隧道掘进聚能水压爆破技术的研究与应用

李增恩

（中铁二十四局集团浙江工程有限公司，杭州 310009）

在公路隧道施工建设过程中常采用钻爆法进行施工，但由于区域地质条件差、爆破工艺选择不当或围岩等级有明显变化等，常常出现爆破后的超欠挖现象.该问题亟须解决，并已成为隧道技术人员重点探索的难题.聚能水压爆破技术是一项近几年在隧道掘进中的新型开挖技术，通过将药包注入已设计好带有水的被爆容器中，以水为传播介质传递爆破产生的振动使容器被破坏，而爆破范围以内的所有炮眼采取水压爆破，从而减少冲击波、碎石块及爆破噪声，较好地实现了爆破能量的充分利用、并解决了以往爆破效果不好、爆破工作环境差等问题.为了进一步探讨新技术，国内不少学者对隧道施工时使用聚能水压爆破技术进行实时监测，通过监测结果的对比分析，对聚能水压爆破技术获得了长足的认识.王军［1］以崤山隧道为工程背景，得出了聚能水压爆破能提高隧道施工效率，节省施工时间，并且比普通水压爆破技术降低了30%的施工成本.拜晓亮［2］从技术效果和经济效益两个方面对聚能水压爆破进行了分析，结果表明爆破后渣堆碎石块度下降了20%～30%，相较于常规方法进尺增加了11.1%，单位用药量节约了15%，周边炮眼数量减少了50%.刘海波、白宗河等［3］在金瓶岩隧道中引入了聚能水压爆破技术，成功解决了常规爆破的不足，取得了良好的经济效益.熊成宇、魏忠锋等［4］为了减小爆破对围岩周边的扰动，引进聚能水压爆破技术，达到了较好的爆破施工效果.李伟、袁绍国等［5］认为减小爆破施工对围岩的扰动，基岩才不会因爆破出现裂隙，才更有利于保障围岩稳定.聚能水压爆破相比常规光面爆破有更大的优势，其适应性更强.通过以上研究得知，聚能水压爆破技术目前仍然处于应用开发的初期，与传统爆破技术相比在施工效果与经济层面有着较好的发展前景及研究价值［6］.

基于此现状，本文以重庆沿江高速公路佛儿岩隧道为工程背景，对聚能水压爆破技术在隧道开挖掘进中的实际应用进行了探讨，并对爆破振动波形进行了分析.

1 工程概况

佛儿岩隧道位于四川省，是重庆沿江高速公路W1 合同段穿越的隧道.该隧道设计采用双洞单向行车三车道形式，左线隧道讫起桩号ZK1+685.5～ZK4+124，长2438.5 m，右线隧道讫起桩号YK1+738～YK4+131，长2393 m，隧道纵面均位于1.4%的单向坡.隧道穿过岩性级别为Ⅳ、Ⅴ级围岩，结合现场施工条件基于台阶法和CRD 法完成开挖作业.该隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩岩层风化破碎程度严重，自稳能力很差，且跨径大.采用聚能水压爆破开挖，优点是：开挖周边眼数量较少，对周边围岩震动较小，由于炮眼中有水袋，爆破会产生水雾，而产生的水雾起到了降尘效果.

在未采用聚能水压爆破时，隧道经常出现超欠挖，佛儿岩隧道为了解决这个难题，实施了聚能水压爆破技术，不但减少超欠挖，而且在加快工程进度、降低用药量、优化施工环境上取得了明显的效果.

2 聚能水压爆破技术原理

聚能水压爆破技术是一项在隧道掘进中的新型开挖技术.水压爆破是通过冲击波作用于岩石内部产生裂缝，然后将水与爆轰气体渗入裂缝之内，产生“水楔”效应，使围岩进一步破碎.聚能爆破是通过聚能管装置爆炸时在聚能槽方向产生聚能射流.聚能水压爆破把聚能爆破与水压爆破进行了融合，在爆破时，传播应力波在产生径向压应力和切向拉应力［7］的同时还在隧道轮廓面方向产生高温高压高速聚能射流，使炮眼中的水在爆破作用下产生“水楔”效应［8］，能进一步破碎围岩，并且有效利用爆破产生的气体和水对围岩二次破碎.

3 聚能水压爆破施工

3.1 聚能水压爆破设计

隧道掘进炮眼参数主要包括周边炮孔装药量、炮孔间距和周边孔抵抗线等［9］.以Ⅳ级围岩为例，佛儿岩隧道采用台阶法开挖，其聚能水压爆破参数如表1 所示.

表1 聚能水压爆破参数

3.2 聚能水压爆破工艺流程

本文以佛儿岩隧道为工程背景，引进聚能水压爆破技术并进行了研究，聚能水压爆破工艺流程如图1 所示.

图1 聚能水压爆破工艺流程图

首先进行施工准备，根据爆破设计新型装药结构，其截面图如图2 所示.聚能水压爆破技术主要将水袋、聚能管装置和炸药相结合，形成一个新型的装药结构，实质就是用聚能管代替了常规爆破炮孔中的炸药和雷管，在常规炮孔的最底部装填水袋，在常规炮孔上部放置水袋与炸药复合填充，然后由施工人员在掌子面上量测开挖轮廓线，对掏槽眼、辅助眼、底板眼、周边眼位置进行布置，装药由下向上进行，严格按爆破设计药量填装并封孔，最后起爆网络采用电雷管起爆，所有炮孔内均有1 ms雷管，将毫秒雷管连成线，用起爆器进行起爆.由于水具有不可压缩性，通过水将爆炸产生的冲击波对结构产生的压力会更加均匀，因此聚能水压爆破的效果与环境会比常规爆破更好.

图2 聚能水压爆破截面图

3.3 聚能水压爆破波形

关于爆破振动，阳生权等［10］基于小净距的公路隧道工程爆破震动安全监测，通过质点振动速度峰值与主振频率分析，对爆破震动的形式进行了探讨.余涛涛［11］通过数值模拟研究了地震波的响应规律.刘小鸣、陈士海［12］通过爆破波形函数预测了微时和炮孔数量对爆破振动的影响.

虽然，目前在常规爆破振动的研究方面已经有了很多成果，但新型聚能水压爆破技术的研究还需要加强.基于此现状，以实测聚能水压爆破振动波形在沿掌子面法线方向，沿平行于掌子面水平方向，沿平行于掌子面竖直方向的X、Y、Z三个方向的数据为样本，对聚能水压爆破振动的波形进行了研究.

聚能水压爆破振动波形如图4～图6 所示，从图中可以看出聚能水压爆破波形基本分为三个阶段：0～0.3 s为第一阶段，在此阶段中，振动波形峰值在Z轴，但绝对平均值以Y轴最高，为0.2875；0.3～0.9 s为第二阶段，其峰值在Z轴方向，绝对平均值以Y轴最高，为0.4246；0.9～1.5 s 为第三阶段，其峰值在Y轴方向，绝对平均值以Y轴最高，为0.2493.其波速代表了振动能量的大小，对比波形图可以发现Y轴方向能量最高，其原因是聚能水压爆破产生的水楔效应，利用水的不可压缩性，降低X轴方向上的冲击力，能更好地控制隧道的爆破，减少超挖现象的出现；同时增大Y轴和Z轴方向的冲击力，利用水楔效应，对掌子面产生二次破碎，减少欠挖现象的出现.

图4 聚能水压爆破X轴波形图

图5 聚能水压爆破Y轴波形图

图6 聚能水压爆破Z轴波形图

3.4 聚能水压爆破工程实践效果

佛儿岩隧道施工中，为了提高隧道爆破效果，减少隧道超欠挖，改变了常规爆破的方式，使用了新型聚能水压爆破技术.在佛儿岩隧道中选取了两段相似围岩条件及围岩级别的掌子面，分别进行了常规爆破和聚能水压爆破.从现场观测效果看，聚能水压爆破的超欠挖情况明显优于常规爆破，其产生的灰尘污染也低于常规爆破.从经济效益上看，在炸药用量一致的情况下，聚能水压爆破开挖轮廓线平顺整齐，超欠挖明显改善，混凝土回填成本大为降低，使用聚能水压爆破后，减少了二分之一的周边炮眼，减少了钻孔人员，降低了施工成本，取得了较大的经济效益.

4 结论

（1）从聚能水压爆破技术的原理及其施工工艺、爆破波形进行了讨论，体现出了聚能水压爆破技术的施工高效性与安全性，聚能水压爆破技术更加符合目前隧道开挖的绿色施工.

（2）对实测聚能水压爆破振动波形进行了分析，通过X、Y、Z三个方向的振动波形图，得出了聚能水压爆破X轴振动冲击力较低，Y轴、Z轴振动冲击力提高.采用聚能水压爆破技术能降低X轴方向上的冲击力，更好地控制隧道的爆破，减少超挖现象的出现；同时增大Y轴和Z轴方向的冲击力，利用水楔效应，对掌子面产生二次破碎，减少欠挖现象的出现，大大降低了施工成本.

（3）隧道爆破掘进采用聚能水压爆破，由于聚能水压爆破中含有水袋，爆破时产生水雾，而产生的水雾起到了很好的降尘效果，改善了爆破施工环境，并为以后隧道采用聚能水压爆破提供了例证.