水介質(zhì)換能爆破在大盤(pán)山隧道施工中的應(yīng)用

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目前，國(guó)內(nèi)公路隧道主要使用鉆爆法開(kāi)挖。普通鉆爆法爆破施工存在對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)破壞較大、影響隧道穩(wěn)定性及支護(hù)質(zhì)量與成本等問(wèn)題。為有效解決這些問(wèn)題，近年來(lái)推廣使用的水介質(zhì)換能爆破技術(shù)在提高炸藥利用率、降低爆破危害、節(jié)約爆破成本等方面取得了顯著成效[1]。

大盤(pán)山隧道為特長(zhǎng)硬巖隧道，隧道施工難度大、施工工期長(zhǎng)、施工條件艱苦，急需要發(fā)展和提升新的隧道快速掘進(jìn)技術(shù)和工藝。對(duì)于硬巖特長(zhǎng)大隧道而言，高效、大進(jìn)尺、環(huán)境友好型的破巖技術(shù)，可大大加快隧道掘進(jìn)速度、縮短施工工期。為將水介質(zhì)換能爆破技術(shù)成功應(yīng)用在大盤(pán)山隧道日常掘進(jìn)中，在該隧道車(chē)行通道與人行通道進(jìn)行了水介質(zhì)換能爆破試驗(yàn)研究。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)述

杭紹臺(tái)高速公路工程全長(zhǎng) 162.0 km，途經(jīng)紹興、金華、臺(tái)州，其中上海隧道工程有限公司承建大盤(pán)山隧道是杭紹臺(tái)高速公路工程臺(tái)州段的控制性工程，全長(zhǎng) 8.6 km，紹興段長(zhǎng) 1.7 km，臺(tái)州段長(zhǎng) 6.9 km。大盤(pán)山隧道地處會(huì)稽山脈、大盤(pán)山脈和大雷山脈，沿線山巒起伏，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)造強(qiáng)烈。穿越 8 處斷層，最大埋深約 580 m。

大盤(pán)山隧道圍巖地層巖性以白堊系凝灰?guī)r為主，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖體新鮮，洞身段圍巖較完整，節(jié)理閉合，呈塊石鑲嵌結(jié)構(gòu)，地形陡峻，地貌多呈侵蝕低山丘陵。圍巖級(jí)別主要為 Ⅲ～Ⅳ 級(jí)，占比約 74%；Ⅴ 級(jí)圍巖較少，主要分布在隧道進(jìn)出口段。

1.2 工程地質(zhì)、水文條件

1.2.1 地質(zhì)條件

大盤(pán)山隧道位于新華夏系第一構(gòu)造第二隆起帶南段，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈。構(gòu)造格架以華夏系、華夏式和新華夏系構(gòu)造為主，確定了區(qū)內(nèi)山脈以北東走向?yàn)橹?。新華夏系構(gòu)造由一系列的壓性或扭性斷裂及部分縱張斷裂、擠壓帶、霹靂帶等結(jié)構(gòu)要素構(gòu)成。對(duì)隧道影響較大斷裂有衢州-天臺(tái)大斷裂、鶴溪-奉化大斷裂等。

1.2.2 水文條件

大盤(pán)山隧道基巖裂隙水主要由風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水組成?；鶐r裂隙水主要受大氣降水補(bǔ)給和部分地段第四系孔隙潛水補(bǔ)給，在地形切割較強(qiáng)烈處及山坡坡腳處等地排泄。基巖風(fēng)化裂隙水主要儲(chǔ)存在強(qiáng)至中風(fēng)化基巖中：隧道區(qū)強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體成碎塊狀，儲(chǔ)水性好，厚度較小，多在地下水水位以上；中風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙以閉合為主，一般水量貧乏，局部裂隙較密集，局部水量稍大。根據(jù)壓水試驗(yàn)成果，一般為滲透性微弱，富水性差，水量貧乏。構(gòu)造裂隙水主要貯存在斷裂帶內(nèi)，巖體破碎，呈碎塊狀和碎石土狀，儲(chǔ)水性好，水量變化較大，受氣象影響大。

2 水介質(zhì)換能施工技術(shù)

2.1 水介質(zhì)換能的概念

水介質(zhì)換能爆破技術(shù)即在爆破工程中，在被爆巖體中埋設(shè)與炸藥隔離密封的水介質(zhì)，爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫瞬間將其氣化，并與炸藥的爆生產(chǎn)物一起急劇膨脹擠壓巖石以達(dá)到破碎巖體的效果。

2.2 水介質(zhì)換能爆破機(jī)理

從熱力學(xué)角度分析[2]，根據(jù)熱力學(xué)定律和物質(zhì)不滅定律，在“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”中加入一定量的水，炸藥爆炸釋放的熱能在絕熱的“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”中將轉(zhuǎn)換為水的內(nèi)能，儲(chǔ)存了炸藥爆炸能的水和炸藥共生的爆生氣態(tài)物質(zhì)，在炸藥爆炸的高溫高壓下進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 H2、O2、CO2、NO2等新的物質(zhì)。

研究表明，炸藥爆破破巖是在爆轟波和爆生氣體兩者的共同作用下達(dá)到破巖的目的。爆轟波首先作用激活巖體的原生裂隙，并產(chǎn)生新的微裂紋，隨后高溫高壓爆生氣體進(jìn)入孔壁巖體的裂隙，在裂隙內(nèi)壁表面形成并分布?jí)簯?yīng)力，等效于巖石拉伸試驗(yàn)外部施加的拉伸應(yīng)力作用[3-4]，即在裂隙尖端產(chǎn)生使裂隙持續(xù)擴(kuò)展的拉應(yīng)力，裂隙的擴(kuò)展優(yōu)先沿著環(huán)向拉應(yīng)力極大值方向和巖體內(nèi)部原生裂隙、節(jié)理等弱結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)擴(kuò)展[5]。隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，高溫高壓氣體能以較長(zhǎng)的時(shí)間作用于巖體裂隙，這些微裂隙在高壓氣體驅(qū)動(dòng)作用下進(jìn)一步擴(kuò)展、延伸生成宏觀裂縫，宏觀裂縫進(jìn)一步發(fā)展與掌子面或切槽貫通形成宏觀破壞性斷裂面，使破裂的巖塊朝著自由面方向破裂剝落。

3 水介質(zhì)換能爆破的應(yīng)用

為獲得良好的爆破效果及合理的施工參數(shù)，同時(shí)不影響正常的隧道施工，將水介質(zhì)換能技術(shù)在隧道中的車(chē)型通道、人行通道進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，以此來(lái)驗(yàn)證水介質(zhì)換能爆破的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性。

基于水介質(zhì)換能爆破機(jī)理，采用水袋進(jìn)行炮孔填塞，水袋注滿水后直徑 35 mm、長(zhǎng) 26 cm，炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 水介質(zhì)換能爆破裝藥結(jié)構(gòu)

3.1 水介質(zhì)換能在輪廓控制爆破中的應(yīng)用

車(chē)行通道采用全斷面一次爆破開(kāi)挖，斷面較小，有利于開(kāi)展試驗(yàn)作業(yè)，同時(shí)其夾置作用較隧道爆破大，對(duì)爆破效果更具有考量作用。基于此，選取車(chē)行通道輪廓附近一處炮孔進(jìn)行水介質(zhì)換能裝藥，對(duì)稱(chēng)一側(cè)作為對(duì)比。車(chē)行通道的炮孔布置及試驗(yàn)區(qū)域如圖 2 所示。

圖2 車(chē)行通道炮孔布置及試驗(yàn)區(qū)域示意圖

爆破后試驗(yàn)區(qū)與對(duì)比區(qū)的爆破效果如圖 3 所示。

圖3 輪廓控制爆破效果

從圖 3 中可以看出，試驗(yàn)區(qū)炮孔在內(nèi)置水介質(zhì)后爆破效果較好，輪廓平整，周邊孔痕明顯。對(duì)比區(qū)采用常規(guī)爆破方式的區(qū)域，爆破不充分，出現(xiàn)了巖體欠挖現(xiàn)象，導(dǎo)致輪廓偏差較大。

3.2 水介質(zhì)換能在掘進(jìn)爆破中的應(yīng)用

為了凸顯水介質(zhì)換能爆破的優(yōu)勢(shì)，選取人行通道作為試驗(yàn)區(qū)域。由于人行通道斷面較小，巖石夾置作用大，傳統(tǒng)爆破作業(yè)后人行通道斷面輪廓線參差不齊，爆破塊度亦不理想。本次試驗(yàn)選取人行通道下半部作為試爆區(qū)域，如圖 4 所示。

圖4 人行通道試驗(yàn)區(qū)域及炮孔布置圖

爆破后，大盤(pán)山隧道某一人行通道爆破效果，如圖 5 所示。

圖5 人行通道爆破效果圖

從圖 5 中明顯可以看出，輪廓外采用常規(guī)爆破，爆后輪廓較參差，平整度較差，并伴有超欠挖現(xiàn)象。采用水介質(zhì)換能爆破，輪廓明顯，平整度較高。通過(guò)實(shí)際測(cè)量比較，炮孔深度 2 m，采用常規(guī)爆破，進(jìn)尺不足 1.4 m，而采用水介質(zhì)換能爆破，進(jìn)尺達(dá)到了 1.8 m。由此可知，水介質(zhì)換能爆破能大大提高爆破效果，改善爆破效果。

3.3 水介質(zhì)換能爆破在隧道輪廓控制中的應(yīng)用

基于水介質(zhì)換能試驗(yàn)的良好爆破效果，在隧道施工中采用水介質(zhì)換能技術(shù)進(jìn)行施工作業(yè)。由于水介質(zhì)換能爆破在施工中工序較常規(guī)爆破多，為了節(jié)省作業(yè)時(shí)間及勞動(dòng)強(qiáng)度，僅在隧道周邊孔進(jìn)行水介質(zhì)換能裝藥。

周邊孔采用聚能管裝藥，孔距 80～100 cm，孔深 4 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，水介質(zhì)換能光面爆破技術(shù)平均每循環(huán)進(jìn)尺 3.8 m，普通光面爆破技術(shù)平均每循環(huán)進(jìn)尺 3.5 m，水介質(zhì)換能光面爆破技術(shù)平均每循環(huán)增加進(jìn)尺 0.3 m，爆破效果得到極大提高。普通光面爆破技術(shù)半眼痕率較低，且超欠挖嚴(yán)重，但水介質(zhì)換能光面爆破技術(shù)半眼痕非常明顯，經(jīng)測(cè)算可達(dá) 85% 以上，且整體輪廓圓順，基本上炮眼與開(kāi)挖輪廓位置相同。爆破效果對(duì)比情況如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 普通光面爆破效果圖

圖7 水介質(zhì)換能光面爆破效果圖

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

以隧道光面爆破為例，對(duì)比水介質(zhì)換能光面爆破與普通光面爆破進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在相同斷面，相似圍巖條件，相同鉆孔深度的前提條件下，水介質(zhì)換能光面爆破每循環(huán)進(jìn)尺較常規(guī)光面爆破平均增加 0.3 m。單位炸藥消耗方面，水介質(zhì)換能光面爆破較普通光面爆破減少 0.12 kg /m3。主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 1～表 3。

表1 普通光爆與水介質(zhì)換能爆破光面眼鉆孔費(fèi)用對(duì)比

表2 爆破技術(shù)火工品效益對(duì)比

表3 普通與水介質(zhì)換能光面爆破技術(shù)周邊眼鉆爆費(fèi)用對(duì)比

從表 1～表 3 可以看出，雖然水介質(zhì)換能光面爆破使用材料較多，單孔材料費(fèi)較普通光面爆破高，但整體價(jià)格較低。通過(guò)周邊眼單循環(huán)火工品使用量分析，周邊眼鉆孔數(shù)量由 59 個(gè)下降到 35 個(gè)，鉆孔總長(zhǎng)度由 236 m 下降到 140 m，總費(fèi)用由 3 901.08 元下降到 2 314.20 元，費(fèi)用節(jié)約 40.7% 。綜合對(duì)比鉆爆費(fèi)用，水介質(zhì)換能光面爆破比普通爆破技術(shù)每循環(huán)節(jié)約費(fèi)用 1 074.81 元，即節(jié)約 400.73 元/m，節(jié)約費(fèi)用比例達(dá) 26.8% 。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 水介質(zhì)換能爆破充分利用水的熱力學(xué)及化學(xué)性質(zhì)，延長(zhǎng)爆炸作用時(shí)間，使得炸藥能量的有效利用率顯著提高。

(2) 在大盤(pán)山隧道車(chē)行通道、人行通道以及隧道爆破中采用水介質(zhì)換能爆破技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)及施工發(fā)現(xiàn)，水介質(zhì)換能爆破可明顯改善爆破效果，提高炮孔利用率，增大掘進(jìn)進(jìn)尺。在光面爆破的應(yīng)用中效果最為顯著，可明顯提高輪廓的平整度，增加孔痕率。

(3) 在隧道施工中采用水介質(zhì)換能光面爆破的經(jīng)濟(jì)效益分析中，通過(guò)對(duì)比可明顯發(fā)現(xiàn)，水介質(zhì)換能較普通爆破施工作業(yè)量減小，炸藥單耗及成本降低。