水壓爆破在隧道開挖施工中的應用

(寧德沈海復線雙福高速公路有限責任公司，352100寧德)

水壓爆破在隧道開挖施工中的應用

■黃石勇

(寧德沈海復線雙福高速公路有限責任公司，352100寧德)

隧道水壓爆破是在傳統的隧道光面爆破中加入水袋的施工方法，由炸藥爆炸引起的沖擊波在水中的衰減速度遠遠小于在空氣中衰減的速度，所以加入水袋后，能夠使爆炸沖擊波更好地傳播，減少爆炸能量消耗，從而提高了爆破效率，節約了炸藥用量，降低了開挖成本，大大提高了隧道開挖的經濟效益。本文結合寧德沈海復線雙福高速公路A3標周山隧道水壓爆破開挖施工情況的研究和總結，闡述水壓爆破在隧道開挖施工中的應用。

水壓爆破隧道開挖施工應用

1 引言

近年來，我國在不斷地加大高速公路的投資建設，隨著高速公路行車速度的提高，對公路選線的要求也不斷提高，橋隧比重在不斷增大，尤其在我國西南地區、東南沿海崇山峻嶺地區，橋隧所占的比重越來越大。隨著科技和機械設備的不斷更新和發展，隧道的設計長度也在不斷的增加，成為施工中的重難點工程和控制性工程。

目前我國隧道爆破掘進施工的現狀是：幾乎所有的隧道爆破掘進的炮眼均采取無回填堵塞，或僅將炸藥箱紙殼卷成卷塞入光爆眼口上，致使炸藥爆炸能量大部分被浪費，炸藥能量利用率低下。本文針對以上常規爆破的缺點，結合寧德沈海復線雙福高速公路A3標周山隧道開挖施工實例，設計了一套水壓爆破施工方案，并針對兩種爆破方式的優缺點及經濟效益進行了探討。

2 工程概況

周山隧道是一座分離式長隧道，A3標負責周山隧道出口段施工，出口段左線起訖樁號為ZK12+890.11～ZK14+328，長1437.89m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖共208m，占14.5%，Ⅱ、Ⅲ級圍巖共1229.89m，占85.5%；右線起訖樁號為YK12+900～YK14+337.9，長1437.9m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖共257.9m，占17.9%，Ⅱ、Ⅲ級圍巖共1180m，占82.1%。

隧道區屬低山丘陵地貌，隧道橫穿東西向山脊，地形起伏較大，山脊較窄小，隧道地表分布多條溝谷，溝谷較窄，切割較深，植被較發育。隧道區地表水體發育，地下水主要為風化帶網狀孔隙裂隙水、基巖裂隙水，孔隙裂隙水賦存于第四系殘坡積層底部及基巖強風化帶，基巖裂隙水賦存于構造破碎帶中。隧道巖性主要以侏羅紀南園組(J3n)凝灰熔巖為主，屬較硬-堅硬巖，巖體較破碎-較完整。

3 水壓爆破的原理

隧道水壓爆破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的一種爆破方式。由于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，可以大大減少炸藥能量的消耗，提高炮眼利用率及隧道開挖的經濟效益。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。此外，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，減少爆后對環境的污染。

4 水壓爆破方案設計

水壓爆破設計與傳統的隧道光面爆破設計方案基本相同，針對水壓爆破的特點，炮眼開挖方式，裝藥結構和炮孔堵塞上進行了適當的調整。

4.1 爆破參數確定

根據現有設備條件，水壓爆破的炮眼直徑按照d= 40mm設計，周邊孔間距相應地按照a=(8～16)d=32～64cm采用。裝藥直徑d0根據光面爆破的不耦合系數λ=d0/d確定，λ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，而不易產生粉碎。λ增大時，采用空氣間隔裝藥，可以消除壓碎破壞，控制放射狀裂隙的產生，提高炮孔的殘留率。周邊眼裝藥量q1=cwa=0.06～0.15kg/m；c為爆破系數，在通常情況下，取c=0.2～0.5kg/m3；w為光爆層厚度，w=a/λ。

4.2 前期準備

根據水壓爆破的特殊要求，爆破器材選用直徑為Φ32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。炮孔內所用水袋及炮泥由專用機械加工而成。炮泥采用粘性土或紅土制作，土中不含碎石、雜草等，利用設備擠壓成型。炮泥隨用隨做，成品炮泥應軟硬適中，表面光滑，同時避免在陽光下暴曬和放置時間過長。水袋采用水袋封口機自動灌裝并封口。水袋長200mm，直徑為35mm，袋厚約為0.8mm，其原材料為水和塑料袋。水袋用水為普通水，塑料袋為常用的聚乙烯塑料，成品水袋需飽滿，堅實挺拔。

4.3 鉆孔與清孔

水壓爆破炮眼開挖分為鉆孔與清孔兩個步驟。首先使用全站儀定出隧道的軸線與圓心，再以半徑長在掌子面用紅油漆畫出開挖輪廓線，最后根據設計的炮眼布置圖畫出炮眼位置，周邊眼和掏槽眼的位置要求更加精確。鉆孔前，根據隧道開挖斷面尺寸，事先制作一臺開挖鉆孔臺車，開挖臺車的高度要適合工人操作要求，開眼的位置要求盡量不偏離設計炮位。其中，周邊眼和掏槽眼由專業技術人員負責，使鉆眼達到“準、平、直、齊”的要求。

炮眼打設完成后，為消除鉆眼過程中炮眼中殘留的石渣對水袋的不利影響，需采用高壓水槍對炮眼逐孔進行清洗，保證水袋安裝至炮眼底部，緊貼巖面。如未徹底清洗，水袋安裝過程中存在被石渣刺破而漏水的可能性；爆破過程中，亦將導致爆炸能量傳遞中斷，水壓爆破失去功效。

4.4 裝藥及起爆

水壓爆破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。

如圖1、圖2所示，水壓爆破方法中，炮眼根據其位置的不同，采用兩種裝藥結構，周邊眼采用空氣間隔、不耦合裝藥，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。掏槽眼、輔助眼、底板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。兩種裝藥結構在裝藥前，均需先在炮眼孔底裝入長約20cm的水袋1節，并在裝藥結束后再裝入2節水袋，使用炮泥進行堵塞。

圖1 周邊眼裝藥結構示意圖

圖2 掏槽眼裝藥結構示意圖

水壓爆破的起爆網絡采用簇連法，俗稱一把抓起爆法。即在各炮孔內裝1發延期導爆管雷管，將導爆管連成一把后，用2發8號電雷管起爆。連接好起爆網絡，待其他施工人員撤離到警戒線以外后，由爆破員用起爆器在安全避炮點起爆。

5 水壓爆破與普通爆破效益對比

5.1 經濟效益對比

表1～表4為常規爆破與水壓爆破中材料、勞動力、技術參數等各項指標的對比，由表4可以計算得出，應用水壓爆破后，每延米進尺可節省費用93.6元。按照周山隧道出口段單洞長度2875.79m計算，采用水壓爆破貫通后可節省27萬元，經濟效益較好。

表1 常規爆破與水壓爆破火工品數量對比

表2 常規爆破與水壓爆破技術參數對比

表3 常規爆破與水壓爆破勞動力對比

表4 常規爆破與水壓爆破成本對比

5.2 工期對比

由于水壓爆破平均每循環進尺比普通爆破多0.2m，隧道采用水壓爆破掘進至貫通時可少鉆爆24個循環，因此左右洞采用水壓爆破后均可縮短工期15～16天。

6 結語

由于加入了水的元素，隧道水壓爆破大幅度地提高了爆破能量的利用率，降低了炸藥用量，提高了單個循環進尺，加快了工程進度，大大提高了經濟效益；此外，炸藥爆炸后對水袋中的水起到了霧化作用，相當于在爆炸后一瞬間對爆堆進行了一次噴水，加大了對爆后粉塵及有害氣體的吸收，降低了爆后隧道內粉塵的濃度，縮短了通風降塵時間，真正做到了環保施工的要求。

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