqing400039,China）

with the continuous optimization of science and technology in the city subway tunnel project,the traditional technology can not fully meet the application level and the development of the times,based on this,the use of hydraulic blasting technology of green environmental protection,to create greater value for the effective tunneling project,provide convenience for people to travel.This combination of chenjiaping station safety special construction plan,connotation,principle and advantages of hydraulic blasting technology is analyzed,and emphatically expounds the application path of hydraulic blasting technology in city subway tunnel construction,to the relevant technical departments to provide more technical advice for reference value.

water pressure blasting technology;tunneling;advantage;role

郝安林）

U455

A

1673-2928（2018）02-0086-04

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.024

2017-10-23

郑建岭（1981-）男，河北省邢台市人，中铁十八局集团隧道工程有限公司工程师，研究方向：施工技术。