水壓爆破在大斷面公路隧道開挖中的應用

楊治發 （中鐵十六局集團路橋公司，北京 101500）

1 工程概況

國家高速公路網G85重慶至昆明公路的昭通至會澤段公路，該公路也是云南干線公路網規劃中的“七出省”通道昆明至水富公路的重要組成部分。國家高速公路G85渝昆高速公路昭通至會澤段改擴建工程土建第1標段位于云南省昭通市魯甸縣，本標段經云南省昭通市昭陽區布嘎鄉新街轉角樓、貴州省威寧縣玉龍鄉團結村邵家院子、田邊、魯甸縣江底鄉洗羊塘、馬宗林、小海子，止于威寧縣玉龍鄉中營村小丫口。里程樁上 K0+000.85～上 K13+710，長度13.850599km；隧道2座，長3778m。本標段大口子特長隧道3135m，為一座雙線單洞的高速公路特長隧道。隧道昭通端洞口位于直線上，會澤端洞口位于R=1410m的右偏曲線上。縱坡為-2.5%的單向坡，隧道最大埋深約229m。

2 水壓爆破原理

水壓爆破是由我國著名的爆破專家何廣沂教授研究出來的，水壓爆破原理是向爆破眼中注入一定量的水，然后用炮泥堵塞炮眼。所謂的水壓爆破是炸藥在受約束的水體內爆炸，由于水有很好的傳遞爆炸能量的作用，用水將炸藥爆炸后的能量作用于圍巖上，使得圍巖破碎的一種爆破技術。水作為液體，它的可壓縮性很小，也就是加壓后體積變化很小，密度變化很小，恒定溫度下給一定質量的水體加壓100MPa，這一定質量的水密度才增加5%左右。恒溫下空氣的可壓縮性較大。由此看來，同樣質量的炸藥爆炸釋放的能量在液態水里比在空氣中傳遞效果好，因為用于壓縮空氣做功的能量遠大于壓縮水做功的能量。因此水是一種很好的傳能介質，是空氣或其他介質無法比擬的[1]。

水雖然加壓密度變化不大，但是還是有一定的緩沖作用的。如果炸藥直接接觸巖體爆炸，高溫高壓下的瞬間能量過于集中于部分巖石，一定范圍內的巖石會粉碎，粉碎的這部分巖石在開挖效果上意義不大，這部分粉碎的巖石消耗能量很大，炸藥爆炸釋放的能量算是做了一部分無用功。采用水壓爆破的方式，水能很好的傳遞能量，水的一定緩沖效果能夠均勻的傳遞爆炸釋放的能量，沖擊波會均勻的作用于巖體，使巖體不至于過于粉碎，節省能量用于破碎更大范圍內的巖石。

3 隧道水壓爆破前的準備

3.1 炮泥的制作

通過多家炮泥機比選最終選定了河南鞏義的炮泥機，本項目使用炮泥機的型號是PNJ-A型。制作炮泥的原料：土、砂、粉煤灰、水。土就地取材，采用普通黏土，含水率不超過8%且不含腐殖質等雜物，土用10mm方孔篩過篩，粒徑過大則人工破碎。砂采用與澆筑混凝土相同的河砂，河砂也需過篩，除去雜物，河砂含水率亦不超過4%。粉煤灰過篩除去石子等雜物，大粒徑人工破碎，含水率不超過3%。制作炮泥要提前一天準備材料，水、土、河砂、粉煤灰按重量比例配好，并攪拌均勻，有利于炮泥材料充分濕潤。

3.2 炮泥機操作注意事項

①打開電源鍵之前，把前一天制作好15～20kg的炮泥材料緩慢加入炮泥機的料斗中，加完料后打開電源。在螺旋桿的轉動下，炮泥被輸送推壓密實到臥式螺旋桿中，然后炮泥在推送擠壓到成形器端頭成形。

②炮泥在成形端口擠出長度約20～30cm切斷，這個長度較為合適。

③如果炮泥容易斷裂且表面粗糙，這是含河砂量大造成的，應及時調整黏土的比重。

④制作炮泥的過程中，時刻注意炮泥機的溫度，炮泥機的電機和減速器等都不易溫度過高，一般不超過50℃；若溫度過高立刻停機，檢查故障的根源。一般情況比如料斗中料加入過多，土的含量大且黏、沒有篩掉樹根等雜物都會造成炮泥機過熱。找出原因后等待電機冷卻后再重新開始開機制作炮泥[2]。

⑤炮泥機料斗有很大的撞擊聲時，應該立刻停機，檢查材料中是否混入了較大的石塊，停機撿出石塊，然后繼續制作炮泥。

⑥新炮泥機使用一天后要進行保養，更換潤滑油等。平均500～1000h保養一下炮泥機。

3.3 炮泥原料配合比的調配

按照配比，土∶砂∶粉煤灰∶水=100∶6∶7∶15進行了洞外試配加工，初次試拌出的炮泥效果不明顯，炮泥表面不光滑，而且很干燥，容易斷。經過多次試驗，最終將配合比調整為土∶砂∶粉煤灰∶水=100∶6∶8∶20。

3.4 水袋的制作

3.4.1 材料、機械的準備

配置一臺“KPS-60”塑袋灌裝封口機，先將封口機開機預熱，將購買的水袋安裝在噴咀上，水袋灌滿后自動熱融封口。水袋為聚乙烯塑料，厚0.8mm長200mm，直徑35mm。

3.4.2 封口機制作水袋工序及要點

①開動封口機前，首先要注入水定量調整容量。

②在機器后門打開后，調節泵連桿端頭的蝶形螺母來定罐裝水袋的容量。蝶形螺母的位移大小，對應到泵連桿滑塊左右位置，從而調節到水袋的灌裝容量；逆時針增大，順時針減小。

③調節好蝶形螺母，定好水袋的罐裝容量后，擰緊螺母，防止由于機械等震動使螺母松動，罐裝容量會受到不同程度的影響，有可能損壞調整桿。

④打開電源，指示燈亮，設定初始溫度為130℃，然后逐步升高溫度。由綠燈變為紅燈時，即達到所調節的封口溫度。

⑤在灌注水袋封口之前，先把主令開關打開，空轉機器兩次，讓計量泵內吸滿水，空氣排干凈以后，把主令開關關掉。用雙手拇指和食指夾住空塑料袋套在出料管口上，打開開關就自動灌注水袋并封口。

4 隧道水壓爆破的設計

水壓爆破區別于傳統的光面爆破在于裝藥結構和堵上炮眼有所區別。采用水壓爆破時，炮眼的布置、深度、數量、時間間隔、起爆順序以及掏槽形式與常規爆破基本一樣。水壓爆破所不同的是在每個炮眼中增加了水袋和炮泥，裝藥量減少和裝藥結構有所變化。根據何廣沂教授提出的一般的山嶺隧道的水壓爆破水袋的累計長度與炮泥回填封堵長度為3∶4。為了降低粉塵，有利施工人員健康，增加炮眼中水的比例有利于降低粉塵，即水袋的累計長度與炮泥回填封堵長度為1∶1（掏槽眼1.5∶1）。大口子隧道出口，圍巖為IV級圍巖，采用上下臺階法施工，上斷面開挖面積約55m2。常規爆破進尺2.7m一個循環，水壓爆破2.9m一個循環；水壓爆破在山嶺隧道開挖施工過程中節省炸藥，加快開挖進度。

5 水壓爆破效果

①安全上：水壓爆破破碎效果好，光面效果好接近隧道設計的輪廓線，圍巖受力合理，自穩效果好，有效的減少塌方，增加了施工的安全性，減小了排險難度，減少了排險時間，加快了施工進度。

②質量上：由于水壓爆破超欠挖少，開挖輪廓均勻使得二襯防水板得到很好的貼合巖面，不易被凸起的圍巖在澆筑二襯時候劃破，保證了二襯的厚度均勻，二襯內力分布符合設計要求，提高了隧道的施工質量。

③成本上：水壓爆破節約用藥量，節約隧道施工一個開挖循環的時間，節約了工期；通風時間減少，用電量勢必減少，節約了施工成本。根據現場試驗得知，每循環炸藥和原來使用炸藥為168kg，現在采用水壓爆破后節省炸藥32kg左右，節省了近19%的炸藥。

④環境上：由于炮眼最底部有水袋，水袋經過爆破后，其霧化降塵作用效果明顯好。以前全天洞內通風空氣非常混濁，使用水壓爆破后數10min后視線良好，也沒有明顯的炮煙味，特別是像這種長大隧道，緩解了因爆破所產生的粉塵多、通風困難的壓力，施工條件得到改善且利于提高施工功效。

⑤經濟上：縮短工序時間。以前放完炮通風要30min，現在15min通風即可施工下道工序；節省了炸藥，以前上臺階使用炸藥共168kg/循環，現在采用水壓爆破后使用炸藥136kg/循環，節省炸藥32kg，節省率達到19%；電費，每天節省用電66度，每天節省132元；降低了粉塵、減少了機械設備損耗率。綜合分析每次節省開支達到750元，每天節省1500元，每月節省開支45000元，經濟效益明顯。

6 結束語

綜上所述，隧道掘進水壓爆破技術在隧道施工中的實際應用充分證明了該項技術具有良好的發展前景，節約資源，對保護環境起到了良好的推動作用，尤其是對環境保護要求比較高的施工工地。在水壓爆破過程中，炸藥能量利用率提升了，用藥量減少，提高了經濟效益，一定程度上改善了隧道施工作業環境，有利于施工人員的健康。