大梁山隧道掘进过程中水压爆破的应用技术

邱双雷

中铁十七局四公司 重庆 401120

1 大梁山隧道掘进水压爆破原理及技术要点

1.1 水压爆破原理

炸药爆炸后，由于水的不可压缩性，构筑物内壁首先会受到由水袋中的水传递的冲击波作用，强度达到几十至几百兆帕，并且会发生反射，从而使构筑物的内壁在强载荷作用下，发生形变和位移。当变形程度达到内壁材料的极限抗拉强度时，构筑物将会破裂。随后，在爆炸高压气团作用下水球迅速向外膨胀，并将能量传递给四壁，形成一次突跃加载，加剧构筑物破坏[1]。

大梁山隧道掘进水压爆破：采用在炮眼中先注水后用炮泥回填堵塞。它正是利用水压爆破原理，使爆炸能量经水无损传递到炮眼围岩，充分利用炸药爆炸能量对围岩进行破碎，而且，水在爆炸气体膨胀作用下产生水楔效应，进一步对围岩进行破碎，进一步使掌子面周边围岩的破碎更彻底、大块率降低。

1.2 大梁山隧道水压爆破技术要点

1.2.1 装药结构

大梁山隧道掘进水压爆破装药结构：其顺序是从炮眼底部依次是水袋、雷管、药卷、水袋最后炮泥堵塞，采用双水带新型模式。

一般隧道掘进常规爆破装药结构：从炮眼底部依次是药卷、雷管、药卷。

大梁山隧道水压爆破的装药结构与常规爆破装药结构在实践中比较水压爆破装药结构既节省炸药而且增加爆破进尺。

根据不同的围岩情况，水袋填塞长度与炮泥填塞长度不同，一般水袋填塞长度与炮泥填塞长度为0.75:1可达到最好爆破效果。不同隧道可根据隧道实际围岩做实验得出最佳比例。下图1为三种装药结构。

图1 装药结构对比示意图

据众多实践及大梁山隧道实际爆破效果表明：图c爆破效果最好。

1.2.2 炮泥制作

炮泥制作质量的好与坏将直接影响着水袋作用的发挥，所以砂、黏土与水的成分比例会更明显的影响着水压破坏效果。砂、黏土与水应该按照不同比例经过多次试验可以得出最佳比例。

炮泥采用PNJ-1型炮泥机生产而成，炮泥机为普通设备，外型尺寸1712×590×1293（mm），两个人一小时可制作200-400个，可足够一个爆破循环所需的数量。制作炮泥材料为普通粘土。制好的炮泥以表面光滑。用手略微一捏可以变形为宜。为了保证制作质量，粘土含砂率控制在9%左右，含水率控制在14%左右。拌合均匀，待混合均匀以后，装入炮泥机的进料仓，开动电钮，这时按200mm-300mm的长度切割。

制作完成的炮泥应该表面光滑，用手指轻轻的捏表面会留下指印，这才能表明其既含有一定量的水又方便加固塑性捣实，已经制作完成的炮泥严禁在阳光与通风的地方存放，防止炮泥的水分蒸发流失，在使用前1-2小时加工。

1.2.3 炮眼注水

炮眼中注的水是先把水灌入塑料袋中，然后把水袋填入炮眼底部和中上部。

炮孔水量以水袋直径与长度来控制。往炮眼中注水的工艺是先把水灌入到塑料袋中密封，然后把水带填入炮眼底部和中部。水袋是PSP-1型炮孔水袋自动封装机生产而成，水袋机为普通设备，外形尺寸1000×600×400（mm），整机功率0.85KW，电源AC220V，50HZ，一台水袋机一小时可以制作700袋，可供两三个循环使用。塑料袋为常用的聚乙烯塑料，袋厚为0.8mm左右。隧道爆破一般为水平眼，为便于装填，水袋长200mm-300mm，直径为35mm-40mm为宜。

2 大梁山隧道掘进常规爆破与水压爆破的异同及水压爆破优缺点

2.1 隧道掘进常规爆破与水压爆破相同点

隧道掘进水压爆破的掏槽形式、炮眼布置、炮眼数量、炮眼深度、起爆顺序与时间间隔等方面与常规爆破相同。

2.2 隧道掘进常规爆破与水压爆破不同点

隧道掘进水压爆破的装药结构与装药量与常规爆破不同。隧道掘进常规爆破采用无回填堵塞方法连续装药结构，这样安全性低，易发生隧道坍塌等安全事故。这种装药结构使炸药爆炸产生爆轰波沿着空气向围岩传递同时向孔外传递，导致炸药能量不能完全作用于围岩，会使炸药用量过大，存在浪费炸药和发生坍塌危险；隧道掘进水压爆破装药结构会使炸药爆炸产生的爆轰波作用于水，利用水的不可压缩，爆炸能量无损失地经过水传递到炮眼围岩中，这样可以充分利用爆炸产生的能量，此外在爆炸作用的膨胀挤压作用下产生水楔效应，能够再次对围岩进行破碎，这样水压爆破充分利用爆炸能量减少炸药用量，两次破碎围岩使爆渣大块率降低，更有利于隧道出渣作业。

2.3 水压爆破优点

（1）相同的爆破循环比常规爆破炸药用量少且循环进尺增大。

（2）水压爆破过程产生振动和噪音较小，对周围环境影响小，爆破出得光面效果理想，有利于支护作业进行。

（3）水压爆破中的水使爆破时产生的粉尘变少，有利于作业环境安全和工作人员身体健康，减少通风排尘时间。

（4）利用水压爆破过程中产生的岩石体积小，可以进行路基填料。

水压爆破大大提高了炸药能量利用率、节省单位延米炸药用量、加快施工进度、降低粉尘含量保护工作人员健康和环境。

2.4 水压爆破缺点

水压爆破增加水袋制作工艺和炮泥制作工艺以及装药前炮孔清理要求过高等工序，使水压爆破所需设备、工序等变多变得繁琐，对于较短隧道经济效益不明显。工序多，设备多增加工作人员多，对工序管理要求也高。

3 大梁山隧道工程概况

大梁山隧道起讫里程DK55+735-DK69+130，全长13395m，设计为单洞双线隧道，设计时速250km/h，全隧道共设置5座斜井，1号斜井与正线交汇里程为DK57+800，斜井长度950m，2号斜井与正线交汇里程为DK60+700，斜井长度450m，3号斜井与正线交汇里程DK62+650，斜井长度1045m，4号斜井与正线交汇里程DK65+140，斜井长度1300m，5号斜井与正线交汇里程DK66+800，斜井长度1013m。隧道进、出口交通条件较便利，隧道全线为直线。本标段施工里程为DK61+450-DK69+130（包含3#、4#、5#斜井及隧道出口区段），共长7.68km。隧道穿越地层主要为瓦窑口片麻岩，变质斜长花岗岩，斜长二辉麻粒岩，黑云二长花岗岩，变质花岗岩，吕梁期早期变质辉绿岩，吕梁期晚期灰绿岩，晋宁期灰绿岩及印支期石英斑岩，其中II级围岩575m，Ⅲ级围岩4960m、IV级围岩5520m、Ⅴ级围岩2295m，VI级围岩45m。隧道最大埋深430m。隧道正常涌水量80870m3/d，雨洪期最大涌水量136937m3/d。不良地质主要为围岩失稳塌方、岩爆、突水突泥与断层破碎带，特殊岩土包括黄土和膨胀岩土。隧道初始风险等级评定为“极高”。

4 大梁山隧道掘进中水压爆破的应用

大梁山隧道全长13395m，地质围岩复杂，属于长大隧道，大梁山隧道采用了水压爆破技术：

（1）施工进度要求：隧道掘进水压爆破每循环爆破进尺增加，爆渣破碎度提高，爆渣大块率降低，运渣作业时间减少，光爆效果好有利于支护工作进行等可以大大提高施工进度，使大梁山隧道如期完工甚至提前完工。

（2）施工安全要求：隧道掘进水压爆破充分利用炸药爆炸产生的能量，爆炸冲击波对围岩作用均匀，爆破效果好，不易发生坍塌。特别针对大梁上隧道这种地质围岩复杂的高危隧道能显著提高施工安全性。

（3）工程效益要求：隧道掘进水压爆破适用于“长、大、危”隧道，可以大量节省炸药用量，减少隧道事故发生额外费用，加快施工进度减少人力物力费用。

5 结语

隧道掘进水压爆破技术提高了炸药能量利用率，改善爆破作业对环境影响，适用于隧道各级围岩开挖掘进。水压单孔装药量比常规爆破少，降低爆破噪声和震动，减轻爆破后冲效应，保护围岩稳定性，从而增加光面爆破周边孔的孔痕率，水在爆炸作用下雾化降尘，使隧道工作面粉尘浓度较低。希望大梁山隧道也可以大力推广实践水压爆破，为水压爆破的发展做出巨大贡献，同时大梁山隧道能够按期甚至提前完工。