單組份聚氨酯炮孔填塞劑應用性試驗

康永全，薛 里，孟海利，孫崔源，郭云龍

(中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

炮孔填塞是爆破施工過程中非常重要卻常常被忽視的一個環節，填塞質量的好壞關乎著炸藥能量利用率和爆破效果[1]，我國《爆破安全規程》(GB 6722-2014)明確指出[2]“硐室、深孔和淺孔爆破裝藥后都應進行填塞，禁止無填塞爆破”，而且鐵路、公路、油氣、地鐵、水工和煤礦領域的鉆孔爆破施工規范也要求炮孔均應進行良好填塞[3]。

目前爆破施工炮孔填塞材料主要為手工炮泥、機制炮泥和炮泥塞，炮泥的主要成分為黏土和砂子。傳統的炮泥填塞存在以下不足：施工現場地處偏僻，炮泥取材十分受限；對于上向孔和水平孔，人工填塞炮泥操作繁瑣，影響施工效率；遇富水地質段，炮泥泡稀變軟，填塞效果大打折扣；建構(筑)物拆除爆破施工中，炮泥與被爆體物理力學性質差異較大，容易產生較多飛石，且預裝藥時間較長，炮泥容易干縮。傳統的人工填塞炮泥方法，經常出現填塞不到位的情況，無法實現有效封堵，況且單純依靠炮泥和孔壁的摩擦力，尚達不到良好的填塞效果。

目前隧道爆破施工大都采用無填塞爆破，僅靠增加裝藥量取得掘進效果[4]，炮泥填塞沒有得到很好的普及應用，達不到爆破施工規范要求。因此，有必要研制一種操作簡便、性能優良的新型填塞材料，以提高炮孔的填塞質量，并適應精細爆破技術的發展。為此，提出了使用聚氨酯泡沫材料作為炮孔的填塞材料，其具有耐高溫、高膨脹性、無毒無味、摩擦系數高以及制備灌封簡單、固化快等特點，是爆破炮孔填塞材料的最佳選擇。

1 炮孔填塞劑

1.1 TK炮孔填塞劑組成及特點

圖1 炮孔填塞劑Fig.1 Blasting hole filler

TK-BHG-T型炮孔填塞劑(已申報發明專利)是一種高性能單組分聚氨酯泡沫材料，由微膠囊包覆催化劑、聚酯多元醇、聚醚多元醇、泡沫穩定劑、阻燃劑、多異氰酸酯、發泡劑等成分組成，主要用于小直徑炮孔的快速高效填塞(見圖1)。這是針對爆破施工的現場特點和安全性要求，經過大量基礎性能實驗包括對力學性能、摩擦系數、反應放熱性、靜電性能、阻燃性能的論證研究，研制出的一種爆破施工中專用的炮孔填塞劑，其性能特點：

1)操作簡單，施工方便，每孔填塞時間占用3～5 s，與傳統的炮泥填塞相比，效率提高90%以上；

2)高膨脹性，膨脹率為20～30倍，比較適用于不規則炮孔，且能保證設計要求的填塞長度；

3)固化時間短，固化時間≤30 min，滿足正常爆破施工工序要求；

4)粘結強度高，能夠與孔道圍巖形成良好的粘結，引爆時避免泡沫體與巖石脫離，提高填塞質量和爆炸效果；

5)材料可靠安全，反應溫升≤10 ℃，無毒，耐高溫，高阻燃性，能避免爆破瞬間造成泡沫體燃燒；

6) 具有高反光性，便于識別已填塞的孔數、孔位，了解炮孔填塞情況。

1.2 炮孔填塞劑施工步驟

1)炮孔清吹干凈，將炸藥卷安裝到位，引出雷管腳線。

2)按設計填塞長度選用相應的噴槍，搖晃料罐20～30 s后，把噴槍安裝到料罐上，使用時保持罐口朝下。

3)將噴槍插入孔內，沿炮孔由里而外緩慢地噴入材料，孔口留5～10 cm不用噴。

4)炮孔填塞完成后，表面噴水，固化效果更佳。

5)等待物料發泡膨脹，固化后與孔壁緊密粘接，完成炮孔填塞。

2 現場應用試驗

2.1 試驗工點概況

新建北京至張家口鐵路工程南口隧道位于北京市昌平區南口鎮，隧道進口位于東園子村北側，出口位于臭泥坑村北側采石場內，線位總體位于老京張線東側。南口隧道設計為單洞雙線復合式襯砌結構，軌道形式為無砟軌道。隧道全長3.032 km，其中，Ⅱ級圍巖1 345延長米，Ⅲ級圍巖1 450延長米，Ⅳ級圍巖130延長米，Ⅴ級圍巖107延長米(進出口范圍內)，試驗段隧道采用全斷面開挖，圍巖等級Ⅱ級，設計開挖斷面面積126 m2。

京張高鐵是2022年冬奧會交通保障工程，國家重點項目，工期十分緊張，另外，Ⅱ級圍巖全斷面開挖，且巖性條件比較穩定。根據現場環境條件和工程特點分析，認為此工點適宜作爆破炮孔填塞的工業性試驗，便于進行各項技術指標的分析和比較。

2.2 試驗結果及分析

1)操作簡便性。當各區域炸藥裝填完成后，隨即采用炮孔填塞劑進行炮孔填塞(見圖2)，每孔填塞時間約占3～5 s，可與爆破聯網作業同步進行，幾乎不會延長爆破作業時間，操作簡單，具有良好的現場操作性。

圖2 填塞施工方法Fig.2 Construction method of blasting hole filler

2)反應放熱性。單組份聚氨酯填塞材料在發泡膨脹過程中，跟空氣中的水分發生化學反應，會釋放一定的熱量。由于該材料與導爆管直接接觸，如果發熱量過大，則有可能引起導爆管損傷產生拒爆或引發早爆等危險情況，所以，需測試反應放熱量，以確保其作為炮孔填塞材料的安全性。根據《塑料導爆管》(WJ/T 2019-2004)的規定[5]“在-40～50 ℃范圍內，具有工業雷管正常起爆感度；在溫度為20 ±10 ℃的條件下，傳爆可靠性更高”。

聚氨酯泡沫材料噴入測試空孔后，由于巖壁濕度(98.4%)較大，物料與水分接觸并開始反應，前10 min，溫度只升高1 ℃；在10～20 min之間，反應較為迅速，溫度升高較快，平均加熱速率為0.64 ℃/s，最高反應溫度為19 ℃；30 min左右，材料化學反應完成，溫度不再升高，已經完全硬化；35 min后，伴隨著熱傳導和熱輻射，熱量逐漸消失(見圖3)。在該隧道溫、濕度條件下(環境溫度16.4 ℃，環境濕度90.9%)，聚氨酯材料完全硬化需要29 min。

圖3 填塞劑反應溫升過程Fig.3 Temperature rise chart of filler reaction

由于聚氨酯填塞物在孔口位置呈長條狀分布，熱量不會產生大量集聚，經多次重復試驗，其發泡硬化反應溫升不超過10 ℃，不會對塑料導爆管的傳爆造成影響。因此，該聚氨酯材料作為炮孔填塞材料是安全可靠的。

3)阻燃性能。炸藥爆炸將產生高溫、高壓的熱力場環境，如果聚氨酯材料極易燃燒的話，爆炸產生的瞬間高溫可能會引燃聚氨酯，導致變形萎縮，影響填塞效果。因此《爆破安全規程》規定[2]：“填塞炮孔的炮泥中不得混有石塊和易燃材料”。該聚氨酯泡沫材料無毒、無味，進行阻燃改性后，具有自熄滅性，其良好的阻燃性能，保證了其作為填塞材料的可靠性。從爆堆殘留的聚氨酯固化體中未見燃燒發黑痕跡(見圖4)，阻燃性能滿足規范要求，且導爆管正常傳爆，滿足安全要求。

圖4 聚氨酯固化體Fig.4 Polyurethane cured body

4)炮孔利用率。炮孔利用率是反應填塞效果的關鍵技術指標，炮孔利用率提高，炸藥單耗則相應減少，施工速度加快，綜合開挖成本降低。所以在裝藥前，測量并統計掏槽孔、輔助孔和周邊孔的深度，計算出平均炮孔深度；在隧道邊墻顯眼位置，噴涂一定長度的熒光黃自動噴漆作為參考線，利用激光測距儀測量掌子面與參考點的距離(見圖5)。起爆后，再次測量掌子面與參考點的距離，計算本次爆破掘進進尺(見圖6)。

圖5 全斷面炮孔填塞試驗Fig.5 Full section blasting hole filling test

現場試驗結果表明，使用該材料填塞炮孔，爆破循環進尺增加0.15～0.3 m，炮孔利用率提高7%～11%。節省了鉆孔成本和炸藥成本，加快了施工速度。

圖6 爆破進尺測量Fig.6 Advanced depth measurement

5)破碎塊度。爆堆的形狀、松散程度是衡量爆破質量的重要指標。為此，進行兩種不同填塞方式爆堆的高度、長度及巖體破碎塊度的對比分析。為便于比較，左半斷面炮孔使用聚氨酯填塞劑填塞，右邊炮孔不填塞。炮孔填塞爆破與無填塞爆破相比，爆堆較為集中，飛石距離明顯減小，巖碴塊度破碎均勻(見圖7)；無填塞爆破有時產生大塊巖石，需進行二次破碎，嚴重滯緩后續工作的進行。

圖7 半斷面炮孔填塞試驗Fig.7 Half section blasting hole filling test

6)光爆效果。光面爆破是決定隧道開挖質量好壞的關鍵技術，炮孔填塞則是隧道光面爆破設計中需要考慮的重要因素。通過對比試驗分析兩種填塞方式對隧道輪廓平整度和半孔率的影響可知，使用炮孔填塞劑對周邊孔進行填塞，可減少一卷的藥量，爆后相鄰兩孔間巖面平整，隧道輪廓成型良好；炮孔痕跡在開挖輪廓面上分布均勻，半孔率達到92%，孔壁無明顯的爆振裂隙，對圍巖的損傷大大減小，光爆效果明顯好于無填塞爆破(見圖8)，降低了超欠挖帶來的成本增加，經濟效益顯著。

圖8 光面爆破效果Fig.8 Smooth blasting effect

圖9 沖擊波壓力時程 Fig.9 Shock pressure time history

7)爆破噪聲和空氣沖擊波。在隧道洞口離掌子面280 m處設置爆破噪聲和空氣沖擊波監測點，采用AWA5636型聲級計測量噪聲大小，采用TC-4850爆破測振儀配合TCS-AB沖擊波壓力傳感器測試爆破產生的空氣沖擊波強度，炮孔填塞后的沖擊波壓力時程如圖9所示。經測試，使用炮孔填塞劑后，爆破時聲音變“悶”，噪聲強度減小15.7 dB，說明了該填塞泡沫材料疏松多孔，具有良好的吸音降噪功能；鉆孔爆破產生的空氣沖擊波，大都是爆炸氣體沖出炮孔和界面空氣而形成的，沖擊波壓力峰值在炮孔不填塞時為8 732 Pa，炮孔進行填塞后為7 587 Pa，這也證明了炮孔填塞后，將空氣沖擊波能量轉化成破碎巖石的能量，促進了爆炸能量的有效利用和合理控制，同時縮短了爆碴的拋擲距離，增加了爆破的安全性。

2.3 填塞劑效果及經濟效益分析

在開挖斷面約100 m2(不含仰拱)的爆破炮孔填塞的工業性試驗現場，以楔形掏槽的方式鉆孔，炮孔填塞前后的技術指標如表1所示，其中周邊孔深3.8 m，不填塞時的循環進尺為3.3 m，采用炮孔填塞劑后，循環進尺平均增加到3.6 m，進尺率提高9%；每循環節省炸藥約24 kg，炸藥單耗由原來的1.1 kg/m3降低到0.94 kg/m3。開挖1 km單線隧道可節省直接爆破成本40萬左右。另外，光爆效果得到改善，超欠挖產生的噴護成本降低；由于炮孔利用率提高了9.1%，掌子面上基本無殘孔，減少了重復鉆孔的次數，降低了成本；孔內炸藥爆炸反應更充分，減少有毒氣體的生成量，縮短通風時間，改善隧道作業環境；空氣沖擊波的強度降低了13%，減弱了對隧道內機械設備的損害，這些間接的經濟效益和社會效益也是可觀的，據估算，開挖1 km單線隧道可節省間接爆破成本20萬左右。

表1 炮孔填塞前后的技術指標

TK炮孔填塞劑完全硬化需要30 min，滿足裝藥聯網后清場的時間要求，且該材料無毒無味，具有良好的阻燃性能，作為與火工品直接接觸的炮孔填塞材料是安全可靠的。

3 結語

良好的炮孔填塞能保證炸藥充分爆轟反應，提高爆生氣體的壓強，延長爆生氣體作用時間，從而改善爆破效果減輕爆破有害效應。傳統的隧道爆破炮孔填塞方式，現場可操作性差，不僅給施工單位和作業人員帶來許多不便，而且達不到較好地填塞效果。以聚氨酯為基材的新型炮孔填塞劑以其簡便快捷施工的優勢，易于在爆破工程中推廣應用。