高鐵隧道水壓爆破施工技術(shù)應(yīng)用

譚嘉洲

中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司

1 引言

目前國(guó)內(nèi)高鐵隧道鉆爆掘進(jìn)施工大部分采用常規(guī)鉆爆法作業(yè)，傳統(tǒng)鉆爆法施工，操作簡(jiǎn)單，但圍巖超欠挖較大，總體施工進(jìn)度滯后，作業(yè)環(huán)境差、經(jīng)濟(jì)效益流失嚴(yán)重。近年來由于質(zhì)量要求的不斷提高，以人為本理念越來越深化，加之“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)，提質(zhì)增效”工作主題的全面落實(shí)，迫切地需要我們尋求一種高效、綠色環(huán)保的鉆爆施工工藝。基于以上背景，本文結(jié)合某高鐵隧水壓光面爆破技術(shù)在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖中的成功應(yīng)用，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用數(shù)據(jù)分析就常規(guī)爆破和水壓光面爆破進(jìn)行對(duì)比，探討了水壓光面爆破通過優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)形式，在高效化、精細(xì)化、綠色環(huán)保施工等方面取得的顯著效果。

2 工程概況

某高鐵隧道位于莆田市涵江區(qū)江口鎮(zhèn)，隧道全長(zhǎng)8434m，隧道最大埋深約232m，最淺埋深約28m。其中Ⅱ級(jí)圍巖4040m，Ⅲ級(jí)圍巖2655m，所占比例為79%。隧址區(qū)地層巖性主要為侏羅系上統(tǒng)南園組晶屑凝灰?guī)r。隧道Ⅱ、Ⅲ圍巖主要為弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r，塊狀構(gòu)造，巖體完整。由于隧道斷面大、開挖掘近距離長(zhǎng)，選擇合理的開挖工藝，在保障施工質(zhì)量安全、加快施工進(jìn)度、確保經(jīng)濟(jì)效益、保障工人職業(yè)健康等方面具有決定性作用。

3 施工難點(diǎn)

（1）隧道洞身山頂存在多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，進(jìn)口處最近直線距離為186m，需降低爆破振動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響。

（2）隧道為長(zhǎng)隧，通風(fēng)距離長(zhǎng)，排煙困難，常規(guī)爆破巖石在爆破壓力作用下伴隨裂隙的出現(xiàn)而產(chǎn)生大量粉塵，施工作業(yè)環(huán)境差，職業(yè)健康危害較大。

（3）常規(guī)爆破爆炸能因壓縮炮眼中的空氣而損失，造成應(yīng)力波強(qiáng)度下降，同時(shí)由于炮眼未堵塞，爆炸生成的膨脹氣體未對(duì)圍巖形成二次破碎而直接沖出炮眼變成沖擊波損失掉，導(dǎo)致圍巖破碎大塊過多，超挖過大。

4 水壓爆破機(jī)理

隧道水壓爆破，采用水袋-炸藥-水袋一炮泥的裝藥方式進(jìn)行爆破，由于沖擊波在水中傳播對(duì)水不可壓縮，爆破能量幾乎無損地傳遞到圍巖中，這種“剛性”的應(yīng)力傳遞十分有利于巖石破碎，此外由于水的高壓射流產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)和水霧作用，利于圍巖破碎及降塵。

5 水壓爆破鉆爆設(shè)計(jì)及施工

5.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道工程地質(zhì)、水文和和圍巖情況，采用能有效減小爆破振動(dòng)速度峰值、降低粉塵濃度、縮短排煙時(shí)間、減少炸藥單耗、巖石破碎均勻、縮短出渣時(shí)間、減少超挖的全斷面水壓爆破施工方法。

5.2 鉆爆設(shè)計(jì)基本參數(shù)

（1）炮眼布置。II、Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面水壓光面爆破。以Ⅲ級(jí)圍巖為例，設(shè)計(jì)每循環(huán)進(jìn)尺3m，爆破參數(shù)如下：鉆孔直徑d=40mm，周邊眼間距E=（8～18）d，抵抗線W=(1.0～1.5)E。經(jīng)試爆確定E=50cm，W=60cm，炮孔深度3.2m（常規(guī)開挖需3.4m）。掏槽眼采用三級(jí)復(fù)式楔形掏槽，掏槽眼垂直深度為3.4m，其余炮眼垂直深度均為3.2m。內(nèi)圈眼孔間距80cm，抵抗線85cm；輔助眼孔間距為80cm～90cm，抵抗線為80cm～85cm；底板眼和二臺(tái)眼孔間距及抵抗線均為80cm。詳細(xì)炮眼布置圖見圖1。

圖1 全斷面光面爆破炮眼布置示意圖

（2）裝藥參數(shù)。隧道炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，φ32藥卷，長(zhǎng)20cm，每節(jié)重0.2kg，根據(jù)試爆，線裝藥密度周邊眼取0.25kg/m；內(nèi)圈眼、二臺(tái)孔及底板孔取0.3kg/m；輔助眼取0.4kg/m；掏槽眼取0.5kg/m。Ⅲ級(jí)圍巖全斷面面積為139.31m2，炮孔總數(shù)257 個(gè)，每循環(huán)總裝藥量277.5kg，炸藥單耗0.66kg/m3。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)。水壓爆破與常規(guī)爆破相比，炮眼長(zhǎng)度縮短，裝藥量減少并在炮眼中增添了水袋，堵塞了炮泥。水袋采用封口機(jī)制作，長(zhǎng)200mm，直徑35mm,需有一定的強(qiáng)度。炮泥采用炮泥機(jī)加工而成，按照土：砂：水=0.75:0.10:0.15 進(jìn)行拌制，成品炮泥長(zhǎng)約200mm。具體裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)圖

5.3 水壓光面爆破控制要點(diǎn)

（1）水袋封口要嚴(yán)密，不得有空氣，且應(yīng)有一定的強(qiáng)度，避免裝送水袋時(shí)水袋破裂。

（2）炮泥最好在使用前2h～3h 內(nèi)加工，避免放置時(shí)間過長(zhǎng)，炮泥失水變硬。炮泥應(yīng)軟硬適中，過軟搗固易把炮泥擠出炮眼，過硬不易搗碎，堵塞不嚴(yán)，影響爆破效果。

表1 施工進(jìn)度分析

表2 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果匯總表

表3 噴射混凝土經(jīng)濟(jì)效益分析表

（3）炮孔底部水袋必須裝填到底，炸藥爆炸水袋對(duì)沖擊波的反射作用加強(qiáng)了應(yīng)力波強(qiáng)度和作用時(shí)間，并直接作用于巖面，更有利于圍巖破碎。

（4）炮泥堵塞長(zhǎng)度不宜小于40cm，同時(shí)不宜小于最小抵抗線。堵塞端水袋應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況填塞1～3 個(gè)水袋，炮泥堵塞應(yīng)用木質(zhì)炮桿搗固嚴(yán)實(shí)。

6 水壓爆破施工效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

選取進(jìn)口DK52+678-DK52+687 段采用常規(guī)爆破，DK52+687-DK52+696 段采用水壓爆破，對(duì)比分析水壓爆破在施工進(jìn)度、振動(dòng)效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效益、炸藥能耗利用、環(huán)境保護(hù)等方面的作用與效果。

6.1 施工進(jìn)度

水壓光面爆破相比于常規(guī)光面爆破，產(chǎn)生的有害氣體及粉塵少，縮短了通風(fēng)排煙及出渣時(shí)間。由于鉆孔深度及超挖減少，鉆孔時(shí)間和噴錨時(shí)間均有所減少。具體分析見表1。

6.2 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》，運(yùn)行中的水電站及發(fā)電站中心控制室設(shè)備允許安全振動(dòng)速度為：0.6cm/s～0.7cm/s（10Hz～50Hz）。采取TC-4850 爆破測(cè)振儀檢測(cè)分析常規(guī)光爆和水壓光爆對(duì)山頂風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成的振動(dòng)影響。振動(dòng)速度峰值匯總見表2。

由匯總表可知，二者皆低于規(guī)范規(guī)定的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，但常規(guī)光爆振速已接近允許最大振動(dòng)峰值上限，水壓光爆對(duì)風(fēng)車機(jī)組的振動(dòng)影響更小，安全性更高。

6.3 噴錨噴射混凝土用量

通過斷面掃描，常規(guī)光爆平局?jǐn)嗝婷娣e為143.65m2，平均超挖面積為4.34m2，平均線性超挖0.14m；水壓光爆實(shí)測(cè)平局?jǐn)嗝婷娣e為141.96m2，平均超挖面積為2.65m2，平均線性超挖為0.09m。超挖的減少，斷面平整性的增加降低了噴射混凝土用量及回彈量，Ⅲ級(jí)圍巖共計(jì)2655m，可節(jié)省318 萬(wàn)元。每米費(fèi)用對(duì)比分析見表3。

6.4 炸藥消耗

水壓光爆裝藥，每孔炮眼均減少一節(jié)炸藥，每循環(huán)減少炸藥51.4kg，炸藥能耗利用率提高。2 號(hào)巖石乳化炸藥每噸9500 元，每循環(huán)節(jié)省488.3 元。Ⅲ級(jí)圍巖共計(jì)2655m，885 循環(huán)，可節(jié)省41.7萬(wàn)元。

6.5 粉塵濃度檢測(cè)

隧道爆破粉塵，易導(dǎo)致塵肺病，一般允許的最大粉塵濃度不超過3mg/m3。通過對(duì)DK52+678-DK52+696 段每循環(huán)爆破后5min，不通風(fēng)進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)，得出常規(guī)爆破粉塵濃度在4.1mg/m3～4.6mg/m3之間，水壓爆破粉塵濃度在2.9mg/m3～3.3mg/m3。對(duì)比檢測(cè)結(jié)果顯示，水壓光爆產(chǎn)生粉塵濃度明顯低于常規(guī)光爆，有效解決了長(zhǎng)隧通風(fēng)排煙難得難題，改善了作業(yè)人員施工作業(yè)環(huán)境。

7 結(jié)論

水壓光面爆破對(duì)比常規(guī)光爆得具有“三提高一保護(hù)一減振”的作用與效果：即提高炸藥有效能量利用率，節(jié)省炸藥；提高施工效率，加快施工進(jìn)度；提高經(jīng)濟(jì)效益，降低成本；降低粉塵濃度，改善作業(yè)環(huán)境，保護(hù)施工人員身體健康；控制爆破振動(dòng)，降低爆破振動(dòng)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)影響。