水压爆破技术在隧道掘进中的应用

摘要：重点介绍水压爆破技术在沪昆高速铁路贵州段茅坪山隧道中的应用，分析了水压爆破工艺原理、操作方法和实施效果。水压爆破技术取得显著地“三提高一保护”作用，工艺简单，操作方便，具有显著的经济效益和社会效益。

关键词：水压爆破 隧道掘进 绿色环保

隧道掘进水压爆破技术是绿色环保的新技术，是我国隧道掘进技术从“湿法”钻孔代替“干法”钻孔、从非电起爆代替火爆和电爆以来的第三个质的飞跃和变化。隧道掘进水压爆破技术在沪昆高速铁路贵州段茅坪山隧道成功应用，提高提高了炸药能量利用率，提高施工效率，提高经济效益，保护洞内作业环境，经济和社会效益显著。

1 工程概况

沪昆高速铁路贵州段茅坪山隧道全长7713m，为全标段控制工期的工程。围岩以白云岩为主，夹杂泥岩和页岩，次坚石至软岩，为III～Ⅳ级围岩，分上下台阶开挖，上台阶开挖断面为84.85m2。该隧道围岩较差，采用常规钻爆法开挖，进度滞后。尤其是通过1300多米的二号横洞施工，由于通风距离远，风管弯头风阻大，通风效果差，洞内作业环境恶劣，影响施工人员的身体健康，施工进度下降。因此，采用节能环保的水压爆破技术，对于降低成本，加快施工进度，改善作业环境，具有重要意义。

2 水压爆破工艺

水压爆破是由我国著名的爆破专家何广沂教授在上世纪九十年代提出来的，其爆破设计与传统的隧道光面爆破设计方案基本相同，只是在装药结构和炮孔堵塞上进行了适当的调整。原理为往炮眼中一定位置注入一定量的水，用炮泥回填堵塞炮眼，利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到围岩中几乎无损失，同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应，有利于岩石破碎，炮眼中的水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染。

2.1 水压爆破工艺流程　水压爆破工艺流程与普通光面爆破基本相同，不同之处在于要事先加工好爆破所需的炮泥及水袋，装药时按照设计的装药结构分次序装入水袋、炸药、水袋后，用炮泥堵塞。

水压爆破工艺流程见图1。

2.2 水压爆破设备　加工制作炮泥的“炮泥机”和自动注水、封口生产水袋的“水袋机”，是实施隧道掘进水压爆破的基本保障设备。

2.2.1 炮泥机。炮泥采用PNJ-A型炮泥机制作而成，主要结构由电动机﹑料斗﹑料斗架﹑卧式螺旋输送成形系统组成。PNJ-A型炮泥机制作的炮泥具有规格统一、质地均匀、软硬适中、表面光滑等特点，提高了炮眼封堵质量，减少明火产生；炮泥制作速度快，提高工效；制作炮泥方便，操作简单。

2.2.2 水袋自动封口机。采用KPS-60塑袋灌装封口机，高压泵式容积法计量方式进行灌装，由凸轮机构完成水袋自动热合封口。

KPS-60塑袋灌装封口机制作的水袋具有规格统一、自动灌水封口等特点，制作速度快，工效高，操作简单。

2.3 炮泥加工工艺　炮泥是由黏土、细砂、水三种成分组成，三种成分的重量比例为黏土：砂：水=0.75:0.09:0.16，按照配合比例人工拌匀材料后，装入炮泥机的进料仓，开动电钮开始生产，生产出的炮泥按照20cm～30cm的长度切割。制作好的炮泥最好在1～2小时之内使用，否则会失水变硬，堵塞后影响降尘效果。炮泥以表面光滑、不断裂，用手略微捏一捏可以变形为宜。炮泥制作工艺流程如图2所示。

2.4 水袋加工工艺　水袋的原材料即水和塑料袋。水采用普通生产或生活用水；塑料袋为常用的聚乙烯塑料，水袋长200mm，直径为35mm，袋厚约为0.8mm，水袋为厂制品直接购买使用。

封口机在开动之前，要进行定量调节，设定封口温度(初始温度应设定为130℃为宜，再逐步调节升高)。打开设备开关，使计量泵内吸满水，将空气排出，塑料袋由人工用双手拇指和食指夹住套在出水管口上，按启动开关，即完成自动灌注和封口。

3 水压爆破钻爆设计

茅坪山隧道进口段主要以白云岩为主，次坚石，围岩为III级围岩，施工分上下台阶开挖，上台阶开挖断面为84.85m2，常规钻爆设计采用垂直楔形掏槽，总的炮孔数为154个，炮眼设计深度为3.2m。

常规爆破全断面总计装药量为216.15kg，炮眼无回填堵塞。采用水压爆破时在掏槽形式、炮眼布置、数量、深度、起爆顺序和时间间隔等的设计与隧道常规爆破相同，所不同的是在每个炮眼中增加了水袋和炮泥，装药量和装药结构有所不同。爆破参数见下表1。

水压爆破的装药结构与常规爆破相比，掏槽眼1组和2组每孔减少装药0.15kg；辅助眼每孔减少装药0.15kg,底板眼每孔少装0.15kg；周边眼每孔减少装药0.15kg；每循环总共节省炸药23.1kg。

4 装药和起爆

4.1 水压爆破的炮孔装药作业　所有炮眼先在眼底装一个水袋，再按爆破设计装入所需药卷，剩余炮孔按3:4的长度比例依次装入水袋和炮泥。装药结构见图2

4.2 起爆作业　起爆网络采取孔内延期微差、孔外簇联的起爆方式，雷管采取并联方式。

起爆顺序：从掏槽眼开始，逐层向外进行，周边眼、底板眼最后起爆。

5 实施效果分析

5.1 技术指标分析　通过茅坪山隧道使用水压爆破和常规爆破各40个循环的统计比较数据，水压爆破共掘进122m，常规爆破掘进106m，围岩级别相同，都是Ⅲ级白云岩，设计掘进进尺都是3.2m，常规爆破每循环实际平均进尺为2.6～2.75m，平均进尺2.65m；水压爆破平均进尺为3.0～3.1m，平均进尺3.05m。平均每循环提高进尺0.4米。

常规爆破的炮眼利用率为83%，水压爆破的利用率达到了95%，单位耗药量降低了0.21kg，通风排烟由过去40分钟缩短为10分钟。由此可见，水压爆破在节省炸药、加快进度、缩短通风时间、改善洞内施工环境方面的优势是十分明显的。各项技术指标见表2

5.2 经济指标分析

根据常规爆破和水压爆破的现场统计数据对比，在相同开挖断面面积、炮眼布置和钻孔深度的前提下，水压爆破比普通爆破每个循环多开挖0.4m，每循环节省炸药23.1kg，每爆破一立方岩石节省炸药0.21kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了30分钟。经济指标见表3

茅坪山隧道全长7713m，按照水压爆破掘进每延米节省454.8元，全隧道可节省费用350.78万元；按照水压爆破每掘进120米少钻爆6个循环计算，可少钻爆385个循环，全隧道（四个工作面施工）可缩短工期96天。

6 结束语

水压爆破新技术在隧道掘进中的应用，充分证明该技术“三提高一保护”作用与效果显著，符合国家节能环保政策，对于提高施工企业经济效益、加快隧道施工速度、保护施工人员身体健康具有重要意义，值得在隧道施工中广泛推广。

参考文献：

[1]何广沂.《节能环保工程爆破》.中国铁道出版社.2007年.

[2]吴晓亮，路洁心，李贺水.压爆破技术的应用.山西焦煤科技.2011（6）.

[3]林大能，刘小春.水压爆破的发展与现状.矿业研究与开发.1999(3).