水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用

歐 然

(中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇蘇州 215000)

1 工程概況

杭長鐵路客專湖南段HCTJⅠ標茶坡里隧道位于湖南省醴陵市東堡鄉和黃獺嘴鎮交界處，起訖里程DK844+523～DK847+533，隧道長度3 010 m，中心里程DK846+028，隧道洞最大埋深385 m，為單洞雙線隧道，時速350 km，線間距5.0 m，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道。本隧道全部位于直線段，隧道內縱坡采用單面下坡，坡度為11.6‰。隧址區屬丘陵低山地貌，自然坡度15°～50°，地勢起伏大，相對高差120 m～420 m，植被發育，坡上雜草灌木叢生。表層為粉質粘土，褐黃色，硬塑，含少量碎石，厚0.5 m～1.5 m。進口段下伏基巖為砂質板巖、淺變質砂巖、砂質絹云母板巖，黃褐色。全、強風化層厚度約為7 m～25 m，洞口部分厚達46 m。巖層產狀145°～340°∠40°～60°，地下水不發育。出口段下伏基巖為砂質板巖，全、強風化層厚度約為7 m～15 m，出口仰坡順層。圍巖類別:Ⅲ級1 685 m;Ⅳ級880 m;Ⅴ級445 m。

2 工程特點及處理方案

茶坡里隧道是本標段最長的隧道，也是本標段工期控制隧道。主要特點:工期緊;單口掘進長(1 500 m);炸藥使用量大等。

針對上述特點，經過施工實踐的實際對比，驗證了水壓爆破施工技術的優越性。

3 水壓爆破基本理論

隧道掘進水壓爆破與光面爆破在炮眼設計、參數選擇、藥量計算和起爆方法等方面完全相同，無任何區別，而根本不同之處僅在炮眼的裝藥結構。以往的普通爆破都怕水，而水壓爆破則是反其道行之，炮眼是“愛水”的，如若炮眼中無水還要向炮孔內裝入一定量的水，除注水外，對炮眼還要用專用設備加工成的炮泥回填堵塞。由于炮眼最底部和前端裝有水袋，可以比喻為爆破后一剎那給爆堆“噴水”，起到霧化降塵的作用;因炮眼底部有水袋，其“水楔”作用不但進一步破碎巖石，而且水滲入到掌子面的巖石中，對防止巖爆起到了很好的作用。所以說炮眼底部水袋和水袋炮泥回填堵塞這種裝藥結構是比較理想的，這種裝藥結構稱為“水壓爆破”。

往炮眼一定位置上注入一定量水并用炮泥回填堵塞與以往常規工程爆破炮眼裝藥結構相比，產生了極好地爆破效果，具體表現為具有顯著的“三提高一保護”的作用。

三提高:提高了炸藥利用率，即節省炸藥;提高了施工效率，即加快了施工進度;提高了經濟與社會效益。

一保護:大大降低粉塵含量對環境的污染，保護了施工人員的身體健康。

4 常規爆破施工與水壓爆破施工

4.1 常規爆破鉆爆設計與效果

4.1.1 鉆爆設計

茶坡里隧道出口地質條件復雜，開挖工法多樣，所以開挖斷面形式不同，但圍巖整體情況較好，所以Ⅳ級圍巖地段已與設計院溝通，提前進行工法或是圍巖級別的變更，現開挖工法基本全為兩臺階法。

Ⅳ級圍巖上臺階的常規光面爆破設計如下:

采用二級復合式掏槽，上臺階炮孔數為191個(含光爆周邊眼)，設計掘進深度為3.5 m，上臺階裝藥量為219.4 kg。各種炮眼的深度、裝藥量、線裝藥密度詳見表1，炮眼分部、起爆順序如圖1所示。

表1 茶坡里隧道出口上臺階光面爆破參數表

圖1 茶坡里隧道出口炮眼分布及起爆順序圖（單位：cm）

4.1.2 爆破器材的選用

起爆器材選用:電雷管、起爆器;

傳爆選用:1段～15段8號工業導爆管雷管;

炸藥選用:直徑32 mm×200 mm 2號巖石乳化炸藥，爆速不小于3 200 m/s;

傳爆線:導爆索，爆速6 000 m/s。

4.1.3 爆破效果

在Ⅳ級圍巖地段，設計掘進深度3.5 m，實際進尺3.0 m～3.1 m，平均進尺3.05 m，平均炮眼利用率87.1%。

爆破效果見表2。

表2 茶坡里隧道出口光面爆破效果表

4.2 隧道掘進水壓爆破設計與效果

4.2.1 鉆爆設計

正如水壓爆破理論所述，水壓爆破在炮眼數量、炮眼深度、炮眼分布以及起爆順序的設計與常規爆破一模一樣，僅是在每個炮眼的裝藥量和裝藥結構上作了變化，即適當地減少了各個炮眼的裝藥量，往炮眼底部裝入水袋，最后再用水袋和炮泥回填堵塞。水壓爆破炮眼參數見表3。

表3 茶坡里隧道出口上臺階水壓爆破參數表

4.2.2 炮眼裝藥結構

炮眼的裝藥結構從炮孔底部至炮眼口依次為水袋、藥卷、水袋、炮泥，詳見圖2。

圖2 水壓爆破炮孔裝藥結構圖

4.2.3 爆破基本情況

自2012年6月25日～2012年8月30日，茶坡里隧道出口上臺階連續采用水壓爆破37個循環，共計掘進了103.3 m(DK846+774.8 ～DK846+671.5)，在Ⅳ級圍巖地段，設計掘進深度 3.5 m，每循環進尺3.3 m～3.4 m，平均每循環進尺3.35 m，平均炮眼利用率為95.7%。

爆破效果見表4。

表4 茶坡里隧道出口掘進水壓爆破效果表

5 技術經濟指標分析對比

5.1 技術指標

茶坡里隧道出口采用常規爆破時和采用水壓爆破時技術指標對比詳見表5。

表5 茶坡里隧道出口常規爆破與水壓爆破對比表

5.2 經濟指標

茶坡里隧道出口自2012年6月25日開始采用水壓爆破時，上臺階剩余開挖為747 m，其中Ⅲ級475 m，Ⅳ級272 m。Ⅲ級按3 m/每循環計算，Ⅳ級按2 m/每循環計算，共需294個循環。

節約人工費用:每天每個隧道口人員8 h/人，費用150元/d，上臺階鉆爆一般配置為18人，每循環節約時間1.2 h，每循環節約人工費為405元。共節約人工費119 070.00元。

節約炸藥費用:每循環平均節約炸藥22 kg，每循環節約炸藥費用為306.04元。共節約炸藥費89 976.35元。

節約機械費用:出渣時間每循環節約0.3 h，上臺階出渣需兩臺裝載機，裝載機一個臺班(8 h)費用1 800元，則每循環節約機械費225元。共節約機械費66 150.00元。

節約電費:每循環三臺空壓機(每臺耗電132 kW/h)，每臺可節約運轉時間0.5 h，通風機(中檔耗電80 kW/h)節約運轉時間0.2 h，電費為1.2元/kW，則每循環節約電費256.8元。共節約電費61 888.80元。

節約噴射混凝土費用:平均每循環比光面爆破節約噴射混凝土約1.2 m3，則每循環節約混凝土材料費468元，共節約混凝土材料費137 592.00元。

購置炮泥機和水袋及水袋封口機費用:20 000.00元。

縮短工期:平均每循環節約1.2 h，按現有剩余工程量747 m計算，需294個循環，則節約工期15 d。

共計節省費用454 677.15元，縮短工期15 d。

6 結語

通過茶坡里隧道普通鉆爆施工與水壓爆破技術的對比，不難看出隧道掘進水壓爆破具有“三提高一保護”的顯著作用，即提高了炸藥利用率、提高了施工效率、提高了經濟效益和保護了環境。從經濟效益上雖然提高不多，但工期提前半個月卻是至關重要的收益。

［1］中國力學學會《土巖爆破文集》編委會.土巖爆破文集［M］.北京:冶金工業出版社，1980:1-2.

［2］汪旭光.爆破設計與施工［M］.北京:冶金工業出版社，2011.

［3］汪旭光.爆破手冊［M］.北京:冶金工業出版社，2010.

［4］黃 寧.人工挖孔樁單樁承載力試驗與位移模擬分析［D］.阜新:遼寧工程技術大學，2010.