隧道水压爆破施工技术在长邯高速改扩建工程中的应用

李爱军

（山西交控集团长治高速公路分公司，山西 长治046100）

1 研究背景及工程概况

1.1 研究背景

近年来，我国高速公路建设如火如荼，隧道在高速公路建设中所占的比重日益增大，特别是在崇山峻岭地区尤为显著，隧道工程因其造价高、施工难度大、工期长，已成为高速公路建设的重、难点工程和关键工程。

目前，我国隧道爆破开挖的炮眼一般都不用填充物堵塞，即使封堵，也只是用手边的炸药箱纸壳简单地塞入炮眼孔口，致使炸药爆破能量损失，炸药性能下降，炸药消耗量增大，不利于节能降耗，而且爆破完粉尘浓度大，影响施工进度和一线工人的身体健康。水压爆破在隧道掘进中的应用创新点在于往炮眼底部和中部放入数个水袋，“水袋”间填充炸药，最后用“炮泥”回填堵塞炮眼，“水袋”和“炮泥”采用专用的设备制作，大大减少了爆破能量的损耗，提高了炸药能量利用率，加快了隧道施工速度，节约了成本，且在炮孔中加入水袋后，炸药爆炸后对水起到了雾化作用，大大降低了爆炸时产生的粉尘，真正做到环保爆破[1]。

1.2 工程概况

长邯高速改扩建工程LJ1 合同段位于山西省黎城县东阳关镇，起于两省交界下湾村，经下湾村后设上湾隧道于上湾村北侧山坡通过，之后设东阳关隧道下穿G309 既有高速，于东阳关隧道中后段达LJ1 标终点。全长5.095km，其中隧道2 座，共计摘要m，救援通道2 座，共计摘要m，隧道挖方量为5.5×105m3[2]。

其中东阳关隧道全长摘要m，V级围岩381m，IV 级围岩802m，Ⅲ级围岩887m，是整个项目的重中之重，因此，合理的隧道爆破方案可以提高爆破效率，节约炸药用量，降低开挖成本，大大提高隧道开挖的经济效益。

2 东阳关隧道开挖爆破设计

2.1 炮眼布置要求

1）掌子面各类炮眼布置首先要根据围岩情况判别，选择适当的掏槽方式，确定掏槽眼位置，其次是确定周边眼环向间距，最后根据断面大小确定辅助眼和底板眼的间距。

2）掏槽眼的位置直接影响岩石的抛掷距离和破碎块大小，通常布置在爆破掌子面的正中央，并应考虑辅助眼的布置。

3）周边眼即为最外轮廓线附近的边眼，一般布置在掌子面开挖轮廓线上，但实际施工中，视围岩情况判别，若岩石硬度较硬，可靠近或在轮廓线上布置，且向外有一定的偏角；若岩石硬度较软，可远离轮廓线50mm～150mm，使爆破后的轮廓线圆顺，周边无松动岩体和欠挖现象。

4）为确保爆破开挖后的轮廓线周边不受或少受破坏，爆破时各炮眼要保持相同的间距进行钻孔，眼底落在同一水平面上。

5）周边眼和掏槽眼布置完成后，布置辅助眼。辅助眼以槽腔为自由面而层层布置，均匀地分布在周边眼和掏槽眼间，并根据掌子面断面大小和形状调整好最小抵抗线和邻近系数。

2.2 炮眼布置设计

东阳关隧道全长摘要m，V 级围岩381m，IV 级围岩802m，Ⅲ级围岩887m，其中Ⅲ级围岩占标段总长的42.9%，这段围岩为奥陶系下马家沟组中风化岩，节理裂隙较发育，多呈大块状砌体结构，局部碎块状镶嵌结构，属于较坚硬岩。按照Ⅲ型衬砌施工步序纵面示意图（见图1），本次设计对Ⅲ级围岩上台阶开挖面炮眼位置及雷管起爆顺序做出设计, 如图2所示。

图1 Ⅲ型衬砌面施工步序纵面示意图

图2 Ⅲ级围岩上台阶开控面炮眼位置及雷管起爆顺序设计

根据东阳关隧道上台阶实际情况，炮眼设计位置如图2所示，周边眼平均间距40cm～50cm，辅助眼依据开挖台车三台阶设计3 层，最上层辅助眼层距70cm 左右；中层竖向排列辅助眼层距100cm 左右；最下层辅助眼层距110cm 左右；掏槽眼竖向排2 列，每列各7 个。

2.3 炮眼参数设计

1）依据凿岩机性能与东阳关隧道Ⅲ级围岩具体地质条件，钻孔直径取40mm。2）掏槽炮眼深度：

周边眼、辅助眼深度为：

中空孔深度应比掏槽眼深0.5～0.7m

式中，L为炮眼深度；l为每循环计划进尺数；η为炮眼利用率，东阳关隧道Ⅲ级围岩取0.92；Δh为炮眼超深。

3）抵抗线：

式中，Wmin为光面爆破的最小抵抗线，一般取0.4～0.8m，本设计计算中周边眼抵抗线取0.6m，其余眼取0.7m；d为钻孔直径，本设计取0.04m。

4）孔间距：a掏1=0.4m；a辅上=0.7m；a辅中=1m；a辅下=1.1m；a周=0.5m

5）单孔装药量：

周边眼单孔装药量公式：

其余眼单孔装药量公式：

式中，q为周边眼装药集中度，kg/m，取0.25kg/m；a为装药系数，辅助眼取0.55，掏槽眼取0.65；γ为每米长度炸药量，kg/m，φ35mm 岩石乳化炸药为0.78kg/m[2]。具体参数如表1 所示。

3 水压爆破在隧道开挖的应用

3.1 水压爆破原理及装药结构

隧道水压爆破技术是充分利用水具有不可压缩性的特性，炸药爆炸后，爆破能量经过水传递到围岩中几乎无损失，特别有利于岩石破碎。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应有利于岩石进一步破碎，炮眼中的水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染[3]。

水压爆破技术与常规爆破的区别仅是炮眼装药结构，其他的如炮眼的分布、炮眼数量、炮眼深度和起爆方法都与常规爆破一样。除去周边眼，常规爆破10 个药卷以上的炮眼减少药卷2 个，装10 个药卷以下的炮眼减少药卷1 个，少装的药卷用水袋代替。常规爆破与水压爆破装药结构图如图3、图4所示。

表1 炮眼参数设计

图3 常规爆破炮眼装药结构图

图4 水压爆破炮眼装药结构

3.2 水压爆破工艺流程

水压爆破工艺流程如图5 所示。

图5 水压爆破工艺流程

3.3 东阳关隧道实例分析

以东阳关隧道Ⅲ级围岩上台阶开挖为例，采用水压爆破后除去周边眼，其余眼炸药使用量为常规爆破的90%，水压爆破与常规爆破每循环用药量如表2 所示。

如表2 所示，常规爆破炮眼长度3.3m，炮眼利用率0.92，每循环进尺3.04m，消耗炸药数228.8kg；水压爆破炮眼长度3.3m，炮眼利用率0.95，每循环进尺3.14m，消耗炸药数208.5kg。

4 水压爆破对隧道施工的影响

水压爆破在隧道开挖的应用中，首要带来的优势是降低了爆破作业面的粉尘浓度，然后就是减少了炸药能量的流失，提高了隧道爆破开挖的经济效益。具体从以下2 方面阐述：

1）水压爆破中的水袋，在爆炸应力波的作用下，水袋中的水瞬间会产生“水楔”效应，可以实现围岩的有效破碎，大大减少爆破产生的大块率，而且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，减少爆破对环境的污染，提高隧道内空气质量。通过现场试验比较，用水压爆破比用常规爆破所产生的粉尘要少很多。同时，爆破后岩石较破碎，易于机械挖装，提高出碴效率。

2）由于炮眼采用了水袋和炮泥的堵塞，有效消除了炸药爆破能量的损失，使炸药能量在爆破岩体上得到了充分利用，大大提高了爆破效率，节约了炸药消耗，提高了经济效益。

常规爆破时，并不需要用炮泥封闭炮眼，而水压爆破在装药时会增加水袋、炮泥的装入时间，水压爆破要比常规爆破装药耗时增加20min～30min。但是，常规爆破需要30min 通风才能到掌子面排险，水压爆破仅用10min 左右就可以到掌子面排险，这样，既没有增加每个开挖初支循环的时间，又减少了风机的功耗。

表2 水压爆破与常规爆破每循环用药量

5 结语

经过水压爆破技术在本隧道应用的实例，水压爆破技术与常规爆破相比，明显提高了炸药爆破能量利用率，减弱了爆破振动效应，节约了炸药，降低了隧道内粉尘含量，同时，改善了作业环境，保护了施工人员的身体健康，而且节约了大量人力和物力，加快了施工进度，具有显著的技术效益、经济效益和社会效益。

推行水压爆破技术不仅节能环保，而且加快了东阳关隧道的开挖进度，可谓一举两得，水压爆破的推行，不仅需要建设单位的大力支持，更需要施工单位的积极配合，不断总结经验，体现水压爆破技术的真正优越性。