聚能水压爆破在岩溶隧道施工中的应用研究＊

张志鸿 史春宇 周 杰 焦景涛 杨凡杰

（1.中交隧道工程局有限公司，北京 100000；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071）

0.引言

目前，爆破作为一种高效、安全、适应性强的开挖方式被广泛应用于地铁、隧道、洞室等地下工程建设中，近年来也得到了快速发展和改进，形成各种新型爆破技术。随着我国隧道等地下工程建设的快速发展，隧道施工往往要面临各种不良地质环境，如岩溶溶洞等，这种条件下施工需要面对突水、突泥、塌陷等多种难题[1]。传统的光面爆破虽然在隧道开挖工程中卓有成效，但是也会出现超欠挖等现象，不利于光面的形成，尤其是在遇到岩性软弱、地质条件差的围岩状况时，光面爆破由于其爆破能量难以控制，会对围岩产生较大的损伤，严重的还会造成围岩变形、失稳，引发安全事故，影响施工进度和支护成本[2]。而聚能水压爆破技术由于其聚能效应可以合理控制爆炸能量，因而有利于光面的形成，大大减少超欠挖现象的发生，对围岩损伤较小，适用于各种地质条件。例如，罗家山隧道穿过岩溶区，地质条件条件极其恶劣，采用聚能水压爆破技术施工后，形成了良好的光面效果[3]。五指山隧道处于岩溶地带，采用聚能水压爆破技术施工后减少了超欠挖现象的产生，减小了围岩扰动[4]。桐梓隧道采用聚能水压爆破技术施工后，超欠挖现象得到有效控制，达到了良好的爆破效果[5]。因此，聚能水压爆破技术相比于传统光面爆破具有更好的优势，可适用于岩溶隧道等地质条件复杂的工程施工中。

本文主要介绍了聚能水压爆破技术原理和技术发展现状，工程应用上以周盘沟隧道为背景，采用振动测试的方式验证了聚能水压爆破在围岩稳定方面的可靠性，可为类似工程爆破施工提供相关参考。

1.聚能水压爆破技术原理

传统的光面爆破技术，采用直接往炮孔内装填炸药和导爆索的方式，主要依赖的是炸药爆炸所产生的能量，炸药爆炸后产生冲击应力波作用至炮孔围岩，造成岩石的径向压破坏和切向拉破坏。当周边眼爆破时，相邻的炮孔连线两侧将出现明显的应力集中现象直至超过炮孔连线处岩石抗拉强度之时，岩体会沿着炮孔连线处破坏；此外，炸药爆炸产生的高压气体膨胀产生的静力作用也会作用于裂缝，使其进一步扩张形成光爆轮廓面。而聚能水压爆破技术则是在传统光面爆破技术的基础上发展形成的一种新型爆破方式，它改变了原来的直接装填炸药和导爆装置的方式[5]，采用聚能管装置和在炮孔底部与顶部填塞水袋的一种新型装药方式，最后使用炮泥填塞炮孔实现封堵效果。该装药结构如图1 所示。

图1 聚能水压爆破装药结构图

区别于传统光面爆破的爆破原理，聚能水压爆破技术充分利用了聚能管的聚能效果和水袋的不可压缩性。当炸药爆炸时，聚能管中将集中大量爆炸能量从聚能槽释放，实现装药能量的定向利用，同时，在炮孔两端被水袋封堵的情况下，由于水的不可压缩性，爆炸能量能够几乎无损失的作用于炮孔围岩；同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应也更加利于围岩进一步破碎，多种因素共同作用有利于断面光面的形成[5]。因此，聚能水压爆破相较于传统光面爆破不仅有着更好的爆破效果，还能减小对围岩的损伤，适用于不稳定围岩状况下的开挖。此外，聚能水压爆破后水还可以起到雾化降尘作用，有利于保护环境[6]。由此可见，聚能水压爆破技术相对于传统光面爆破在原理上有着较好的优越性。

2.聚能水压爆破技术现状

2.1 聚能水压爆破施工方案

在实际施工过程中，聚能水压爆破主要运用在施工断面周边眼中用于形成断面轮廓，其余炮孔一般采用常规爆破或者水压爆破方式。

（1）施工准备。

1）爆破方案设计。需结合工程实际确定，考虑到聚能效应，周边孔的孔距可以适当加大。

2）周边眼装药结构。先在炮眼底部放置一个水袋，注意需和炮眼底部紧密接触，然后安放聚能管装置，后继续填装两个水袋，最后用特制的炮泥（水砂袋）填塞至炮眼口。

3）炮泥（水砂袋）制作。采用过筛的黏土、无杂质的细河砂、水按合适比例用炮泥机进行配制，在需要的长度处截断。炮泥保存时应用塑料进行包裹放在阴凉潮湿的地方，最好在使用前1h ～2h 制作备用。水砂袋则是将水和砂按一定比例混合装袋形成，水砂混合体是一种非牛顿流体，具有较好的堵塞效果。

4）水袋制作。水袋内的水选用无明显杂质的普通水，塑料袋长21mm，宽36mm，厚度0.9mm，装入适量的水后用封口机封口。封口机使用前进行试机，提前预热机器达到封口温度，试用2 次，将机器内的空气排出，用手固定塑料袋到出水口，启动机器完成封口。

5）聚能管装置组装。聚能管由两个壁厚2mm 的PVC 半壁管装药组装而成，装药时使用空气压缩机和注药枪，组装时注意包裹好起爆装置。

（2）钻孔。严格按照炮孔布置设计图等相关参数，做到准确定位炮眼和钻孔施工工作。钻孔结束后应保证炮孔内部的清洁。

（3）装药、爆破。

1）装药。辅助眼先把1 个水袋放在炮眼的底部，并且与接触面紧密结合没有空隙，然后在水袋上面接上药卷，药卷与水袋紧密结合，药卷安放完成后继续填接1～2个水袋，最后以炮泥（水砂袋）堵塞至炮口。掏槽眼装药结构与辅助眼类似，但其药卷用量多一些。

2）爆破。采用延时爆破方式，按照先爆掏槽眼、再爆辅助眼、最后爆周边眼的起爆顺序。

（4）出碴及初期支护。爆破后立即通风进行排烟降尘，聚能水压爆破减少了粉尘量，缩短了通风时间。确认无粉尘后进行危险点排除，如危石、哑炮等。保证了爆破现场的安全后，即可进行支护作业。

2.2 钻爆设计优化

（1）聚能管装置优化。主要包括根据爆破试验调整聚能管的截面形式及线装药密度，半壁管合成聚能管后防错位等。

（2）水袋优化。在水袋用水上，可在水中加入添加剂加大水的表面张力，使得水袋雾化后易于与爆破产生的粉尘颗粒充分结合，降尘效果更好；同时可优化调整炮孔中水袋的装填结构、位置及长度，使其达到较佳的降尘除尘效果[7]。

（3）炮泥优化。为了减少工人劳动强度，可制造一种自动切割炮泥机，可实现土、砂、水的一定比例下混合，实现炮泥的精细化制造，优化炮泥的质量[7]。一定条件下，也可采用水砂袋代替传统炮泥进行堵塞，实现更优化的堵塞效果[8]。

（4）钻孔优化。采用湿式钻眼法，重点控制周边眼的钻孔操作，严格控制误差，为形成光面爆破，应极力保证炮眼底面在一个平面上；如要提高钻孔作业效率，可引进三臂凿岩台车等大型钻孔设备开展作业[7]。

2.3 超欠挖控制技术

超欠挖控制一直是隧道爆破中的难题，总体而言为根据围岩情况适时调整爆破设计。有关文献[9]中较为详细介绍了余家山隧道聚能水压光面爆破参数随掘进而调整的过程，在各洞段均取得了良好爆破效果，超欠挖得到了有效控制。另外，隧道所经过区域的地质状况不会是一成不变的，各种爆破设计参数也不是万能的，需要结合掌子面情况和相关经验不断调整，如遇到围岩节理、裂隙发育密集情形，应适当减小周边眼间距、同时减小聚能管线装药密度，如此方能达到总体的超欠挖控制目标。

2.4 聚能水压爆破信息化管理

在现场采用视频监控技术，一方面监督施工人员是否存在违规操作现象，另一方面也可在出现较大的超欠挖时寻找原因（如是否施工人员填装聚能管装置时聚能槽位置未对准开挖轮廓面）。

此外，可建立该项目的数据库，记录每一循环进尺时各种爆破参数以及此时的爆破效果，当然还包括该段的地质状况。数据库不断指导下一进尺的参数调整工作，爆破结果又进一步充实数据库，最终实现隧道开挖全过程的超欠挖控制，并能对以后类似的聚能水压爆破项目提供技术支撑。

3.岩溶隧道的工程应用

下面通过现场工程应用来验证聚能水压爆破在围岩稳定性方面的可靠性。周盘沟隧道属于一种灰岩岩溶隧道，其中溶洞和节理裂隙发育。在该隧道施工过程中分别采用传统光面爆破和聚能水压爆破进行爆破振动试验，每次爆破控制炸药量相同，在距隧道开挖掌子面70m 处开展围岩振动测试。测试采用RSM-VM1004（A）型振动测试仪，爆破作业前将监测传感器用石膏固定在隧道边墙上即可等待触发，等待触发过程中避免人为扰动干扰测试结果。试验结果表明，在相同的炸药量和监测距离下，传统光面爆破产生的围岩振动峰值振速为0.181cm/s，大于聚能水压爆破产生的峰值振速0.101cm/s。由此可见，聚能水压爆破对岩溶隧道围岩产生的振动损伤更小，更有利于围岩的稳定性和支护作业，可适用于地质条件复杂的岩溶隧道等相关工程。

需要注意的是，聚能水压爆破技术虽然原理上可行性强，工程上适用性强，有着经济效益高、围岩扰动小、光面效果好等优点，但也不是一蹴而就的，而是结合大量的工程经验得出的，不能直接照搬照抄别的工程上的爆破技术和方案，否则可能会适得其反。而是要根据相关已有爆破技术进行工程试验，根据爆破效果来不断改进，形成适合自己的技术，也为爆破技术的发展贡献自己的力量。不同的地质条件、岩石性质、开挖尺寸等影响下，适用的聚能水压爆破技术也有所不同，往往需要根据具体情况改变聚能管参数及其材料种类、炸药种类、炸药量、炮孔设计参数等。例如，当有结构面与开挖轮廓相交时，聚能管聚能槽朝向可能需要调整以减小超挖和减小对围岩稳定性的破坏，具体如何调整可能要经过试验得到，需要进一步研究。

4.结论

（1）通过对比传统光面爆破和聚能水压爆破的技术原理，发现聚能水压爆破利用其聚能效果和水压效果能够合理控制爆破能量的释放，形成更好的爆破效果，并且水袋爆炸后形成的水雾能够起到降尘作用，更加环保。

（2）从施工方案、设备改进、钻爆设计、超欠挖控制技术以及信息化管理等角度分析了聚能水压爆破的技术现状，可为相关工程提供参考。

（3）将聚能水压爆破技术进行工程应用。依托周盘沟岩溶隧道工程，通过现场监测对比分析了传统光面爆破和聚能水压爆破的振动效果，发现聚能水压爆破的峰值振速显著小于传统光面爆破峰值振速，对围岩造成的振动损伤更小，更有利于围岩稳定，且适应性强。