高地應力隧道中水壓爆破的研究和使用

吳小鵬 鞏亞定

【摘要】高地應力隧道開挖施工中易發生巖爆，極大地威脅著現場施工人員和設備的安全，通過對隧道施工中采用的水壓爆破技術進行研究和改進，從實踐中總結出在高地應力隧道中預防和治理巖爆的方法，減少了隧道開挖中的安全隱患并提高了開挖效果。

【關鍵詞】高地應力隧道 巖爆 水壓爆破

隨著國家高速鐵路客運專線的發展，鐵路隧道其"長、大、深、群"的特點日趨明顯，而它們所處的地質條件等易于形成高地應力現象，并經常引發巖爆、大變形等嚴重的相關施工地質災害問題，所以高地應力與巖爆以及大變形對地下工程圍巖穩定性的影響問題，已引起廣泛重視。

巖爆是在高地應力隧道開挖過程或完畢后，圍巖因開挖卸荷發生脆性破壞而導致儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力失穩地質災害，它直接威脅人員、設備安全，影響工程安全和進度。巖爆的復雜性增加了其防治工作的困難，根據以往防治巖爆的經驗，深埋長大隧道開挖中常用的防治巖爆的措施，主要有光面爆破，噴灑或注高壓水，做好圍巖量測，加強初期支護，增設臨時防護設施等，而采用光面水壓爆破，可以提高光面爆破效果，濕潤巖面，對巖爆進行有效防范。

本文以京福鐵路客運專線古田隧道為背景，對在隧道開挖中采用的水壓爆破技術進行研究改進，并采取其他措施，對高地應力隧道中巖爆的預防和治理有一定的借簽和指導作用

1 高地應力隧道中水壓爆破的使用原理及特點

目前大部分隧道掘進爆破采用炮眼無回填堵塞，如圖1所示。因炮眼無回填堵塞而被空氣充滿，一旦炸藥爆炸，壓縮空氣大大損失了擊波的能量，這就相應地削弱了在圍巖中傳播的應力波能量，降低了應力波的強度，從而造成炸藥能量利用率不高，且在控制炸藥用量方面很難把握，極易造成大面積超欠挖。

隧道水壓爆破原理是利用在水中傳播的爆破應力波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經過水傳遞到炮眼圍巖中幾乎無損失，在高地應力隧道使用的特點主要有：一是由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸藥能量的外泄，炸藥能量充分利用在爆破巖石上，使得爆破效率提高，減少了炸藥的消耗，提高了隧道開挖的經濟效益；二是炸藥在爆炸時產生的沖擊波，在水中的衰減速度要遠遠小于在空氣中衰減的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸藥產生的沖擊波通過水袋直接作用在巖石上，大大的減少了炸藥能量的消耗，提高了炮眼利用率和圍巖的光面效果；三是炮眼中的水袋，在炸藥爆炸的作用下，會產生"水楔"效應，有利于圍巖的進一步破碎，減少爆破產生的大塊率。堵塞水袋在爆炸的作用下會產生霧化作用，可以吸收粉塵，降低爆破后的粉塵濃度，減少了爆后對環境的污染，并增加巖面濕潤。

2 工程實例

2.1 工程及地質概況

京福鐵路客運專線古田隧道為雙線隧道，隧道全長10632米，最大埋深約611m，采用鉆爆法施工，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，全斷面開挖。隧道在DK734+000～DK734+955段圍巖巖體應力量級為高地應力區；在DK734+955～DK735+150段圍巖巖體應力量級為極高地應力區。

2.2水壓爆破方案

根據本隧道圍巖情況，為了能有效地減小對圍巖擾動，避免出現超欠挖現象，減少巖爆的發生造成安全隱患，在施工至高地應力區時對爆破方案進行調整，由普通掘進常規爆破改為水壓光面爆破。

2.2.1 爆破器材的選擇

根據施工中常用的爆破器材、現場設備的選用，以及水壓爆破的特殊要求，爆破器材選用直徑為32的防水乳化炸藥，并采用電雷管和導爆管雷管作為起爆器材。炮孔內依設計裝填水袋和炮泥。

水袋加工：水袋的原材料即水和塑料袋。水袋長200mm，直徑為35mm，袋厚約為0.8mm，采用KPS-60塑袋灌裝封口機進行自動灌裝封口。

炮泥加工：炮泥采用PNJ-A型炮泥機制作而成，炮泥主要采用黏土、砂和飲用水三種材料，三種成分的重量比例為黏土：砂：水=0.75：0.09：0.16，按照配合比例人工拌勻，生產出的炮泥按照20cm～30cm的長度切割。

2.2.2爆破參數的確定

（1）孔距

根據現有設備，炮眼直徑為d=40mm，所以周邊孔間距a=（8～16）d=32～64㎝。

（2）不耦合系數與光爆層厚度

光面爆破的不耦合系數λ=d0/d（d0為裝藥直徑）在0.8～1之間變化，當λ變小時，孔壁上的最大切向應力減小，爆炸波作用時間延長，有利于應力疊加和應力集中，產生拉伸裂隙， 而不宜產生粉碎。根據最小抵抗線與炮孔間距的關系：光爆層厚度w=a/λ。

（3）周邊眼延米裝藥量

周邊眼裝藥量：q1=cwa=0.06～0.15㎏/m

式中：c-爆破系數，在通常情況下，c=0.2～0.5㎏/m3；

（4）鉆爆設計同普通爆破

2.2.3裝藥方法、裝藥結構及炮孔堵塞

（1） 裝藥方法

采用人工用木制炮棍裝藥，由施工人員將藥卷逐個裝入炮孔，并用炮棍輕輕搗實，避免藥卷之間間隔較大，影響傳爆。在裝藥過程中嚴禁大力用炮棍搗實炸藥，防止用力過猛后使水袋破裂或使裝藥密度過大，造成炸藥壓死拒爆。炮眼底部裝的水袋一定要到位，必須裝在炮眼的最底部，不得有間隙。水袋與藥卷、藥卷與水袋、水袋與炮泥必須緊密連接，也不得有間隙。

（2）裝藥結構

周邊眼采用空氣間隔、不耦合裝藥，采用導爆索起爆，將導爆索插入空底藥卷內，炸藥均勻分布裝入炮孔內。為克服底部炮眼的阻力，一般將底部藥量稍微加大。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長約20cm的一節水帶，并在裝藥結束后再裝入2節水袋，再進行堵塞。

掏槽眼、輔助眼、底邊眼等采用連續耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長約20cm的一節水帶，并在裝藥結束后再裝入2節水袋，再進行堵塞。

（3）網絡設計及起爆方法

起爆網絡采取孔內延期微差、孔外簇聯的起爆方式，各引爆雷管之間采取并聯的方式，以保證起爆網絡的可靠性和準確性。網絡聯好后，要有專人負責檢查，確認無誤后，方準起爆。

（4） 起爆順序

為滿足光面爆破的要求，先起爆掏槽眼，為其他炮孔提供臨空面，再起爆輔助眼、內圈眼，最后起爆周邊眼、底眼。為了保證各類炮眼之間的起爆時差，增強起爆效果，在選用毫秒雷管時一般隔段使用。

2.2.4其它巖爆預防控制措施

（1）地質預報

根據隧道地質情況，在該段隧道可能發生巖爆時，遵循預防為主，防治結合的原則，對開挖面前方的圍巖特性、地質狀況以及水文地質情況等進行地質雷達、超前鉆孔進行預測、預報，及時研究施工對策措施，作好施工前得必要準備。

（2）提前注水

除利用水袋爆破后濕潤巖壁外，在爆破前通過炮孔和錨桿孔向巖體深處注水以降低巖體的強度，增加塑性，減少巖體的脆性，降低巖爆的強烈程度，同時可以起到降溫除塵的作用。

（3）淺孔爆破

將深孔爆破改為淺孔爆破，減少一次裝藥量，拉大不同部位炮眼的雷管段位間隔，從而延長爆破時間，減輕爆破對圍巖的影響，減小爆破震動應力場的疊加，從而減低巖爆的頻率和強度。

2.2.5 爆破安全注意事項

（1）防止設備漏電

炮泥機和水袋封口機都是用電設備，為防止因水出現漏電，在開機前要用儀表檢查設備是否漏電，以便采取相關措施。

（2）正確操作炮泥機

炮泥機上料倉中有螺旋攪拌翅，工作時不能用任何工具或棍棒撥弄料倉中的物料，防止出現事故。可待停機后用棍棒清除料壁或攪拌翅上的泥土。

（3）嚴格控制炮泥回填堵塞長度

炮泥可抑制膨脹氣體從炮眼口沖出，有利于巖石進一步破碎，而且還能起到抑制飛石飛的過遠的作用。為充分發揮這種雙重作用，炮泥堵塞長度應大于或等于水袋的長度。

2.3 巖爆的處理效果分析及改進

該隧道于2012年8月進入高地應力區隧道開挖施工，在采用水壓光面爆破技術后，從開挖爆破效果來看，一方面水壓爆破單孔裝藥量相對常規裝藥量少，但由于堵塞密實，降低了爆破振動，保護了圍巖穩定性，從而增加了成孔率，使得拱部炮眼孔痕保存率達到80%，邊墻達到70%以上，整個隧道斷面開挖輪廓面平整圓順，另外爆破后水袋中的水被炸藥能量拋撒空中，達到了降溫除塵和濕潤巖面效果，一定程度提高了圍巖塑性，雖然在該段施工過程中發生輕微巖爆，但經及時采取對洞壁及掌子面進行危巖清撬后，及時噴3cm厚混凝土進行封閉圍巖的措施，未對施工造成安全隱患。

3 結語

通過對古田隧道高地應力隧道中水壓爆破技術的研究和使用，較好地通過巖爆段，沒有發生人員傷亡事故。經施工過后對巖爆段進行的觀察，洞壁未再產生各種類型的巖爆，所噴的混凝土未發生開裂、剝落，鋼拱架也未產生明顯的變形，圍巖收斂變形基本穩定，對巖爆段的處理是比較成功的。

參考文獻：

[1]何廣沂，徐風奎.節能環保工程爆破.北京，中國鐵道出版社

[2] 劉正雄、 張儒林等， 隧道爆破現代技術 北京，中國鐵道出版社

[3]趙崇科， 洞室法松動控制爆破技術，鐵道標準設計， 2004（12）

作者簡介格式：

吳小鵬（1979年11月），性別 男，民族 漢族，籍貫 河南省洛陽市，職務/現職稱 工程師 。研究方向：城市軌道交通。