水壓爆破技術在地鐵隧道掘進施工中的應用分析

鄭建嶺

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶400039）

水壓爆破技術在地鐵隧道掘進施工中的應用分析

鄭建嶺

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶400039）

伴隨著科學技術的不斷進步，在城市地鐵隧道掘進工程項目中，傳統技術的應用水平不能完全滿足和順應時代的發展。基于此，利用綠色環保的水壓爆破技術，能有效為掘進工程項目創造更大的價值，為人們提供出行便利。結合陳家坪站安全專項施工方案，對水壓爆破技術的內涵、原理以及優勢進行了分析，并著重闡釋了水壓爆破技術在城市地鐵隧道掘進施工中的應用路徑，旨在為相關技術部門提供更加有價值的技術建議，以供參考。

水壓爆破技術；隧道掘進；優勢；作用

1 工程案例

重慶軌道環線二期土建五標位于重慶市九龍坡區，工程項目包括兩座車站和兩個區間。標段全長共計約2950米，其中，奧陳區間長約751米、陳家坪站長約209米、陳鳳區間長約1771米，鳳凰站長約220米，以上區間均為地下暗挖。工程項目中，施工單位主要采用鉆爆法開挖配以復合襯砌施工。標段內一共設置了三處施工通道，主要包括327米的鳳凰站施工通道、420米的陳家坪施工通道以及209米的陳鳳區間施工通道。

奧陳區間主要采取的是土建四標明挖段拉坡道施工措施，區間段內兩車站均為地下兩層12米的島式站臺，寬度為23.44米，高度為21.14米，基本工藝手段是雙側壁導坑法九步開挖措施。奧陳區間采用單洞單線斷面形式，陳鳳區間較長，以單洞雙線斷面形式為主。由于奧陳區間段采用單洞單線斷面形式，陳鳳區間為單洞雙線斷面形式，因此，接近車站部位配線區調整為單洞單線。針對城市軌道交通中鉆爆法施工存在的環境污染大、噪音大、能耗高等問題，施工團隊在優化分析重慶軌道交通環線二期土建五標工程的具體情況后，結合水壓爆破效果，在城市軌道交通工程大斷面車站及區間施工中引進水壓爆破技術。

2 水壓爆破技術概述

2.1 水壓爆破技術內涵

水壓爆破技術的提出充分融合了地鐵隧道工程施工流程的具體要求，在多數隧道工程開展掘進項目的過程中，采取的爆破方式并不進行回填堵塞炮眼的操作，炸藥箱紙浸水應用也十分少見。因此，傳統技術工藝的科學性、合理性以及資源的持續利用性都缺乏優勢，一味增大成本投入會導致爆破的強度逐漸增大，對周邊環境產生影響，露天深孔水壓爆破的研究課題應運而生，結合隧道掘進工程的具體要求，對深孔、淺孔以及隧道掘進等水壓型爆破技術展開了深度分析和集中討論。

2.2 水壓爆破技術原理

在水壓爆破技術應用過程中，相對于常規爆破具有較大的優勢。由于水壓爆破技術的炮孔中裝填了水袋和炮泥，能一定程度上有效升級水的不可壓縮特性，進一步提高爆破效果，并且建立無損失傳遞炸藥能量傳輸系統，為后續工作的開展提供保障，不僅有利于圍巖破碎，也能優化產生“水楔”作用，全面落實破碎巖石的操作標準，從根本上減少巖爆的概率。另外，在水壓爆破技術應用過程中，由于炮孔最底部的水袋能有效替代炸藥卷更好地完成水壓爆破工作，主要是利用水中反射波作用，在延長爆破作用時間的基礎上，充分發揮“水楔”作用的優勢和項目特征，優化巖石破碎效率和實際水準的同時，為有效利用爆破生成的膨脹氣體提供保障，從而全面落實圍巖破碎效果。也就是說，炮孔中有水抑或是爆破產生的水霧，都能從根本上優化降塵效果[1]。

相較于常規爆破，水壓爆破技術應用過程中，裝藥量能有效節約20%。需要注意的是，由于裝藥量減少，整個水壓爆破技術應用中的爆破振動就會隨之減弱。例如，本案例中的鳳凰站爆破振速能有效控制在每秒1厘米范圍內。

水壓爆破與常規爆破的炮眼裝藥結構對比如圖1所示。

圖1 水壓爆破與常規爆破的炮眼裝藥結構對比示意圖

在整個技術應用過程中，將炮眼無回填堵塞部位改為用水袋與炮泥回填堵塞。水中傳播的沖擊波對水無法運行壓縮操作，爆炸能量無損失地經過水傳遞到炮眼圍巖中，這種無能量損失的應力波十分有利于圍巖的破碎。另外，由于水壓爆破技術的基本運行原理，水能在炸藥爆炸作用下產生對整個操作流程有利的水楔效應，實現圍巖破碎效果的全面升級，且炮眼中存有較多的水分，使得霧化降塵作用全面升級。而對于炮眼底部的水與炮眼中上部的水來說，兩者形式以及實際作用都存在一定的差異，炮眼底部的水代替了炸藥，炮眼中上部的水取代了空氣及部分回填土[2]。正是基于此，專用設備制成的炮泥回填堵塞炮眼，要比土具有更加堅實且密度更大的優勢，加之物料中含有一定量的水分，能有效抑制膨脹氣體沖出炮眼，因此，在實際處理過程中，水壓爆破技術的整體效果更好，便捷化也能有所升級。

炮眼底部的水袋完全替代了炮眼底部的部分炸藥。炮眼底部水袋與炮眼中上部水袋相比最大的區別是前者代替了炮眼底藥卷，其自身的基本功用就是藥卷作用，不能過長，否則會導致整個結構向炮眼底方向傳播的沖擊波逐漸減小，同時，導致巖石夾制作用增大，在整個變化和結構發展到一定位置后，會存在應力波不足的問題，無法有效踐行破碎圍巖的操作，就會對整個處理系統和結構產生影響。但是，炮眼中上部的水袋作用則不盡相同，整個結構的傳播方向和炮眼口方向一致，若是沖擊波逐漸變小，則巖石的夾制作用也逐漸變小，在整個參數體系到了一定位置應力波后，就會直接破碎巖石。綜上所述，炮眼中上部水袋要比炮眼底水袋長。經實際爆破效果相比，光爆炮眼眼口水袋長可相當于2～3藥卷長度，而內部炮眼由于夾制作用大，其炮眼底水袋長可相當于1藥卷長度[3]。

2.3 水壓爆破技術優勢

第一，能有效實現對比分析。1）從爆破渣樣對比情況分析，水壓爆破后碎石堆積整齊，渣堆短，易于出渣。2）從煙塵情況對比分析，水壓爆破后煙塵濃度明顯減小，節約了通風時間。3）從爆破振動情況對比分析，水壓爆破較常規爆破震速、震動聲音減小，同時優化了爆破對周邊圍巖、建、構筑及居民的影響。除此之外，也節省了投入成本。

第二，能有效控制爆破振速，在實際技術應用體系建立后，要確保監測水壓爆破比常規爆破減小了爆破振速，并且，要將振速設計為每秒2厘米左右，從而滿足設計要求，同時一定程度上優化建設安全性，為地面交通以及行人常規化行走提供便利。

第三，充分利用水壓爆破，對“水楔”效應進行整合，不僅是為了進一步控制爆破后粉塵的實際濃度，也是為了能有效改善地鐵挖掘項目中洞內的環境。利用該技術后，粉塵濃度能有效降低近70%左右。

第四，要在水袋中水蒸氣降低掌子面前溫度后，優化整體技術結構的應用效果，相較于常規化爆破技術結構，利用水壓爆破掌子面前溫度降低了約3℃左右，并且優化控制爆破后巖石的實際尺寸，50厘米以下居多，實現快速出渣。

3 水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用流程

在實際施工項目操作過程中，對水壓爆破的技術要點進行分析的過程中，要向炮眼中基本位置裝入適量水。這個標定的一定位置，主要是指炮眼底部和炮眼的中上部。而適量水則涉及水袋的直徑以及水袋的實際長度[4]。尤其是在城市軌道交通施工中，相關技術人員在注水長度與炮泥回填堵塞的長度參數處理方面，要踐行有效的處理機制，最佳比例為1∶1或1∶0.9。并且，炮眼底注水長度約為20厘米左右，水袋制作工藝和炮泥制作工藝都要結合實際需求進行統籌處理。需要注意的是，炮孔最底部裝填水袋及孔口堵塞水袋等結構十分關鍵，炮泥的水壓爆破與隧道掘進常規的爆破相比較，最大的優勢就在于增加整個水袋制作工藝和炮泥制作工藝的完整性，也為后續工作的開展奠定了堅實基礎[5]。

圖2 工藝流程圖

3.1 水袋制作

在對水袋制作過程進行分析的過程中，要對工藝流程和實際管理工作展開深度分析，向炮眼中注水時，要先將水灌入到塑料袋中，然后把水袋填入炮眼的底部與中上部位。例如，本文中水袋加工封口機采用浙江溫州鑫瑞包裝機械有限公司產KPS-160塑料灌裝封口機。另外，對于水袋制作而言，水袋的基本材料也非常關鍵，塑料袋是通用的聚乙烯塑料，袋厚0.8毫米，炮眼直徑為40厘米，袋徑為35厘米，袋長200毫米左右[6]。需要注意的是，在封口機使用過程開始前，要集中排除空水管內的殘存空氣，將袋子安裝在噴嘴等結構中，在水袋灌滿后壓口塑封。水袋灌裝要保證飽滿效果，隧道爆破過程主要是水平炮眼，能有效實現裝填水袋過程的目標和完整性，水袋長度控制在200毫米，直徑控制在35毫米。水袋袋厚0.8毫米左右。水袋袋厚太薄會出現承載力減小的問題，不僅會出現變形也會被劃破。水袋要盛滿水，確保封口嚴實的基礎上，不漏水、滲水，見圖3。

圖3 水袋加工工藝流程

3.2 炮泥制作

在炮泥制作過程中，由于其主要成分是土和砂，因此，主要利用的是黏土和細砂。在相關材料和水進行攪和之前，揀出石塊，利用過篩精挑細小石子，其篩眼尺寸為5mm×5mm為宜。也就是說，炮泥要按照固定比例進行統籌制作。需要注意的是，不同原料的數量要適中，若是砂過多，就會導致炮泥成型差；若是砂過少，就會使得炮泥比重小[7]。另外，水量也要保持適中，若是水量過少，則無法有效落實黏合及降塵作用；若是水量過多，則會導致炮泥質地柔軟，不易搗固堅實。總之，合格的炮泥不僅僅要表面光滑，也要含有一定的水且便于搗固。制作好的炮泥不要暴曬在太陽下或放置時間過長，避免失去水分變硬，最好在使用前兩個小時到三個小時之內進行制作。

3.3 水袋、炸藥、炮泥裝填

裝填水袋時用炮棍輕輕推到炮孔，回填堵塞炮泥，施工時應注意嚴格認真清洗炮孔，水袋要盛滿水，封口密實，方便裝填炮孔中。在使用前2h-3h制作炮泥，以免時間過長，炮泥失水變硬[8]。

4 結束語

總而言之，水壓爆破技術的應用具有較大的經濟優勢，尤其是在地鐵建造過程中，在優化利用率和施工效率的基礎上，也為經濟效益和環境保護提供支撐。

[1]聶武丁.隧道掘進水壓爆破技術的實際應用[J].工程爆破，2012（4）：38-41.

[2]劉友平.水壓爆破技術在黔桂鐵路定水壩隧道掘進中的應用[J].鐵道標準設計，2009（4）：91-92.

[3]高紅賓.隧道掘進新技術：水壓爆破施工[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2016，66（03）:125-126.

[4]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（自然科學版），2013，26（02）:46-50，100.

[5]喬樹偉.隧道掘進水壓爆破施工技術[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2016，15（01）:25-30.

[6]張英華，倪文，尹根成，等.穿層孔水壓爆破法提高煤層透氣性的研究[J].煤炭學報，2014，29（03）:298-302.

[7]陳士海.深孔水壓爆破裝藥結構與應用研究[J].煤炭學報，2013，25（z1）:112-116.

[8]蔡永樂，付宏偉.水壓爆破應力波傳播及破煤巖機理實驗研究[J].煤炭學報，2017，42（04）:902-907.

Application of Water Pressure Blasting Technology in Tunneling Construction of Urban Subway

ZHENG Jianling
（China Railway Eighteen Bureau Group Tunnel Engineering Co.,Ltd.,Chongqing400039,China）

with the continuous optimization of science and technology in the city subway tunnel project,the traditional technology can not fully meet the application level and the development of the times,based on this,the use of hydraulic blasting technology of green environmental protection,to create greater value for the effective tunneling project,provide convenience for people to travel.This combination of chenjiaping station safety special construction plan,connotation,principle and advantages of hydraulic blasting technology is analyzed,and emphatically expounds the application path of hydraulic blasting technology in city subway tunnel construction,to the relevant technical departments to provide more technical advice for reference value.

water pressure blasting technology;tunneling;advantage;role

郝安林）

U455

A

1673-2928（2018）02-0086-04

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.024

2017-10-23

鄭建嶺（1981-）男，河北省邢臺市人，中鐵十八局集團隧道工程有限公司工程師，研究方向：施工技術。