水压光面爆破在特长隧道开挖中的应用

闫有民，刘国军，杨 鹏，陆彦林，常彦军，杨元兵，滕 潇，李鹏程

(1.甘肃路桥建设集团有限公司, 兰州 730020；2.甘肃兰金民用爆炸高新技术有限责任公司，兰州 730020;3.甘肃省民用爆炸工程技术研究中心，兰州 730020)

0 引言

随着国家西部大开发及“一带一路”战略的深入实施，我国西部地区基建工程大量开工建设，由于西部地区海拔普遍较高，新建高速公路往往需要穿过高大山脉，隧道建设成了交通建设中必不可少的一部分，因此大量隧道隧址位于高寒地区，且长度较长，多属于特长隧道.隧道建设是整个交通建设中的重点、难点，造价高，爆破方案的选择对隧道建设起到关键性作用.目前国内隧道主要采用钻爆法施工[1].爆炸过程释放的能量仅仅只有20%～30%直接用于岩石破碎，而其余的能量则以地面振动、空气冲击波、飞石和噪音的形式消散，还会产生大量粉尘[2].随着国内隧道工程建设的快速发展，当前，传统的光面爆破技术已不能满足日益增高的爆破效果需求[3]，常规爆破技术隧道超欠挖严重，爆后围岩整体性差，混凝土衬砌量大量增加；爆后产生的粉尘及爆破产生的有害气体较多，对环境产生污染，且排除时间长，施工人员作业环境差，职业病危害严重；火工品材料使用量大，增加施工成本.鉴于这种情况，敦煌至当金山高速公路阿尔金山隧道采用水压光面爆破技术，取得了良好的经济效果.

1 工程概况

阿尔金山隧道位于中高山区，总体呈东西向延伸山脉，隧址区地面高程3 200～3 760 m，相对高差约560 m，高海拔季节性温差较大，年降水量较小，属于高寒干旱气候区；隧道长：右线7 527 m，左线7 525 m，属于特长隧道，设计开挖断面为78.75 m2(不含围岩预留变形).

隧道所处范围地势陡峭，山峰叠嶂起伏，植被覆盖薄弱，岩层表面土层覆盖率低且下切严重，沟壑大多深切呈“V”字形，沟谷两边山体自然坡度35°～65°，沟谷南北两侧宽度11～13 km，隧道在山体中的位置离山体边缘13 km.阿尔金山隧道北面地势险峻，南面相对平缓，山体表层岩体破碎，风化严重.隧道线路位置受东西方向断裂构造影响，穿越区域断裂层较多，岩体稳定性较差.地势挺拔，海拔高，空气含氧量较低.岩层存在裂隙水，隧址区裂隙水多以泉的形式排泄于沟谷较低洼处.隧道线路围岩以Ⅳ级围岩为主，存在部分Ⅲ级围岩和Ⅴ级围岩.

2 隧道常规爆破

2.1 主要方案

隧道钻爆采用风动凿岩机钻孔，人工装药，使用2号岩石乳化炸药，导爆管雷管，非电毫秒延时起爆网络，控制最大一段齐爆药量，确保爆破振动速度在容许范围以下.

2.1.1 开挖方法

阿尔金山隧道围岩以Ⅳ级围岩为主，Ⅳ级围岩岩石破碎，整体稳定性较差，掘进时采用上下两台阶开挖方法，先开挖隧道上部，及时进行初支封闭拱顶围岩，再开挖隧道下部，及时对两帮支护封闭，最后施工仰拱，形成整体封闭支护体系.对于部分Ⅲ级围岩段，可采用全段面一次开挖方法掘进，一次爆破成形，及时进行支护封闭.

2.1.2 钻孔施工

钻孔施工采用人工风动凿岩机，现场焊制钻孔台架.钻孔直径42 mm，钻孔前进行孔位测量定位，在掌子面画出开挖轮廓线，定出周边眼、辅助眼、掏槽眼孔位.钻孔时严格按放样孔位开钻，保持钻孔角度，孔底要落在一个平面.

2.1.3 装药结构

掏槽眼、辅助眼在轴向采用连续装药结构，径向采用不耦合装药结构，不耦合系数为1.3.周边眼轴向采用空气间隔装药结构，孔底段加强装药，径向不耦合装药，不耦合系数1.3.常规爆破所有炮孔采用炸药包装箱浸水软化后堵塞或不堵塞.

2.1.4 起爆顺序

采用非电毫秒导爆管起爆网络，掏槽眼为二级复式楔形掏槽，雷管段采用1段和3段雷管；辅助眼根据排数及最大齐爆药量要求，采用5～11段雷管；周边眼一次起爆，采用13段雷管；底板眼最后起爆，采用15段雷管.总体起爆顺序为：掏槽眼—辅助眼—周边眼—底板眼.

2.2 爆破参数设计

2.2.1 炮眼总数

根据开挖断面面积和开挖段围岩坚固性系数，采用经验公式，计算出每一循环所需炮眼总数，再根据实际布孔进行回归校正，最终确定出实际1个循环所需炮眼，按相关爆破参数及布孔规则进行炮眼布置.

炮眼总数按式(1)计算

(1)

式中，N为炮眼数目；f为岩石坚固性系数；S为开挖断面面积，m2.

根据阿尔金山隧道开挖面积和围岩性质，按上式计算并进行实际调整，最终确定开挖面炮眼总数为125个，具体按不同炮眼形式分配.

2.2.2 掏槽孔设计

掏槽眼的作用在于创造新的自由面，为辅助眼和周边眼爆破创造有利条件[4].楔形掏槽是隧道掏槽爆破中的主要形式，有单级楔形掏槽和多级复式楔形掏槽之分，循环进尺较大时宜采用多级复式楔形掏槽[5].根据阿尔金山隧道围岩地质情况及开挖断面尺寸，共设计16个掏槽孔，采用二级复式楔形掏槽.其中一级掏槽孔8个，倾角77°，孔深3.5 m，孔间距0.6 m;二级掏槽孔8个，倾角81°，孔深3.3 m，孔间距0.6 m，孔底距0.3 m；掏槽孔位于掌子面中心线左右两侧1 m，距离底板0.8 m的位置.

2.2.3 辅助孔设计

孔数50个，倾角83°～88°孔深3.2 m，孔间距0.8～1.0 m，孔底距0.8～1.0 m.

2.2.4 周边眼设计

孔数43个，倾角92°孔深3.2 m，孔间距0.5 m，孔底距0.45～0.5 m.

2.2.5 底板眼设计

孔数16个，倾角90°～92°孔深3.2 m，孔间距0.8 m，孔底距0.8～0.9 m.

2.3 装药量计算

隧道爆破中不同炮眼类型所承担的任务有所不同.掏槽眼主要是为后续爆破创造自由面，要求将炮眼负担面积的岩石尽可能全部抛出；周边眼为保护围岩不受破坏，通过光面爆破在开挖轮廓线形成平滑裂缝；辅助眼要尽可能均匀破碎岩石且不能抛掷过远，块度均匀，爆堆集中，有利于爆渣装运.各部位炮眼根据要求装药量有所不同，根据经验以及现场试爆，确定合理的线装药密度.

利用式(2)计算单孔装药量

Qi=nilir

(2)

式中,Qi为i种类炮孔的单孔装药量，kg；ni为i种类炮孔的装填系数，%；li为i种类炮孔的孔深，m;r为每米炸药的质量，(kg/m).根据公式计算可得：

1)掏槽眼：ni=75%，li=3.3 m(l=3/sin77°×0.94≈3.3 m，l=3/sin81°×0.94≈3.23 m，取3.3 m线装药密度q=0.98 kg/m.)，r1=0.88，因此Q=2.2 kg,取2.4 kg,则总药量为38.4 kg；

2)周边眼：ni=75%，li=3.2 m，r=0.75，因此Q=1.8 kg，则总药量为84.6 kg；

3)辅助孔：ni=75%，li=3.2 m，r=0.85，因此Q1=2.04 kg,取2.1 kg,则总药量为105 kg；

4)底板眼：ni=75%，li=3.2 m，r=0.78，因此Q=1.87 kg,取1.8 kg,则总药量为28.8 kg.

表1 隧道常规爆破参数表

3 隧道水压光面爆破

3.1 水压爆破原理

隧道水压光面爆破是在炮孔内加入水介质，合理改变装药结构，在原有光面控制爆破的基础上，在炮眼中装入一定比例的水袋替代一部分炸药的同时，改变传能介质，从而提高爆破时的传能效率，既能节约隧道爆破成本，又有利于隧道超欠挖控制.水压爆破与常规爆破相比只是将水袋和炮泥填充到炮眼中，区别在于装药量，除周边眼外其他每个炮眼的装药量少一节炸药，其他方面例如掏槽形式、炮眼分布和数量、钻孔深度、起爆顺序和时间间隔等方面的设计与常规爆破相同[6-7].

水压爆破技术有着“三提高一保护”的明显优势[8].相对于常规爆破技术，水压爆破技术的应用不仅提高了炸药能量的利用率，改善了爆破效果，还降低了爆破噪声和振动效应，有效地保护环境[9].与传统隧道开挖爆破相比，其技术特性归纳如下：

1)由于水中初始冲击波压力比空气中的大得多，因此有利于岩体破碎，从而能提高炸药的能量利用率及隧道掘进效率.试验证明，空气中的爆破初始冲击波压力约为(80～130)MPa，而在水中的初始冲击波压力则超过1万MPa.

2)由于炸药爆炸后产生的高压气团形成的水楔传递的能量比气楔大，水楔作用有利于岩体的进一步破碎，也有利于提高施工中炸药的能量利用率及隧道掘进效率.

3)水具有缓释降能作用：爆炸冲击波在水中传递较为均匀，能量在被爆介质(岩体)上作用时，介质破裂区扩张明显，塑性流动破坏和表面介质的过度粉碎则大大降低，这不仅使得爆炸能量的有效利用率得到提高，而且也起到了缓冲作用，因此更有利于隧道爆破控制，这也正是隧道超欠挖控制所需要的效果.

4)炮眼由于采用了炮泥加水袋此更有利于隧道爆破控制，这也正是隧道超欠挖控制所需要的效果.水袋加炮泥的混合堵塞方式，有效隔绝了爆破腔室的向外通道，炸药爆炸时产生的能量和高温高压气体可长时间作用于岩壁，爆炸能量向外无效逸散较少，提高了炸药能量利用率，减少炸药使用量，经济效益显著.

5)堵塞的水袋在炸药爆炸瞬间，迅速雾化，雾化后的水汽可吸收粉尘，有效降低隧道内的爆炸粉尘浓度，通风降尘时间大大缩短，有利于加快施工进度.

3.2 水压光面爆破技术要点

遵循能量均布的原则，在炮孔装药段合理布置药卷，严格控制周边眼单孔装药量.

利用水介质减少炸药能量的消耗，同时由于“水楔”效应使岩石破碎效果更均匀.

利用水袋爆炸雾化，水雾吸附粉尘颗粒，改善作业环境，减小粉尘对作业员工的职业危害.

3.3 水压光面爆破参数设计

水压爆破在炮眼深度、炮眼分布以及起爆顺序等设计与常规爆破一模一样，仅是减少炮眼数量和每个炮眼的装药量和装药结构上做了变化.

1)辅助眼炮眼直径采用：d=42 mm，药卷直径φ32 mm，反向连续装药；周边眼炮眼直径采用：d=38 mm，药卷直径φ20 mm，空气间隔装药.

2)循环进尺为3.0 m，炮眼利用率94%.

3)掏槽方式采用复式楔形掏槽.

4)孔位布置形式及参数见图1：

图1 Ⅲ级围岩孔位布置图

5)掏槽孔装药量计算：

η为炮孔利用率；l为炮孔长度；q为线装药密度.

Q=ηlq=0.94×3.3×0.98=3.04 kg,取Q=3.0 kg；线装药密度q=0.98 kg/m.

6)辅助、底板孔爆破参数.

抵抗线：根据经验取抵抗线W=(800～900)mm.

炮孔间距取：a=(800～900)mm.

辅助、底板孔装药量：Q=qv=qawl.(q为炸药单耗量kg/m3，取0.9 kg/m3)

Q=qv=qawl=0.9×0.8×0.8×3.2=1.84 kg,取Q=1.8 kg.

7)周边孔爆破及参数：

周边孔参数按经验公式计算.

孔间距：E=(8～18)d，在计算时取E=15×38=570，故取E=600 mm.

抵抗线：W=(1.0～1.5)E,在计算时取W=1.2×500=600 mm.

装药集中度：q=0.1～0.2 kg/m，取q=0.2 kg/m，故Q=3×0.2=0.60 kg,取Q=0.6 kg.采用分段装药结构，装药顺序为：1节水袋+2/3单孔装药量+3节水袋+1/3单孔药量+5～6节水袋+泡泥回填(确保回填在0.4～0.5 m)，炮孔堵塞长度=抵抗线=500 mm.

表2 隧道水压光面爆破参数表

3.4 水袋灌装

现场采用预制水袋，水袋外购，现场进行灌装.水袋材料为聚乙烯塑料，水袋要求具有足够的厚度，保证装填时不被炮眼内锋利岩屑划破，同时水袋长度可选择与药卷长度一直，方便现场控制装填长度.

水袋灌装采用KPS-60塑袋灌装封口机加工制作.该设备操作简单，现场作业人员简单培训后可熟练操作，正常可制作600个/h水袋以上.

3.5 预制炮泥

水压爆破的关键点之一就是炮孔的有效封堵，要求封堵材料具有良好的黏性、塑性及材料易获得和现场操作方便.按炮眼直径提前预制炮泥，现场直接使用可有效提高劳动效率，同时更为作业人员所接受.

预制炮泥采用PNJ-A型专用炮泥机进行加工制作.制作炮泥的原材料为黏土、河沙及水，可就地取材，而且用量不大，成本低廉.炮泥成型后要求软硬适中，表面光滑，使用中不断裂.生产出的炮泥按照(20～30)cm的长度切割.制作好的炮泥放置时间不要太长，最好在使用前1～2 h制作好，不然会失水变硬，堵塞后影响降尘效果，如放置时间较长，可在加工好的炮泥外包裹塑料薄膜，或放置在阴凉处，用湿土工布完全覆盖保存.

在制作炮泥时在原材料中添加玻璃丝，制作的炮泥柔软性好.制作好的炮泥装置在塑料筐中并采用塑料薄膜封闭后，可存放2～3 d，可减少炮泥的制作频率.

3.6 水压光面爆破工序

在爆破作业前，用专用设备提前加工好水袋和炮泥；准备好炮棍和绝缘胶带，并运至掌子面附近不受干扰的地方.装填步骤：①在每个炮孔装入1个水袋(掏槽孔除外)，并用炮棍送到孔底；②周边眼装入2条炸药及1发导爆管雷管，辅助眼装入6条炸药及1发导爆管雷管，掏槽眼装入10条炸药及1发导爆管雷管；③装入水袋(掏槽孔位置可适当增加炸药数量，减少水袋数量)确保泡泥回填深度40 cm；④装入炮泥并把炮孔封堵严实，所有炮孔装填完成后联线起爆，装药结构图见图2.

图2 装药结构示意图

4 效果对比

对阿尔金山隧道相同围岩类别采用不同的爆破方式，并对钻孔长度、单循环时间、爆破主要器材消耗、超欠挖、喷护混凝土消耗量及排烟时间进行对比.

4.1 技术效果分析

1)缩短了钻孔时间，节约钻孔材料消耗，降低电力消耗，减少了炸药用量，节约成本.

表3 爆破效果对比

2)半孔保留率达到80%以上，提高后序工作安全系数.

3)爆堆长度适中，大块率低，提高了出渣速度，缩短循环周期.

4)减少有害气体排放量，缩短排烟时间，减少有害气体对人体的伤害，更有效预防职业病.水压光面爆破

5)超欠挖控制良好，有效的节约了喷锚材料.(水压光面爆破与光面爆破效果对比图见图3)

图3 水压光面爆破效果

4.2 经济效果分析

1)节约炸药17%以上，控制了成本；

2)减少喷砼12%左右，节约资源、降低了成本；

3)加快了施工速度，缩短工期，提高设备利用率，减少设备使用费用及人员、电力消耗等费用.

5 结束语

1)隧道开挖过程中采用水压爆破增加了爆破效果，节约了爆破材料，减少了围岩的扰动影响，提高保留岩体的完整性与稳定性，孔痕率、半孔率高，开挖轮廓平整，超欠挖控制良好，支护喷砼成本降低，节省电力资源，降低施工成本.

2)加快了施工进度，生产成本降低，经济效益得到显著提高，作业环境改善，取得了良好的经济和社会效益.

3)在长期的隧道爆破施工中，采用水压光面爆破，不仅起到了降本增效的作用，同时更加符合国家绿色环保施工的要求，在今后的隧道爆破施工中应大力的推广，积极的应用.