鐵路隧道鉆爆施工超挖控制優化措施研究

張海波

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

鐵路雙線隧道斷面較大，由于地質條件及傳統的施工習慣，通常造成隧道線性超挖較大。本文通過試驗對目前控制工藝進行優化研究，選取Ⅳ級圍巖為主的隧道，檢驗控制效果。

2 工程概況

某鐵路隧道為單洞雙線，隧道地質情況較為復雜，最大埋深達1 810 m，最大涌水量80 000 m3/d。不良地質為巖溶、巖堆、高地應力、危巖落石、高地溫，無特殊巖土。巖性為板巖、千枚巖、變質砂巖。本工程施工難度大、線性超挖較大，需要采取措施，加強超欠挖控制。

3 隧道超挖的主要影響因素

隧道掘進爆破炮孔分為三大類，即掏槽孔、輔助孔及周邊孔。根據炮孔作用不同又區分了諸如擴槽孔(進一步擴大槽腔的體積)、內圈孔(控制光爆層厚度基本均勻)、二臺孔(控制隧道底孔抵抗線基本均勻)、光爆孔(控制隧道成型質量并盡量減少超欠挖)、底孔(控制隧道底板不欠挖，并盡量減少超挖)等。

掏槽孔位于開挖斷面的中下部，最先起爆，主要目的是在掌子面創造新的臨空面，為后續炮孔爆破提供有利條件；輔助孔進一步擴大槽腔范圍；周邊孔保證隧道成型、滿足設計要求。

通過國內100余座隧道統計[1-2]，采用控制爆破，隧道超挖能夠減少47.3%。

3.1 周邊孔間隔裝藥

評定爆破效果的好壞主要看爆堆的級配、松散度和形態三個特征。介質破碎不但與作用力P有關，而且和爆炸壓力作用時間有關。

連續裝藥爆破，孔壁入射壓力大，破壞范圍大，粉礦率高，還增加了礦石的不均勻性，易產生大塊，帶來爆破振動危害、鏟裝和運輸效率低下等諸多問題[3]。空氣間隔裝藥爆破技術使得爆炸能量得到有效利用[4]，避免高壓氣體過早地遺漏到大氣中，使裝藥空間在巖石破裂之前保持高壓狀態，延緩了爆生氣體對介質破壞作用時間，增大了爆破作用沖量，提高了氣體做有用功的能力。爆后爆堆形狀整齊集中，巖塊破碎均勻，減少了大塊率。間隔裝藥在工程實踐中取得了良好的經濟效益[5]。

從安全角度講，爆轟氣體作用時間延長，使炸藥爆轟反應完全，減少有毒氣體生成，特別是在有瓦斯、煤塵爆炸危險情況下減少了引起瓦斯、煤塵爆炸的幾率。

3.2 周邊孔堵塞

(1)周邊孔堵塞材料及堵塞長度

可以采用黏土制作(機械或人工)，也可采用“水炮泥”。考慮到施工既要盡量降低工人的勞動強度，同時又要滿足設計要求和達到安全的目的，建議推廣使用“水炮泥”。所有裝藥的炮孔填塞水炮泥[6]，堵塞長度一定要大于20 cm。

(2)周邊孔堵塞作用

阻止炸藥爆轟氣體過早逸散，使炮孔在相對較長的時間內保持高壓狀態，有效提高爆破作用；加強對炸藥爆轟時的約束作用，降低爆炸生成氣體逸出自由面的壓力和溫度，提高了炸藥的熱效率，使更多的熱能轉變為機械功。在有瓦斯的工作面內，阻止灼熱固體(如雷管管殼碎片等)從炮孔內飛出，有利于安全等。

4 隧道超挖控制重點和優化措施

隧道爆破超挖控制主要體現在鉆爆參數和爆破施工工藝，具體體現在掏槽形式、輔助孔的布置、炮孔深度及周邊眼位置、間距、角度、裝藥結構和裝藥量、合理確定光爆層厚度[7]等方面，其中周邊眼的爆破控制對超挖效果產生最直接的影響。

試點隧道的巖性主要是板巖(Ⅳ級居多)，爆破工藝主要從提高鉆孔精度、周邊炮孔采用PVC管間隔裝藥，堵塞材料采用水炮泥等方面采取相應的措施加以控制。

4.1 隧道爆破開挖現狀

周邊眼的位置、間距、角度、裝藥結構、裝藥量對隧道超挖控制非常重要。開挖前，需要按照要求進行測量放線，標注開挖輪廓線、周邊光爆孔的位置，內圈眼布置線及炮孔位置，以便于精準施鉆；周邊眼裝藥量不超過(0.1～0.2)kg/m，間距30～40 cm，外插角度3°～5°，光爆層厚度40～50 cm。目前，鉆爆工人的文化素質和操作水平參差不齊。在生產實踐中，鉆爆設計要做到技術上可行、工藝上盡量簡單，工人才容易理解和掌握，也便于推廣使用。

4.1.1 周邊眼鉆孔質量欠佳

由于Ⅳ和V級圍巖一般需要安設鋼拱架，導致周邊孔鉆孔外插角度不易控制，加上工人操作水平等方面原因，實際施作過程中隨意性較大，導致超挖較多，噴混超耗嚴重。

4.1.2 周邊眼裝藥結構不合理

周邊眼裝藥時，工人為了操作方便，往往幾節藥卷用炮棍捅到孔底，導致能量在孔底集中，炮孔底部區域超挖難以控制。

4.1.3 周邊眼封堵不規范

(1)炸藥包裝箱泡水作為封堵材料

一般情況，炮工裝完藥之后，直接用炸藥包裝箱切條、泡水后堵塞周邊孔。

(2)不封堵

現場工人為了省事，經常對炮孔(包括周邊光爆孔)不采取任何封堵措施。

由于不封堵，時常導致周邊孔的中下部圍巖破壞嚴重，而開口出現“掛門簾”現象。

(3)傳統的炮泥封堵

隧道爆破炮泥用量較大，由于地域的差異，傳統炮泥材料不易尋找、炮泥機制備要求高(表面光滑且手捏不碎)，操作工人圖省事，不愿意使用。

4.2 優化改進措施

現場技術人員經過多次試驗，周邊孔利用縱向開口的φ32 mm PVC管(開口寬度占PVC周長的1/4～1/3)，按照設計要求將周邊光爆孔的裝藥量沿著PVC管分散開，形成導爆索串聯分散藥包不耦合裝藥結構，并采用水炮泥封堵。從實際效果來看，兩項措施能夠使爆破輪廓更好，且超挖量明顯減少。

4.2.1 φ32 mm PVC管間隔裝藥工藝

(1)φ32 mm PVC管洞外加工制作

洞外加工使用排鋸和其它常規工具。洞外操作空間大，利于批量加工，而且光線好，加工質量有保障。最重要的是加工技術含量低，雜工就可以完成，不占用寶貴的開挖時間。

一般市場上購買的PVC管材長度為4 m(也可以根據炮孔深度定制)，厚度為1 mm左右。可以根據周邊孔的長度，提前在洞外使用排鋸加工成需要的長度。

根據試驗情況，兩個工人每小時可以加工100根左右，也可以集中、批量加工。

(2)φ32 mm PVC管材洞外標記

根據設計要求和技術交底，在準備裝藥的位置提前采用記號筆進行標注，方便工人洞內安放乳化炸藥。根據不同部位圍巖具體情況，可以調整局部裝藥結構[8]。裝藥結構和標記示意見圖1。

圖1 裝藥結構和標記示意(單位：mm)

(3)φ3.2 mm PVC管材洞內使用

將本循環需要的PVC管材(數量與周邊眼的數量一致)運至洞內，在開挖臺架附近，由工人按照PVC管材的標記和裝藥量，將乳化炸藥裝入即可。注意首節炸藥要放入管材底部，導爆索要和幾節炸藥接觸。利用開口PVC管材自動收縮功能，將炸藥夾住，不需要對導爆索和炸藥綁扎，現場操作方便，節約時間。炸藥安裝見圖2。將裝好導爆索和乳化炸藥的PVC管安裝于各周邊孔。

4.2.2 周邊眼封堵

(1)水炮泥的規格

一般水炮泥長度為20～30 cm，注水后直徑略小于炮眼直徑(38～40 mm，見圖3)。

圖2 炸藥安裝

圖3 水泡泥

(2)水炮泥的使用

工人洞外裝水，自動封口，每名工人每小時可以裝300～500個。裝滿水后用竹籃等將水炮泥分裝運至掌子面，按照技術要求堵塞炮孔，不同的炮孔堵塞長度要求不同。掏槽孔、輔助孔堵塞長度不小于炮孔長度的20%，任何情況下不得低于400 mm；光爆孔堵塞位置必須位于孔口附近，堵塞長度不大于光爆孔孔間距。

5 效果評價

5.1 光爆孔采用PVC管間隔裝藥的直接效果

由于采用PVC間隔裝藥，將炸藥的能量沿著炮孔分散開，降低了爆炸應力波直接作用在圍巖上的強度，減少了爆破對圍巖的擾動，隧道平均線性超挖降低5～10 cm；工人洞內操作時間比原來減少0.5 h，簡化了操作，降低了工人的勞動強度。

5.2 采用水炮泥堵塞炮孔的效果

(1)節約炸藥，提高炮孔利用率

經過試點試驗，周邊眼和掏槽眼、輔助眼采用水炮泥封堵，炸藥單耗降低了10%左右，提高了炮孔的利用率。

(2)有利于控制隧道線性超挖

采用水炮泥封堵周邊光爆孔，增大了孔內應力波壓力及作用時間。水炮泥在堵塞炮孔后，會通過改變孔內應力波及應力波作用時間對爆破破碎過程產生影響，作用時間的長短決定了巖石的破碎程度和范圍[9]。由于延長了炸藥爆炸能量在孔內的作用時間，使能量分布比連續裝藥時更加均勻，更有利于隧道線性超挖控制。

(3)有效降低振動、減少粉塵

實踐證明，采用水炮泥封堵，大大降低了粉塵含量。采用常規裝藥結構產生的粉塵濃度遠遠高于水封裝藥結構，凸顯了水封裝藥結構降塵、環保的優點[10]。由于水的霧化作用和炮泥的堵塞，降低了空氣沖擊波和爆破振動的強度，降低了煙塵含量[11-13]。

(4)減少洞內有害氣體

炸藥爆炸后，產生了爆破粉塵和有毒有害氣體如一氧化碳、氮的氧化物、硫化物等。而水炮泥的使用，爆破后形成水霧，可以降塵、吸粉，減少有毒、有害氣體，改善洞內空氣質量，有益于洞內工作人員的身心健康。

5.3 總體效果評價

由于原材料漲價等各種原因，噴射混凝土的直接成本在600元/m3以上。通過PVC管的使用和水炮泥的封堵，試點隧道平均線性超挖減少10 cm以上，噴混材料超耗降低了(40～50)%，大大降低了工程成本。經過兩個月時間觀測，隧道線性超挖趨勢見圖4。

圖4 隧道線性超挖下降趨勢線

6 結束語

實際施工過程中應嚴格控制超挖量，對于隧道質量的提升具有重要意義，也是工程施工人員需要高度關注的問題。

經過兩個月試點的試驗，在周邊眼采用PVC管材間隔裝藥和封堵水炮泥后，隧道超挖控制取得較好的效果，大大減少了噴混的超耗，出渣時間和噴混工作時間均有不同程度地減少。

采用水炮泥封堵炮孔后，每循環炸藥單耗均有節約。表面上看，增加了PVC成本和洞外工作量，但與超欠挖和噴混超耗減少的成本相比，幾乎可以忽略不計，同時方便了工人操作、降低了勞動強度、提高了功效。