大梁山隧道掘進過程中水壓爆破的應用技術

邱雙雷

中鐵十七局四公司 重慶 401120

1 大梁山隧道掘進水壓爆破原理及技術要點

1.1 水壓爆破原理

炸藥爆炸后，由于水的不可壓縮性，構筑物內壁首先會受到由水袋中的水傳遞的沖擊波作用，強度達到幾十至幾百兆帕，并且會發生反射，從而使構筑物的內壁在強載荷作用下，發生形變和位移。當變形程度達到內壁材料的極限抗拉強度時，構筑物將會破裂。隨后，在爆炸高壓氣團作用下水球迅速向外膨脹，并將能量傳遞給四壁，形成一次突躍加載，加劇構筑物破壞[1]。

大梁山隧道掘進水壓爆破：采用在炮眼中先注水后用炮泥回填堵塞。它正是利用水壓爆破原理，使爆炸能量經水無損傳遞到炮眼圍巖，充分利用炸藥爆炸能量對圍巖進行破碎，而且，水在爆炸氣體膨脹作用下產生水楔效應，進一步對圍巖進行破碎，進一步使掌子面周邊圍巖的破碎更徹底、大塊率降低。

1.2 大梁山隧道水壓爆破技術要點

1.2.1 裝藥結構

大梁山隧道掘進水壓爆破裝藥結構：其順序是從炮眼底部依次是水袋、雷管、藥卷、水袋最后炮泥堵塞，采用雙水帶新型模式。

一般隧道掘進常規爆破裝藥結構：從炮眼底部依次是藥卷、雷管、藥卷。

大梁山隧道水壓爆破的裝藥結構與常規爆破裝藥結構在實踐中比較水壓爆破裝藥結構既節省炸藥而且增加爆破進尺。

根據不同的圍巖情況，水袋填塞長度與炮泥填塞長度不同，一般水袋填塞長度與炮泥填塞長度為0.75:1可達到最好爆破效果。不同隧道可根據隧道實際圍巖做實驗得出最佳比例。下圖1為三種裝藥結構。

圖1 裝藥結構對比示意圖

據眾多實踐及大梁山隧道實際爆破效果表明：圖c爆破效果最好。

1.2.2 炮泥制作

炮泥制作質量的好與壞將直接影響著水袋作用的發揮，所以砂、黏土與水的成分比例會更明顯的影響著水壓破壞效果。砂、黏土與水應該按照不同比例經過多次試驗可以得出最佳比例。

炮泥采用PNJ-1型炮泥機生產而成，炮泥機為普通設備，外型尺寸1712×590×1293（mm），兩個人一小時可制作200-400個，可足夠一個爆破循環所需的數量。制作炮泥材料為普通粘土。制好的炮泥以表面光滑。用手略微一捏可以變形為宜。為了保證制作質量，粘土含砂率控制在9%左右，含水率控制在14%左右。拌合均勻，待混合均勻以后，裝入炮泥機的進料倉，開動電鈕，這時按200mm-300mm的長度切割。

制作完成的炮泥應該表面光滑，用手指輕輕的捏表面會留下指印，這才能表明其既含有一定量的水又方便加固塑性搗實，已經制作完成的炮泥嚴禁在陽光與通風的地方存放，防止炮泥的水分蒸發流失，在使用前1-2小時加工。

1.2.3 炮眼注水

炮眼中注的水是先把水灌入塑料袋中，然后把水袋填入炮眼底部和中上部。

炮孔水量以水袋直徑與長度來控制。往炮眼中注水的工藝是先把水灌入到塑料袋中密封，然后把水帶填入炮眼底部和中部。水袋是PSP-1型炮孔水袋自動封裝機生產而成，水袋機為普通設備，外形尺寸1000×600×400（mm），整機功率0.85KW，電源AC220V，50HZ，一臺水袋機一小時可以制作700袋，可供兩三個循環使用。塑料袋為常用的聚乙烯塑料，袋厚為0.8mm左右。隧道爆破一般為水平眼，為便于裝填，水袋長200mm-300mm，直徑為35mm-40mm為宜。

2 大梁山隧道掘進常規爆破與水壓爆破的異同及水壓爆破優缺點

2.1 隧道掘進常規爆破與水壓爆破相同點

隧道掘進水壓爆破的掏槽形式、炮眼布置、炮眼數量、炮眼深度、起爆順序與時間間隔等方面與常規爆破相同。

2.2 隧道掘進常規爆破與水壓爆破不同點

隧道掘進水壓爆破的裝藥結構與裝藥量與常規爆破不同。隧道掘進常規爆破采用無回填堵塞方法連續裝藥結構，這樣安全性低，易發生隧道坍塌等安全事故。這種裝藥結構使炸藥爆炸產生爆轟波沿著空氣向圍巖傳遞同時向孔外傳遞，導致炸藥能量不能完全作用于圍巖，會使炸藥用量過大，存在浪費炸藥和發生坍塌危險；隧道掘進水壓爆破裝藥結構會使炸藥爆炸產生的爆轟波作用于水，利用水的不可壓縮，爆炸能量無損失地經過水傳遞到炮眼圍巖中，這樣可以充分利用爆炸產生的能量，此外在爆炸作用的膨脹擠壓作用下產生水楔效應，能夠再次對圍巖進行破碎，這樣水壓爆破充分利用爆炸能量減少炸藥用量，兩次破碎圍巖使爆渣大塊率降低，更有利于隧道出渣作業。

2.3 水壓爆破優點

（1）相同的爆破循環比常規爆破炸藥用量少且循環進尺增大。

（2）水壓爆破過程產生振動和噪音較小，對周圍環境影響小，爆破出得光面效果理想，有利于支護作業進行。

（3）水壓爆破中的水使爆破時產生的粉塵變少，有利于作業環境安全和工作人員身體健康，減少通風排塵時間。

（4）利用水壓爆破過程中產生的巖石體積小，可以進行路基填料。

水壓爆破大大提高了炸藥能量利用率、節省單位延米炸藥用量、加快施工進度、降低粉塵含量保護工作人員健康和環境。

2.4 水壓爆破缺點

水壓爆破增加水袋制作工藝和炮泥制作工藝以及裝藥前炮孔清理要求過高等工序，使水壓爆破所需設備、工序等變多變得繁瑣，對于較短隧道經濟效益不明顯。工序多，設備多增加工作人員多，對工序管理要求也高。

3 大梁山隧道工程概況

大梁山隧道起訖里程DK55+735-DK69+130，全長13395m，設計為單洞雙線隧道，設計時速250km/h，全隧道共設置5座斜井，1號斜井與正線交匯里程為DK57+800，斜井長度950m，2號斜井與正線交匯里程為DK60+700，斜井長度450m，3號斜井與正線交匯里程DK62+650，斜井長度1045m，4號斜井與正線交匯里程DK65+140，斜井長度1300m，5號斜井與正線交匯里程DK66+800，斜井長度1013m。隧道進、出口交通條件較便利，隧道全線為直線。本標段施工里程為DK61+450-DK69+130（包含3#、4#、5#斜井及隧道出口區段），共長7.68km。隧道穿越地層主要為瓦窯口片麻巖，變質斜長花崗巖，斜長二輝麻粒巖，黑云二長花崗巖，變質花崗巖，呂梁期早期變質輝綠巖，呂梁期晚期灰綠巖，晉寧期灰綠巖及印支期石英斑巖，其中II級圍巖575m，Ⅲ級圍巖4960m、IV級圍巖5520m、Ⅴ級圍巖2295m，VI級圍巖45m。隧道最大埋深430m。隧道正常涌水量80870m3/d，雨洪期最大涌水量136937m3/d。不良地質主要為圍巖失穩塌方、巖爆、突水突泥與斷層破碎帶，特殊巖土包括黃土和膨脹巖土。隧道初始風險等級評定為“極高”。

4 大梁山隧道掘進中水壓爆破的應用

大梁山隧道全長13395m，地質圍巖復雜，屬于長大隧道，大梁山隧道采用了水壓爆破技術：

（1）施工進度要求：隧道掘進水壓爆破每循環爆破進尺增加，爆渣破碎度提高，爆渣大塊率降低，運渣作業時間減少，光爆效果好有利于支護工作進行等可以大大提高施工進度，使大梁山隧道如期完工甚至提前完工。

（2）施工安全要求：隧道掘進水壓爆破充分利用炸藥爆炸產生的能量，爆炸沖擊波對圍巖作用均勻，爆破效果好，不易發生坍塌。特別針對大梁上隧道這種地質圍巖復雜的高危隧道能顯著提高施工安全性。

（3）工程效益要求：隧道掘進水壓爆破適用于“長、大、?！彼淼?，可以大量節省炸藥用量，減少隧道事故發生額外費用，加快施工進度減少人力物力費用。

5 結語

隧道掘進水壓爆破技術提高了炸藥能量利用率，改善爆破作業對環境影響，適用于隧道各級圍巖開挖掘進。水壓單孔裝藥量比常規爆破少，降低爆破噪聲和震動，減輕爆破后沖效應，保護圍巖穩定性，從而增加光面爆破周邊孔的孔痕率，水在爆炸作用下霧化降塵，使隧道工作面粉塵濃度較低。希望大梁山隧道也可以大力推廣實踐水壓爆破，為水壓爆破的發展做出巨大貢獻，同時大梁山隧道能夠按期甚至提前完工。