超长隧洞水压爆破技术介绍

黄智刚 卓 雄 刘 振

(1.福州水务平潭引水开发有限公司，福建 福州 350001；2.福州城建设计研究院有限公司，福建 福州 350001)

1 概 述

在隧洞施工过程中，科学有效的施工技术能够进一步提高隧道掘进效率。目前大多数的隧道在开挖时都会应用爆破技术。爆破具有冲击力大、效率高等特点，在隧道的开挖施工过程中起到至关重要的作用。常规爆破方法安全隐患较多，多种化学原料碰撞在一起会产生较大危险，隧道施工中，一旦爆破技术把握不当，将会对隧道开挖产生严重的影响[1]。

随着时代的进步，各种新型技术不断出现，因地制宜选取科学有效的隧道施工技术是十分必要的。隧洞施工方法应根据地质条件的变化而变化，进行动态施工，这样的结构在设计与施工安全方面均能得到保证。光面爆破对岩壁进行爆破后，可以形成一个比较完整的开挖面，有效控制炸药的爆破，不会影响围岩平衡或稳定性，可以减少围岩应力集中，降低裂缝出现的概率，保持围岩完整，使围岩自身的承载能力变强，给施工创造便利，保障现场施工安全[2]。光面爆破相关参数选择主要与地质条件、隧道断面形状与尺寸、炸药特性与品种、装药结构与起爆方法有关。由于岩性不同，施工时炮孔布置根据实际情况进行适当调整。

水压爆破技术相比常规光面爆破技术，不仅可以节省炸药、提高施工效率，还可以有效降低粉尘浓度，通过对作业环境的改善达到保护施工人员身体健康的目的，并通过控制爆破振动，降低爆破振动对周围结构物的振动影响[3]。根据类似工程施工经验，结合本工程水文地质特点、设计文件和业主有关合同文件的要求，隧洞岩洞开挖均采用全断面光面爆破及控制爆破，应用节能环保的新型水压爆破技术进行洞身爆破，以提高工效。

2 工程概况

福建省平潭及闽江口水资源配置工程主要由三部分组成，分别为莒口拦河闸、闽江竹岐—大樟溪引水工程，大樟溪—福清、平潭输水工程和大樟溪—福州、长乐输水工程。其中闽江竹岐—大樟溪引水工程是本工程的重要组成部分，其建筑物属于2级建筑物。

2.1 工程特点

本工程中闽江竹岐—大樟溪标段的引水线路总长38201.176m，其中输水隧洞三段，长37164.963m，输水管道三段，长1036.213m，出水口一处，设计流量为26.3m3/s。隧洞开挖洞径为5.5m，采用平底圆形断面，底宽4.0m。

闽江流域属亚热带季风气候，全年气候温和，雨量充沛。大樟溪流域地处中亚热带，东距太平洋西海岸约80km，受海洋季风和山地地形影响，气候湿润、温和，属中亚热带山地气候。

闽江竹岐—大樟溪引水工程输水隧洞区属构造侵蚀中低山—低山地貌，地表多为第四系坡残积层覆盖，山坡局部陡崖石壁及北东向冲沟底及两侧常见弱风化基岩裸露。输水隧洞沿线分布的地层岩石均属工程坚硬岩类，致密坚硬，成洞和隧洞围岩稳定。

2.2 工程重难点

本标段部分隧洞单头掘进长度超过2.6km，施工组织复杂，工程量大，且隧洞断面小、工期紧，大型机械设备的使用受到很大限制。在小断面隧洞施工过程中，隧洞的爆破孔布置、钻孔、爆破、渣土外运、施工用水用电以及通风的布置都非常困难[4]。选择好施工设备，做好隧洞掘进过程中的通风排烟、排水，合理安排隧洞的掘进支护和二次衬砌施工，保证计划工期的实现，是本工程的重难点。

本标段隧洞施工，多处临近村庄、向莆铁路与316国道、福银高速、竹岐隧道、溪源泄洪洞、溪源引水洞、福诏高速及203省道，需采用控制爆破，安全防护是重难点。施工布置应尽量减少对当地环境的影响。

综上所述，由于本项目中隧洞掘进线路较长、施工组织复杂，隧洞断面小，工期紧工程量大，施工过程需应用大量炸药，在提高工效的同时，需兼顾施工人员健康和对周围环境的影响。根据本项目特点，为解决以上难题，同时贯彻水土保持、绿色施工的理念，隧洞施工过程中，对隧洞洞身运用较为成熟的水压爆破新技术，以提高工效，缩短工期，降低工程成本。

3 水压爆破技术

3.1 技术原理

a.隧洞掘进爆破过程中，由于爆炸引起的爆炸性气体膨胀和应力波的作用，可达到使围岩破碎的目的。爆破孔中的炸药，在爆炸中传播的是爆轰波，爆轰波沿炮眼方向传到炮眼的空间称为击波，击波传到炮眼围岩中称为应力波。水压爆破技术通过在炮孔中填塞水袋，在进行隧洞爆破的过程中可以极大程度上降低击波的能量损失，同时还可以防止爆炸性气体从炮眼喷出。

b.传统的隧洞掘进爆破使用炮眼无回填堵塞结构(见图1)，炮眼中充满了空气，无回填堵塞结构，炸药一旦爆炸，压缩空气会大量损失冲击波的能量，从而削弱在围岩中传播的应力波的能量，降低应力波的强度，削弱对围岩的破碎作用。同时由于无回填堵塞，爆炸性气体膨胀从炮眼口冲出，既损失了大部分膨胀气体的能量，也削弱了膨胀气体对围岩的破碎作用。传统的炮眼无回填堵塞结构对炸药爆炸产生的能量利用率较低。

图1 传统炮眼无回填堵塞结构示意图

c.水压爆破技术将传统炮眼无回填堵塞结构改为用水袋与炮泥回填堵塞的结构(见图2)，由于在水中传播的击波对水不可压缩，爆炸能量可以通过水传递到炮眼围岩中而不会损失。同时采用专门制成的炮泥对炮眼进行回填堵塞，抑制爆炸性膨胀气体冲出炮眼，提高了炸药爆炸产生能量的利用率，有利于对围岩进行破碎。

图2 水压爆破技术水袋炮泥回填堵塞结构示意图

与传统隧洞掘进爆破的炮眼无回填堵塞结构相比，水压爆破技术通过应用水袋和炮泥进行回填堵塞可以使炸药爆炸产生的应力波和爆炸性膨胀气体能量损失最大程度地降低，显著提高炸药爆炸产生能量的利用率，更有利于对围岩进行破碎，节能环保，提高工效。

3.2 工艺流程

与传统隧洞掘进爆破的炮眼无回填堵塞结构相比，水压爆破技术应用水袋与炮泥回填堵塞的结构主要增加了以下两道工艺流程：

a.水袋制作工艺。水袋制作的关键是先在塑料袋中灌入水，密封制成水袋，然后把水袋填入炮眼底部和中部，水袋可由炮孔水袋自动封装机完成，水袋封装机工效为700袋/h。隧洞爆破一般采用水平眼，塑料袋为常用的聚乙烯塑料，为便于装填，水袋相关参数设置见表1。

表1 水袋相关参数 单位：mm

b.炮泥制作工艺。炮泥制作由PNJ-1型炮泥机完成，制作炮泥材料为普通的黏土，为了保证制作质量，炮泥相关参数设置见表2，根据设置参数将材料拌和均匀，待混合均匀以后，装入炮泥机的进料仓进行生产，两名工人每小时可完成200～400个炮泥的制作，可满足一个爆破循环的使用量。炮泥以表面光滑、用手略微一捏可以变形为宜。

表2 炮泥相关参数

水压爆破技术水袋与炮泥回填堵塞施工工艺流程见图3。

图3 水压爆破技术水袋炮泥回填堵塞施工工艺流程

3.3 操作要点

3.3.1 水压爆破技术炮眼装药结构

炮孔填塞水袋隧洞爆破炮眼装药结构见图4，其中L1为眼底水袋长度，L2为炸药长度，L3为炮眼中间水袋长度，L4为回填炮泥长度，跑眼总长度为以上四项总和。

图4 水压爆破技术装药结构示意图

眼底水袋长度L1一般为一节水袋的长度，L2为水压爆破技术所需的炮眼装药量的药卷长度。L3一般略长于L1，且和L4符合适当的比例，如果L3相对于L4过小，则水的作用不大，如果L3相对于L4过大，则不利于抑制爆炸性气体膨胀。

3.3.2 材料装填操作顺序

在材料装填过程中应严格按照图4结构进行操作，依次装填L1水袋、L2炸药、L3水袋和L4炮泥，其中，L1水袋位于炮眼底，L4炮泥位于炮眼口。在装填过程中需要注意，各材料间连接应保持紧密，装填水袋时，需使用炮棍轻轻将其推到炮眼一定位置，装填炮泥时，除与水袋接触的炮泥之外，其余部分的炮泥要用炮棍捣固坚实。

3.3.3 水袋制作操作要点

充水的塑料袋由塑料制造商专门加工，通常是22cm长的聚乙烯塑料袋。水袋封口是制作过程中的关键步骤，水的体积为水袋体积的90%较为适宜，装水时不应过满，水袋口应扎紧。在放置和运输过程中，水袋可能会出现稍微变软的现象，这不会影响装填和使用中的爆破效果。

3.3.4 炮泥制作操作要点

炮泥的主要成分是黏土和细砂，在将其与水混合搅拌之前，必须将混在其中的石头拣出，如果小石过多建议使用过筛方式进行清除。炮泥制作应符合适当的比例，含砂率应尽量控制在10%左右，含水率应尽量控制在15%左右，这样效果最好。如果含砂率过大，将不利于炮泥成形，如果含砂率过小，将导致炮泥所占比重降低。如果含水率过大，炮泥将会较软，如果含水率过低，将无法起到黏合及降尘作用。

4 结 论

a.水压爆破技术应用水袋炮泥回填堵塞结构，相比传统炮眼无回填堵塞结构，更为节能环保，符合国家的可持续发展战略方针，具有广阔的应用前景。

b.水压爆破技术在施工过程中可节省原材料、降低生产成本，在水压爆破技术中每个循环钻孔数量及钻孔深度虽然与传统爆破一样，但由于相比之下多装了炮泥及水袋，可节省一定体积的炸药，降低了生产成本。

c.水压爆破技术可以有效减低作业空间粉尘浓度，水压爆破技术平均每个循环多进尺22cm，同时在水袋装填结构的共同作用下，在爆破过程中可以有效降低粉尘和毒气的挥发，大大减少粉尘与毒气对施工人员的伤害，保障施工人员的安全健康，并减少对周围环境的影响。

d.水压爆破产生的声响和振动比传统爆破要小很多，可有效降低噪声污染，显著降低对施工人员的噪声伤害，同时也降低了对周围居民正常生活的影响。