水压爆破技术在长\大隧道施工中的应用

[摘要]通过温福铁路青岙隧道水压爆破技术的成功应用，介绍在长、大隧道工程施工中水压爆破的理论原理、施工工艺、爆破性能及经济效益,以及采用水压爆破应注意的几个问题。青岙隧道建设中的创新点――水压爆破技术，缓解了长、大隧道因爆破所产生粉尘多、通风困难的压力；加快了开挖进度，有利于提高工效，产生显著的经济效益。

[关键词] 水压爆破 环保 经济效益

近年来，在客运专线铁路中，长、大隧道的施工显得尤其关键，而采用水压爆破技术，解决了在长、大隧道开挖过程中存在进度慢、洞内环境差、炸药用量大的难题。2004年，水压爆破技术被建设部推选为首项科技新项目。本文通过水压爆破技术在温福铁路青岙隧道长大断面施工的成功应用，进一步完善了水压爆破技术的施工工艺，突破了这项应用技术的经济效果。

1常规隧道爆破与水压爆破不同点及原理

常规隧道掘进爆破的炮眼常采取如图1所示的无回填堵塞方法，或仅用炸药箱纸壳卷成卷堵塞炮眼口的方法。

当图1中的药卷一旦被起爆，则在药卷中产生爆轰波，爆轰波一是沿炮眼径向传播，产生了应力波，应力波的强度不受炮眼堵塞与否的影响；二是向炮眼口方向传播，爆轰波在炮眼无回填堵塞部位传播称为击波，由于这个部位充满了空气，击波部分能量被压缩而损失（损失气体能量45%），击波在炮眼围岩中传播部分称为应力波，所以这部分应力波的强度受无回填堵塞而降低，结果削弱了对围岩的破碎，这是炮眼无回填堵塞存在的问题之一。存在的问题之二，炸药爆炸在炮眼围岩中除产生应力波作用之外，还有爆炸气体膨胀作用，由于无堵塞，膨胀气体很迅速从炮眼口冲出，极大地削弱了膨胀气体进一步破碎岩石的作用。综上分析，以往隧道掘进爆破炮眼无回填堵塞从根本上不能充分利用炸药的能量；目前，隧道掘进爆破还普遍存在采用纸卷在炮眼口堵塞，在高温高压的击波作用下纸卷变成灰烬，对抑制膨胀气体冲出炮眼可以说无能为力，如同不堵一样。

采用水压爆破解决了炮眼无回填堵塞或利用纸卷回填堵塞所存在的问题（如图2所示）。所谓水压爆破，就是在每个炮眼内的一定位置按一定比例装放药包和水袋，与常规爆破相比较，水压爆破的钻孔数量、布眼方式、起爆顺序、钻孔深度、周边眼装药量等都与常规爆破相同，不同的仅仅是增加了一些水袋，然后用专用设备加工成的“炮泥”回填。

由于炮眼中有水，在水中传播的击波对水不可压缩，爆炸能量无损失地经过水传递到炮眼围岩中，这种无能量损失的应力波十分有利于岩石破碎，此外还会产生“水楔”效应，更利于岩石破碎，水雾作用有利于降尘；由炮泥的成分（土：砂：水=0.8：0.05：0.15）所决定，炮泥晒后比纯土坚实，密度大，抑制爆炸气体膨胀冲出炮眼口要比纯土堵塞好得多，而且还会大大降低了爆破粉尘对环境的污染，这对长、大断面隧道的开挖尤为重要。总而言之，由于炮眼中有水，并用炮泥回填堵塞，能充分利用炸药能量，大大降低了粉尘对环境的污染，所以水压爆破也被称为“绿色爆破”。

2水压爆破技术在长、大隧道施工中的应用

2.1 工程概况

青岙隧道全长6852 m，是温福铁路17个重点控制性工程之一，位于福建霞浦县境内。隧道设计按新奥法施工，二级围岩断面积为118m2，属于大断面积隧道，采用全断面开挖。

2.2 水压爆破装药结构程序

水压爆破与常规爆破所不同的仅仅是炮眼装药结构；其他的如炮眼的分布、炮眼数量、炮眼深度和起爆方法等与常规爆破一样。对于水压爆破，除周边眼外，每个炮眼装药量是：常规爆破每个炮眼装10卷（含10卷）以上的，水压爆破每个炮眼少装2.5卷；常规爆破每个炮眼装10卷以下的，水压爆破每个炮眼少装1.5卷，少装药包的空间用水袋代替。水压爆破的操作程序是：根据围岩条件按常规爆破的钻爆设计计算出装药量，再进行药卷调整；水袋、炮泥的装填比例是各炮孔根据扣除药包长度后的剩余空间，现场试验确定。炮眼装药结构是：先往炮眼底部装1个水袋，随之装所需的药卷，往下装1～n个水袋，最后用炮泥回填堵塞到炮眼口。水袋、药卷、水袋、炮泥要挨得紧密，适当捣固。对于周边眼的装药，在收集常规光面爆破Ⅱ、III级围岩通常周边眼间距为40～50cm以内，炮眼个数大概65个左右；抵抗线一般为0.8 m～1 m的数据条件下，根据光爆炮眼深度和现场实际条件，一般隔孔少装2～3卷药包，水袋和炮泥堵塞跟其它炮孔一样。水压爆破与常规爆破炮眼布置及装药示意图如图3、图4所示。

2.3 炮孔技术参数的选定

炮孔打眼深度一般为4~4.5m，最小抵抗线0.8~1m，周边眼间距40~50cm，中间炮孔间距1.2m，采用椭圆形布眼，眼深大于3m时，外插角的斜度为5%~3%，外插角的方向应与轮廓线的法线方向一致；炸药采用2号乳化炸药。以钻孔深度4m为例，计算单孔装药量为：

Q单=1.4kg，考虑水压爆破节省炸药，实际单孔药量按80% Q单，Q实=0.8Q单=1.12kg，即一般Ⅱ、III级围岩在0.25～0.35kg/m之间。爆破振动速度：V=k[（Q实）m／R]a=100×（1.121/3/9.5）×1.8=1.86cm/s〔2cm/s〕。炮眼装药结构为底部先装一节水袋，然后集中耦合装药，药卷总长220cm，再装3节水袋，最后装4节炮泥（每节水袋、炮泥长约22cm），水袋节数与炮泥节数之间的比例通常为0.9：1；药包和水袋的比例可根据常规爆破的药量按上述2.2点所述进行现场效果调整，但炮泥的装填长度不宜太短，一般不少于3节，以免发生冲孔现象。

2.4 水压爆破炮泥、水袋的加工工艺

2.4.1炮泥的加工工艺

制作炮泥材料为普通的粘土。制好的炮泥以表面光滑、用手略微一捏可以变形为宜。为了保证制作质量，粘土含砂率一般为5％，含水率控制在15％左右。另外，最好在使用前2～3h制作炮泥，以避免防止时间过长，炮泥失水变硬。

2.4.2水袋的加工工艺

水袋为长22cm、直径3.6cm的聚乙烯塑料袋，袋中充水不宜过满，按经验，一般充90%即可，将袋口扎紧。水袋放置、运输时有轻微变软，不影响装填及最后的爆破效果。

3青岙隧道水压爆破创新点

3.1 隧道长度长，降低粉尘效果明显。通过现场试验比较，用水压爆破比用常规爆破所产生的粉尘要少很多，爆破产生的粉尘实测值为1.17mg/ m3，洞内粉尘降低45%以上，可见度明显增强；常规爆破需要30多分钟后才能到撑子面排险，水压爆破仅10分钟左右就可以到撑子面排险。水压爆破缓解了长、大隧道因爆破所产生粉尘多、通风困难的压力，有利于提高工效。同时爆破后岩石较破碎，粒径小于80cm的岩石占总体积的70％～75％（比较接近做路基填料），爆破渣堆抛距16m左右，易于机械挖装，爆破产生的噪声为58～82dB，采用DSV-4C振动测试仪监测爆破振动速度为0.52cm/s，均满足环保要求。

3.2 隧道断面积大，产生的效益显著。据现场试验得知，每循环爆破进尺比原来爆破进尺提高20~30cm,按二级围岩断面积设计碴量是127m3/m,则每循环可多爆破洞碴38.1 m3，从而提高洞内掘进工效。

3.3 节省炸药的使用量。据现场试验得知，每循环爆破炸药可节省21kg左右，每天按2个循环计算，则每天可节省炸药2箱左右。

3.4 经济、社会效益明显。据分析，采用水压爆破，每天按2个循环计算，比常规爆破净节省2895元；同时爆破后大大降低了粉尘，改善了施工环境，保护了施工人员身体健康，洞碴比较接近做路基填料，具有重大的社会效益。

4采用水压爆破应注意的问题

4.1 使用水压爆破，首先要购买水袋、炮泥机制造水袋和炮泥；其次是因为与传统单一装药的工艺不一样，所以在使用水压爆破前要对所有的操作工人进行培训。

4.2 炮泥机上生产炮泥的直径有二种，分别是3.6cm、4cm。用4cm成型孔生产出来的炮泥直径过大，难以全部装进4cm大的炮孔，堵塞效果较差，宜用3.6cm孔；另外炮泥湿度不宜过大，水袋装水不宜过满，否则在安装过程中水袋易破漏水，没有发挥水的作用。

4.3 周边眼用炮泥堵塞时，一定要捣固密实，隔孔没安装水袋的炮孔也要用炮泥堵塞，确保能量被充分利用。

4.4 一般钻眼台车都比较高，炮泥、水袋不好搬运上去，而且两侧地面的积水较多，给安装水袋、炮泥带来很大的不便。因此要在钻眼台车上安装简易滑轮，方便水袋、炮泥的搬运，提高水压爆破的效果。

参考文献：

[1] 于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,2004.