探究复杂条件下隧道爆破施工技术方案

王军章

（四川公路桥梁建设集团有限公司机械化施工分公司，成都610000）

1 引言

在瓦斯浓度较大的情况下，隧道爆破施工难度大、风险较高，采用传统的钻爆法施工不仅无法精准控制爆破对隧道周围岩层造成的振动，还可能因爆破引爆瓦斯，从而酿成安全事故。水压爆破技术是以水作为能量传播介质，利用炸药产生的能量与压力完成岩体爆破，这种技术的优势在于对炸药能量利用率较高、施工效率较高，并且由于爆炸会产生水雾，可以消除导致瓦斯爆炸的诱因，相较于传统爆破施工法安全性较好。

2 工程概况

某铁路隧道全长9.956 km，设计为双线隧道，隧道起点里程D1K906+323，终点里程D1K916+279。设计左右线间距为5 m，设计纵坡为人字坡，隧道进口段设计为上坡，坡度为25‰，长度为5.777 km；隧道出口段设计为下坡，坡度为3‰，长度为4 179 km；隧道洞身最大埋深为485 m。地质勘测结果显示，该隧道D1K908+317～D1K909+600段穿越二叠系含煤20层以上属于瓦斯突出段，根据专业瓦斯测算，该段瓦斯压力梯度为0.004 MPa/m，估算瓦斯含量在6.90～21.59 m3/t，瓦斯相对涌出量在17.5～47.21 m3/t。在施工过程中要求必须做好防突措施，同时制定相应安全措施，以避免引爆瓦斯。

3 水压爆破技术原理与作用分析

3.1 技术原理

水压爆破技术在药量计算、参数控制、炮眼设计以及引爆方式等方面与一般意义上的工程爆破基本一致，主要区别是炮眼的装药结构不同[1]。在隧道爆破施工方面，水压爆破在炮眼布置、掏槽形式、炮眼深度、炮眼数量、爆炸时间间隔以及引爆顺序等方面与传统隧道爆破施工方法一致，不同的是水压爆破技术在炮眼中增加了炮泥与水袋。水压爆破需要在炮眼中注水，以起到水楔以及降尘作用[2]，在炮眼位置采用专门制备的炮泥堵塞回填，使爆炸气体充分膨胀，并以水作为爆炸能量和压力传播介质，从而达到强化爆破效果的作用。

3.2 作用分析

相较于传统的钻爆法，水压爆破技术的作用可以总结为“三提高一保护”，所谓“三提高”指的是：可以提高对爆炸能量的利用效率，这意味着可以节约部分炸药，有助于控制隧道爆破施工成本[3]；可以提高爆破施工效率，这意味着可以加快施工进度，从而保障项目如期交付；可以提高经济效益与社会效益，水压爆破技术虽然增加了两道工序，但整体成本较低，有助于提高项目经济效益，同时水压爆破施工过程中对周围环境造成的影响较小，有助于提高项目社会效益。“一保护”指的是水压爆破技术可以有效降低爆破施工过程中产生的粉尘，净化爆炸后产生的有害气体，这不仅能避免造成环境污染，同时也有助于保护施工人员身体健康[4]。整体而言，水压爆破技术施工效果较为理想，可适用于铁路隧道、公路隧道、水电工程、矿山隧道、导流洞以及地下巷道等领域，同时也适用于高瓦斯等复杂地质条件下隧道爆破施工，可以取得良好效果。

4 隧道爆破施工技术方案

本项目中，采用传统钻爆法虽然也可以完成隧道开挖施工，但考虑到该隧道D1K908+317～D1K909+600段属于瓦斯突出段，传统钻爆法施工效果不够理想，对炸药能量利用率过低，同时安全风险较高，还可能会造成一定的环境污染，因此，决定采用水压爆破技术完成隧道开挖施工。

4.1 施工工艺流程

水压爆破施工工艺流程为：（1）设计施工技术方案，包括掏槽形式、炮眼设计、药量计算以及起爆网络设计；（2）协调组织各工种施工人员，安排施工材料以及机械设备进场；（3）按照炮眼设计方开凿炮眼；（4）清理炮眼，确认其中无杂物，符合设计标准；（5）装填炸药、水袋，使用炮泥将炮眼回填堵塞；（6）连接起爆网络，并进行测试，检查是否存在异常；（7）施工现场作业人员以及机械设备撤离至安全距离；（8）按照爆破施工技术方案设计按时起爆；（9）进行排烟以及喷水降尘等工作；（10）检查爆炸区域，及时处理危石；（11）机械设备进场开始清理隧道；（12）测量人员进场测量掘进进尺；（13）技术人员分析现场爆破效果，以便对施工方案进行调整、改进。

4.2 前期准备环节

由于水压爆破技术与传统钻爆法的主要区别在于增加了水袋与炮泥，因此，本文重点介绍前期准备环节的炮眼注水工艺、水袋制作方法以及炮泥制作方法。

4.2.1 水袋制作以及炮眼注水工艺

目前的爆破水袋仅放置于聚能管两端，没有包裹在聚能管上，不能很好地形成水楔作用，爆破效果不佳，并且水袋质量不好，容易在装填过程中被损坏。本项目中制作水袋采用TPR材料（热塑性橡胶材料），增加了水袋的耐磨性能，同时在水袋和水球中添加活性炭，使水袋吸附灰尘的能力增大，并且可以固定聚能管使其不与洞壁接触。制作水袋所需材料包括水袋主体、聚能管、导爆索、水球、注水口、套筒水袋、通水孔、双面胶以及水袋柱。装填时，需要按照水袋、炸药、水袋、炮泥的顺序进行装填，注意各部分间需要紧密连接；装填水袋时利用炮棍将水袋一一捅至炮眼中指定位置；使用炮泥回填堵塞炮眼时除了炮泥和水袋接触的区域，其余部分需要使用炮棍进行捣鼓，以确保堵塞效果。

4.2.2 炮泥制作方法

炮泥的制作方法相对比较简单，按照要求使用专门的设备制作即可。要求炮泥必须保持顺直，以便于回填堵塞，节省堵塞炮眼时间，提高施工效率，因此，需要在施工现场专门开辟一个炮泥制作场地。制作好炮泥后要妥善保存，不能长时间在阳光下暴晒，以避免炮泥水分蒸发变干、变硬，建议在使用前1～2 h内制作好即可，使用塑料袋进行分装，每袋20根，这样不仅便于运输，还能避免水分蒸发。

4.3 施工环节

本项目中，根据施工现场实际情况，选择两种水压爆破施工工艺，分别是有导爆索的光面水压爆破与无导爆索的光面水压爆破。

4.3.1 有导爆索的光面水压爆破施工

目前，在隧道掘进光面爆破方面，最为常用的就是有导爆索的光面水压爆破技术，其炮眼结构基本上采用以空气为间隔的间隔装药结构。药卷直径主要有两种规格，分别是25 mm和32 mm，采用纸壳卷堵塞炮眼口[5]。引爆方法如下：（1）在光爆炮眼深度基础上延伸50 cm切断导爆索；（2）将切断后的导爆索装填至炮眼中；（3）炮眼外使用导爆索将炮眼导爆索串联，6个炮眼为1组；（4）使用毫秒雷管引导导爆索。这种施工工艺的优势在于装填炸药比较简便，但也存在明显缺陷，即需要使用大量导爆索，整体成本较高，而且出现拒爆的可能性较高，一般来说，出现拒爆的情况主要是由于炮眼外导爆索的连接处理不当造成的。

在本项目中，基于施工现场实际情况，对有导爆索的光面水压爆破工艺进行了部分改进和优化。在实际施工过程中仍采用原来的以空气为间隔的间隔装药结构，装药量与导爆索布置也基本一致，主要区别表现在3个方面：（1）在炮眼底部装填1个水袋；（2）移动距离炮眼口最近的药卷，将药卷与炮眼口的距离控制在1 cm；（3）采用水袋和炮泥对炮眼口进行回填堵塞。经过改进优化的有导爆索的光面水压爆破工艺虽然无法起到节省施工费用的作用，但是可以有效强化降尘作用与防岩爆作用，施工效果较为理想。

4.3.2 无导爆索的光面水压爆破施工

无导爆索的光面水压爆破施工相较于常规光面爆破施工工艺，主要进行了以下几方面的优化改进：（1）改变以空气为间隔的间隔装药法，采用连续装药结构；（2）药卷直径均采用25 mm；（3）改变以导爆索引爆炸药的方式，以雷管起爆炸药代替；（4）改变以纸壳卷堵塞炮眼口的方式，采用水袋+炮泥的方式回填堵塞炮眼口[6]。该工艺的主要优势在于不必使用导爆索，可以有效降低爆破施工费用，而且爆破质量以及降尘作用也得到了显著提升。

本项目中，采用无导爆索的光面水压爆破工艺。设计掘进深度为3.8 m，炮眼结构由底部至炮眼口依次为2个水袋、8节25 mm药卷、5个水袋，最后用炮泥将炮眼口回填堵塞。由于在炮眼底部装填了2个水袋，爆炸后现场粉尘约下降了65%，降尘作用显著提升，有效缩短了通风时间，并且现场作业环境也得到明显改善。

4.4 技术要求

4.4.1 合理控制炮眼间距

目前，普遍认为光面形成是爆炸气体与应力波峰叠加共同作用下的结果，这就要求合理控制炮眼间距[7]。若炮眼间距合理，则在爆炸气体作用下，炮眼沿线会形成应力集中，进而使岩石断裂形成光面。反之，则会导致应力分散，无法取得良好的爆破效果。一般来说，光面水压爆破建议将炮眼间距控制在40～50 cm，本项目中设计炮眼间距为42 cm，从实际施工情况来看，爆破效果良好。

4.4.2 合理控制光爆层厚度

光爆层厚度指的是内泉眼至炮眼间的距离。一般认为光爆层厚度应大于光爆炮眼间距，否则在采用以空气为间隔的间隔装药结构时，很容易导致光面坑坑洼洼，难以有效保障光面爆破质量。本项目中设计光爆层厚度为46 cm，从实际情况来看，光面整齐平顺，爆破效果良好。

4.4.3 打炮眼要准、直、平、齐

打炮眼时要遵循“准、直、平、齐”原则。“准”即准确定位炮眼位置，做好标记，同时要测量好各炮眼间距以及光爆层厚度，确保炮眼位置准确；“直”即炮眼要按照设计方向垂直掘进，不能出现偏差，打炮眼时可以采用半圆仪对钎杆角度进行校核；“平”即炮眼内部要平顺、光滑，炮眼内部表面不能出现坑坑洼洼的情况，以免影响爆破效果；“齐”即所有炮眼必须处于同一个垂直面上，同时深度要保持一致，不能出现偏差。

5 结语

本文主要研究了高瓦斯复杂地质条件下的隧道爆破施工，提出了水压爆破施工技术方案，有效克服了传统钻爆法的缺陷，虽然施工工艺相对复杂，但从实际效果来看，爆破质量以及施工效率得到有效提升，也节省了部分施工费用，综合效益良好。