水压爆破在大断面公路隧道开挖中的应用

杨治发 （中铁十六局集团路桥公司，北京 101500）

1 工程概况

国家高速公路网G85重庆至昆明公路的昭通至会泽段公路，该公路也是云南干线公路网规划中的“七出省”通道昆明至水富公路的重要组成部分。国家高速公路G85渝昆高速公路昭通至会泽段改扩建工程土建第1标段位于云南省昭通市鲁甸县，本标段经云南省昭通市昭阳区布嘎乡新街转角楼、贵州省威宁县玉龙乡团结村邵家院子、田边、鲁甸县江底乡洗羊塘、马宗林、小海子，止于威宁县玉龙乡中营村小丫口。里程桩上 K0+000.85～上 K13+710，长度13.850599km；隧道2座，长3778m。本标段大口子特长隧道3135m，为一座双线单洞的高速公路特长隧道。隧道昭通端洞口位于直线上，会泽端洞口位于R=1410m的右偏曲线上。纵坡为-2.5%的单向坡，隧道最大埋深约229m。

2 水压爆破原理

水压爆破是由我国著名的爆破专家何广沂教授研究出来的，水压爆破原理是向爆破眼中注入一定量的水，然后用炮泥堵塞炮眼。所谓的水压爆破是炸药在受约束的水体内爆炸，由于水有很好的传递爆炸能量的作用，用水将炸药爆炸后的能量作用于围岩上，使得围岩破碎的一种爆破技术。水作为液体，它的可压缩性很小，也就是加压后体积变化很小，密度变化很小，恒定温度下给一定质量的水体加压100MPa，这一定质量的水密度才增加5%左右。恒温下空气的可压缩性较大。由此看来，同样质量的炸药爆炸释放的能量在液态水里比在空气中传递效果好，因为用于压缩空气做功的能量远大于压缩水做功的能量。因此水是一种很好的传能介质，是空气或其他介质无法比拟的[1]。

水虽然加压密度变化不大，但是还是有一定的缓冲作用的。如果炸药直接接触岩体爆炸，高温高压下的瞬间能量过于集中于部分岩石，一定范围内的岩石会粉碎，粉碎的这部分岩石在开挖效果上意义不大，这部分粉碎的岩石消耗能量很大，炸药爆炸释放的能量算是做了一部分无用功。采用水压爆破的方式，水能很好的传递能量，水的一定缓冲效果能够均匀的传递爆炸释放的能量，冲击波会均匀的作用于岩体，使岩体不至于过于粉碎，节省能量用于破碎更大范围内的岩石。

3 隧道水压爆破前的准备

3.1 炮泥的制作

通过多家炮泥机比选最终选定了河南巩义的炮泥机，本项目使用炮泥机的型号是PNJ-A型。制作炮泥的原料：土、砂、粉煤灰、水。土就地取材，采用普通黏土，含水率不超过8%且不含腐殖质等杂物，土用10mm方孔筛过筛，粒径过大则人工破碎。砂采用与浇筑混凝土相同的河砂，河砂也需过筛，除去杂物，河砂含水率亦不超过4%。粉煤灰过筛除去石子等杂物，大粒径人工破碎，含水率不超过3%。制作炮泥要提前一天准备材料，水、土、河砂、粉煤灰按重量比例配好，并搅拌均匀，有利于炮泥材料充分湿润。

3.2 炮泥机操作注意事项

①打开电源键之前，把前一天制作好15～20kg的炮泥材料缓慢加入炮泥机的料斗中，加完料后打开电源。在螺旋杆的转动下，炮泥被输送推压密实到卧式螺旋杆中，然后炮泥在推送挤压到成形器端头成形。

②炮泥在成形端口挤出长度约20～30cm切断，这个长度较为合适。

③如果炮泥容易断裂且表面粗糙，这是含河砂量大造成的，应及时调整黏土的比重。

④制作炮泥的过程中，时刻注意炮泥机的温度，炮泥机的电机和减速器等都不易温度过高，一般不超过50℃；若温度过高立刻停机，检查故障的根源。一般情况比如料斗中料加入过多，土的含量大且黏、没有筛掉树根等杂物都会造成炮泥机过热。找出原因后等待电机冷却后再重新开始开机制作炮泥[2]。

⑤炮泥机料斗有很大的撞击声时，应该立刻停机，检查材料中是否混入了较大的石块，停机捡出石块，然后继续制作炮泥。

⑥新炮泥机使用一天后要进行保养，更换润滑油等。平均500～1000h保养一下炮泥机。

3.3 炮泥原料配合比的调配

按照配比，土∶砂∶粉煤灰∶水=100∶6∶7∶15进行了洞外试配加工，初次试拌出的炮泥效果不明显，炮泥表面不光滑，而且很干燥，容易断。经过多次试验，最终将配合比调整为土∶砂∶粉煤灰∶水=100∶6∶8∶20。

3.4 水袋的制作

3.4.1 材料、机械的准备

配置一台“KPS-60”塑袋灌装封口机，先将封口机开机预热，将购买的水袋安装在喷咀上，水袋灌满后自动热融封口。水袋为聚乙烯塑料，厚0.8mm长200mm，直径35mm。

3.4.2 封口机制作水袋工序及要点

①开动封口机前，首先要注入水定量调整容量。

②在机器后门打开后，调节泵连杆端头的蝶形螺母来定罐装水袋的容量。蝶形螺母的位移大小，对应到泵连杆滑块左右位置，从而调节到水袋的灌装容量；逆时针增大，顺时针减小。

③调节好蝶形螺母，定好水袋的罐装容量后，拧紧螺母，防止由于机械等震动使螺母松动，罐装容量会受到不同程度的影响，有可能损坏调整杆。

④打开电源，指示灯亮，设定初始温度为130℃，然后逐步升高温度。由绿灯变为红灯时，即达到所调节的封口温度。

⑤在灌注水袋封口之前，先把主令开关打开，空转机器两次，让计量泵内吸满水，空气排干净以后，把主令开关关掉。用双手拇指和食指夹住空塑料袋套在出料管口上，打开开关就自动灌注水袋并封口。

4 隧道水压爆破的设计

水压爆破区别于传统的光面爆破在于装药结构和堵上炮眼有所区别。采用水压爆破时，炮眼的布置、深度、数量、时间间隔、起爆顺序以及掏槽形式与常规爆破基本一样。水压爆破所不同的是在每个炮眼中增加了水袋和炮泥，装药量减少和装药结构有所变化。根据何广沂教授提出的一般的山岭隧道的水压爆破水袋的累计长度与炮泥回填封堵长度为3∶4。为了降低粉尘，有利施工人员健康，增加炮眼中水的比例有利于降低粉尘，即水袋的累计长度与炮泥回填封堵长度为1∶1（掏槽眼1.5∶1）。大口子隧道出口，围岩为IV级围岩，采用上下台阶法施工，上断面开挖面积约55m2。常规爆破进尺2.7m一个循环，水压爆破2.9m一个循环；水压爆破在山岭隧道开挖施工过程中节省炸药，加快开挖进度。

5 水压爆破效果

①安全上：水压爆破破碎效果好，光面效果好接近隧道设计的轮廓线，围岩受力合理，自稳效果好，有效的减少塌方，增加了施工的安全性，减小了排险难度，减少了排险时间，加快了施工进度。

②质量上：由于水压爆破超欠挖少，开挖轮廓均匀使得二衬防水板得到很好的贴合岩面，不易被凸起的围岩在浇筑二衬时候划破，保证了二衬的厚度均匀，二衬内力分布符合设计要求，提高了隧道的施工质量。

③成本上：水压爆破节约用药量，节约隧道施工一个开挖循环的时间，节约了工期；通风时间减少，用电量势必减少，节约了施工成本。根据现场试验得知，每循环炸药和原来使用炸药为168kg，现在采用水压爆破后节省炸药32kg左右，节省了近19%的炸药。

④环境上：由于炮眼最底部有水袋，水袋经过爆破后，其雾化降尘作用效果明显好。以前全天洞内通风空气非常混浊，使用水压爆破后数10min后视线良好，也没有明显的炮烟味，特别是像这种长大隧道，缓解了因爆破所产生的粉尘多、通风困难的压力，施工条件得到改善且利于提高施工功效。

⑤经济上：缩短工序时间。以前放完炮通风要30min，现在15min通风即可施工下道工序；节省了炸药，以前上台阶使用炸药共168kg/循环，现在采用水压爆破后使用炸药136kg/循环，节省炸药32kg，节省率达到19%；电费，每天节省用电66度，每天节省132元；降低了粉尘、减少了机械设备损耗率。综合分析每次节省开支达到750元，每天节省1500元，每月节省开支45000元，经济效益明显。

6 结束语

综上所述，隧道掘进水压爆破技术在隧道施工中的实际应用充分证明了该项技术具有良好的发展前景，节约资源，对保护环境起到了良好的推动作用，尤其是对环境保护要求比较高的施工工地。在水压爆破过程中，炸药能量利用率提升了，用药量减少，提高了经济效益，一定程度上改善了隧道施工作业环境，有利于施工人员的健康。