研究水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用

■丁國森 ■中國人民解放軍96531部隊，河南 洛陽 471031

在隧道掘進工程中，水壓爆破技術可謂是極為先進的綠色環保技術，促使掘進工程施工技術完成了多次質的超越。

1 水壓爆破技術概述

水壓爆破技術最先提出于上個世紀的九十年代，提出人為著名爆破專家何廣沂教授［1］。此項先進技術的提出充分結合了當時隧道工程施工現狀。何廣沂教授在觀察研究中發現，大部分的隧道工程在進行掘進施工時，所采取的爆破方式為不回填堵塞炮眼或是對炸藥箱紙進行浸水應用。諸如此類的技術在應用中不僅是完全缺乏科學合理性，浪費資源，加大成本投入，同時在爆破中威震力極大，對施工環境保護極為不利。為了解決這一問題，何廣沂教授在1995年提出了一個露天深孔水壓爆破的研究課題，而在2002年又結合隧道掘進工程提出了相關研究課題，對深、淺孔、隧道掘進等水壓型爆破技術應用的裝藥結構進行了較為全面細致的分析研究。

2 水壓爆破技術在隧道掘進工程中的應用

2．1 應用施工流程及原理

2．1．1 水壓爆破技術應用流程

在工程施工中，水壓爆破技術的應用流程主要如圖1所示。

圖1 水壓爆破應用施工流程環節

2．1．2 水壓爆破技術應用原理

水壓爆破原理:在水壓爆破技術應用中，其設計方案與傳統方案并無什么不同，只是在裝藥及炮孔堵塞操作中進行了科學調整。此項技術的主要應用原理為:在炮眼內部的具體位置加入定量水分，運用所制作好的炮泥對炮眼進行回填堵塞。對水中傳播具有的一定爆破沖擊力給予水的不可壓縮性充分利用，從而使得在爆炸力從水傳達至圍巖處時不會產生較大損失。與此同時，當爆炸氣體在水中膨脹后，將會產生一定的“水楔”效應，能夠為巖石粉碎提供加大助力。炮眼內部水分還可對整個環境起到極佳的霧化降塵效能，避免造成嚴重的環境污染。

2．1．3 水壓爆破技術與普通爆破對比

(1)與普通爆破相比，水壓爆破技術應用中在水中爆轟產物的膨脹速度較慢，其所產生的爆炸作用強度明顯比普通爆破強，其持續時間也要長于普通爆破。

(2)水壓爆破在炮孔周圍巖石周邊所產生的爆炸強度遠遠高于普通爆破，而衰減速度又要慢于普通爆破。水壓爆破的壓力峰值極大，破壞力極強。

(3)與普通爆破相比，水壓爆破技術應用中能夠使得孔壁巖面的沖擊壓力得以減小，進一步提升預裂爆破的成型質量。

(4)普通爆破方式在空中的初始沖擊波壓力值范圍主要為80～130MPa，而水壓爆破技術在其應用中主要的爆破區域為水中，初始沖擊波壓力至少在1萬MPa以上。

與普通爆破方式相比，水壓爆破技術的爆炸強度更大，持續時間更長，壓力峰值更大，破壞力更強，衰減力更小，初始爆破沖擊波壓力更大。

2．2 水袋的制作

水袋制作主要采用的是PSP-1型的炮孔水袋自動注水風口設備加工而成，水袋的加入制作只需用到2～3名工作人員，1人負責進行水袋自動注水設備的啟動關閉操作，1～2人負責進行水袋的拿取操作。將水袋放置于鐵框或是木箱之中，注意水袋的袋口應向上，豎直方向放置。傾斜角度為85℃。對水袋進行焊縫時，需及時對其焊頭處的溫度進行調節。通常情況下的溫度應為125℃左右。在水袋制作中應注意這么幾點:(1)相關塑料袋制作材料為聚乙烯，厚度值為0．8mm，直徑則為35mm，具體長度值為200mm，通過相關加工單位加工制作而成，運用封口機進行水袋的制作，水袋制作中灌水、風口均采用自動化。(2)水袋中必須灌滿水，確保水袋風口密實，避免出現漏水、滲水等問題。真正符合標準的水袋應能夠做到堅實挺拔，且能夠方便順利的放置于炮眼之中。(3)將封口設備的后門打開，將其泵連桿端頭處的螺母進行松開處理，對蝶形螺母進行調節移位處理便可得到灌裝所需容量。通常情況下是順時針為逐漸減小，逆時針則為逐漸增大。(4)在進行灌注封口操作時，需將主命令開關拔上，待機器運作次數達到兩次時，促使計量泵中充滿水，待內部空氣完全排空之后，再將開關作拔下處理。相關工作人員運用兩手的拇指、食指將塑料袋固定于出料關口，按下開關開啟設備，便可進行自動化的灌注及封口操作。

2．3 炮泥的制作

炮泥制作中所應用到的原料主要有:砂粘土、黃粘土，在炮泥制作原料中應避免出現石子、雜物等。采用專業炮泥機進行炮泥制作，制作中所需用到的人力數量為2～3人，具體操作:一名工作人員將相關原料放置于制作機械中，一至兩名工作人員將制作好的物品取出。取出后的炮泥應放置于專屬的炮泥箱或框中。炮泥制作示意圖如圖2所示。

圖2 炮泥制作示意圖

在炮泥的制作中應著重注意的是這么幾點:第一，炮泥的主要原料應為黏土及細砂。在將原料與水進行混合攪動之前，如存在石塊等雜物，則應及時將其取出。如存在大量的小石子則應進行篩檢操作，篩眼的大小應為5mm×5mm左右為宜。真正符合標準的炮泥其表面應較為光滑，用手指進行觸摸、輕捏時應能夠留下痕跡。這樣的炮泥才能在具有充分水量的同時又能在搗固中便于操作。

第二，在炮泥的制作中，應注意對相關比例進行有效控制。如果在制作中存在用砂過多的情況，那么對于整個成品的成型將會產生極為不利的影響;而如果存在用砂過少的問題，那么成品的比重將會較小。用水量也應科學控制，過多或過少都會出現問題，如粘合性較差或是過于柔軟等，極不利于后期的搗固。相關的土砂水比例應為0．75∶0．1∶0．15，只有這樣才能夠保證制作出的成品具有較好的塑性及強度，能夠便于進行回填堵塞施工。

第三，制作完成后的成品應避免充分暴露于陽光之下或是放置極長的一段時間，避免其內部水分逐漸流失，致使炮泥極硬。通常對于炮泥的制作應為使用前的2～3小時。

2．4 科學的裝藥操作

在進行裝藥施工時，需運用人工木制炮棍。相關工作人員在炮孔中一一放入藥卷，運用炮棍進行搗實處理。從而達到有效縮短各藥卷之間距離，確保傳爆效果的目的［2］。裝藥操作中應注意對搗實力道進行控制，不宜過大，避免用力過猛造成水袋完全破裂或是密度偏大等問題的出現，致使炸藥無法成功爆破。

裝藥的組成結構由底至口應為水袋—藥卷—水袋—炮泥，(示意圖如圖3所示)。確保各結構的連接緊密度。在裝藥之前，應準確測量整個炮孔的具體深度，依照其數據值進行藥量及水袋、炮泥長度的準確計算。依照順序將將所有物品放置于炮孔之中。注意在水袋的放置時，應運用炮棍將水袋一一捅入炮眼中。在進行炮泥的回填時，除卻與水袋完全接觸的炮泥之外，其余炮泥應全部堅實搗固。

圖3 裝藥組成結構示意圖

3 水壓爆破技術在隧道掘進工程中的應用效果

3．1 技術效果

在對某個隧道掘進工程進行施工時，分別采用常規型及水壓爆破技術時相關指標值對比如表1所示。

表1 兩種爆破技術技術指標對比

3．2 經濟效益

在此工程中，水壓爆破技術應用中節省人工費用約為119100元，節省炸藥費用約為89920元，節省材料費約為137820元，節省機械費用約為66256元，節省電費約為61986元，應用促使此工程施工工期得以有效縮短，縮短時長為15d，共計節省施工費用475082元。由此能夠充分表明，在此項先進環保技術的應用中，技術、經濟、社會效益均能夠得到有效提升［3］。

4 結語

水壓爆破技術在施工應用中能夠有效提升增強施工質量與效率，幫助企業獲取到最大化的經濟效益。與此同時，在技術應用中對于周邊環境的保護也極為全面優良，能夠實現經濟與社會的雙贏。

［1］張衛國．水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用［J］．石家莊鐵道大學學報，2013，26(2):46-100．

［2］于兆學．淺談水壓爆破在隧道掘進中的應用［J］．中華民居，2013，(6):100-101．

［3］歐然．水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用［J］．山西建筑，2014，40(6):184-186．