隧道掘進水壓爆破技術發(fā)展與創(chuàng)新

王樹成 何廣沂

（1.中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著國內(nèi)隧道工程建設的快速發(fā)展，當前，傳統(tǒng)的光面爆破技術已不能滿足日益增高的爆破效果需求［1］，國內(nèi)外諸多學者對于爆破技術的革新進行了一系列研究。

水壓爆破是一種在常規(guī)光面爆破技術基礎之上發(fā)展起來的技術。何廣沂等［2］在露天開挖爆破工程中首先提出了水壓爆破技術。王振江、李海港等［3－4］通過對比常規(guī)爆破與水壓爆破，指出水壓爆破可以降低爆破振動且有效節(jié)省炸藥成本與人力成本。Sellers［5］通過隧道工程實踐中的開挖效果，發(fā)現(xiàn)水壓爆破能有效改善爆破環(huán)境的同時提高爆破效率。韓國工程師Jeong等［6］采用水壓預裂爆破的隧道開挖方法，發(fā)現(xiàn)與普通預裂爆破相比，水壓爆破傳能效率明顯提高。

何廣沂等［7］于2016年研發(fā)提出了“聚能水壓光面爆破”新技術。聚能水壓光面爆破技術是在聚能效應和水壓爆破技術基礎之上，為了進一步實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能和綠色施工所形成的新型爆破方法［8］。Yang等［9］將聚能技術運用到預裂爆破中，驗證了切縫PVC聚能管能提升光面成型效果。沈顯才［10］通過某地鐵暗挖隧道的施工，介紹了聚能水壓光面爆破技術的基本原理、實際操作和取得的實際應用效果，敘述了聚能管裝置的組成、組裝工藝和光爆炮眼間距和裝藥結構。劉海波等［11］使用聚能水壓光面爆破技術對金瓶巖隧道進行施工，認為此技術能夠有效降低施工成本的同時，有助于實現(xiàn)隧道開挖的“精細化”和“綠色施工”。王軍［12］通過理論分析和現(xiàn)場試驗的方法，對蒙華鐵路崤山隧道工程中應用的聚能水壓光面爆破技術分析，展示了該技術的優(yōu)越性。

綜上所述，借助于大量的工程經(jīng)驗及技術研究，爆破技術已經(jīng)有了顯著的發(fā)展，水壓爆破技術已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)爆破技術。本文將從水壓爆破技術基本概念、研發(fā)歷程和實際應用變化發(fā)展各階段三個方面，對隧道掘進水壓爆破技術的發(fā)展與創(chuàng)新展開分析，并提出爆破技術下一步可研究的方向。

2 隧道掘進水壓爆破技術基本概念

目前很多單位隧道爆破掘進仍采取炮眼無回填堵塞爆破（以下簡稱常規(guī)爆破），即炮眼僅裝藥卷和起爆雷管，無回填堵塞，如圖1所示。這種炮眼裝藥結構存在著不能充分利用炸藥有效能量和嚴重污染環(huán)境等兩大痼疾，為此何廣沂教授于20世紀末研發(fā)了隧道掘進水壓爆破。

圖1 隧道掘進常規(guī)爆破炮眼裝藥結構

所謂“隧道掘進水壓爆破”，即指往炮眼一定位置注入一定量的水，如圖2所示。隧道爆破掘進炮眼是水平的，炮眼有可能漏水，怎么往炮眼注水呢？說來很簡單，就是把水裝入復合材料的袋中，稱為水袋。往炮眼中注水就是把水袋填入炮眼中。

圖2 隧道掘進水壓爆破炮眼裝藥結構

隧道掘進水壓爆破與隧道掘進常規(guī)爆破，在鉆爆設計與施工方面有七點相同，即開挖形式（全斷面或臺階）、掏槽種類、炮眼分布、炮眼數(shù)量、炮眼深度、起爆順序和起爆間隔時間等一模一樣，施工不增加任何工作量。唯一的不同即水壓爆破與常規(guī)爆破相比，炮眼中增添了水袋。

隧道掘進水壓爆破基本原理和優(yōu)越所在簡述如下：

常規(guī)爆破的炮眼中除藥卷和起爆雷管外，炮眼中上部位是空的，充滿空氣，當藥卷爆炸產(chǎn)生爆轟波傳到炮眼中上部空氣，空氣是可壓縮，損失爆轟波能量。

水壓爆破的炮眼中上部位被水充滿，爆轟波傳到水中，水不可壓縮，爆轟波能量不損失，這樣比常規(guī)爆破有利于圍巖破碎。利用在炮眼最底部一定量的水在爆破過程中延長對圍巖作用時間，其爆破效果比有藥卷更佳。炮眼中的水在爆炸作用下產(chǎn)生的“水楔”效應進一步破碎圍巖。炮眼中上部位的水堵塞炮眼，有效利用藥卷爆炸生成的膨脹氣體對圍巖再破碎。炮眼中的水除具有上述作用外，爆破產(chǎn)生的“水霧”起到很好降塵作用，還可以防止瓦斯爆炸。此外，“水楔”作用還可以防止巖爆。

因此，隧道掘進水壓爆破與常規(guī)爆破相比，實現(xiàn)了“節(jié)能環(huán)保”作用效果的創(chuàng)新，即水壓爆破具有“三提高一保護”作用效果。“三提高”：一是提高炸藥有效能量利用率，即節(jié)省20%炸藥；二是提高施工效率，加快施工進度，每循環(huán)進尺提高30 cm；三是降低成本提高經(jīng)濟效益，每延米可節(jié)省鉆爆成本幾百元。“一保護”：粉塵濃度降低90%，大大改善隧道施工環(huán)境，保護隧道施工作業(yè)人員身體健康。

3 隧道掘進水壓爆破初始研發(fā)歷程

3.1 露天深孔水壓爆破

隧道掘進水壓爆破源于露天深孔水壓爆破。以往露天深孔爆破，是使用潛孔鉆機鉆孔，炮眼采用巖屑或土回填堵塞，存在著不能充分利用炸藥有效能量和嚴重污染環(huán)境兩大痼疾，為此何廣沂教授研發(fā)成功了露天深孔水壓爆破。所謂“露天深孔水壓爆破”，就是改變露天深孔爆破炮眼裝藥結構，創(chuàng)新點就是變土回填堵塞炮眼為水與土復合堵塞炮眼，水與土的堵塞深度為1∶1，先用水回填，再用土回填炮眼到炮眼口；炮眼最底部深約0.5 m不裝藥而注入水。

露天深孔水壓爆破于1995年開始研發(fā)的，為原鐵道部科技項目。經(jīng)兩年的研究，尤其是實際應用，于1997年通過了部級鑒定，國內(nèi)知名爆破專家教授幾乎全出席了鑒定會并給予了很客觀也很高評價——“國內(nèi)外首創(chuàng)”。

3.2 隧道掘進水壓爆破技術理論

露天深孔水壓爆破研發(fā)成功之后，何廣沂教授想到垂直而比較大口徑的炮眼可以搞水壓爆破，那么對于隧道爆破掘進，水平而口徑較小的炮眼可不可以也實施水壓爆破，于是1998年“隧道掘進水壓爆破技術”被原中國鐵道建筑總公司批準立項研發(fā)。

隧道掘進水壓爆破研發(fā)伊始，為保證研究強有力的理論支撐，與山西理工大學合作進行模擬應變測試，應變測試結果表明：炮眼底部切向拉應變水壓爆破比常規(guī)爆破增加13%，炮眼中、上部切向拉應變分別增加7%和34%，切向拉應變是破碎圍巖主要參數(shù)，即切向拉應變越大越有利于圍巖破碎，水壓爆破切向拉應變大，即水壓爆破不留炮根或少留炮根、圍巖破碎率高且不出現(xiàn)大塊原因所在。

經(jīng)應變測試，雖然隧道掘進水壓爆破在理論上有支撐，但必須經(jīng)實際爆破效果來驗證理論分析正確與否。于是2002年初在渝懷鐵路歌樂山隧道進行了隧道掘進水壓爆破應用試驗。

3.3 水壓爆破技術實用效果

渝（重慶）懷（化）鐵路歌樂山隧道出口于2001年3月開始，直到2002年5月，隧道掘進均采取常規(guī)爆破，Ⅲ級圍巖全斷面（斷面59.4 m2）開挖，采取復式楔形掏槽，全斷面炮眼數(shù)為117個，其炮眼分布和起爆順序如圖3所示，設計掘進深度為3.8 m，總裝藥量248.9 kg，實際進尺 3.2～3.5 m，平均進尺3.36 m，平均炮眼利用率為86.2%，單位耗藥量1.247 kg/m3。

圖3 炮眼分布及起爆順序（單位：cm）

從2002年6月開始至2002年12月16日隧道貫通，一直采取水壓爆破。

水壓爆破炮眼分布及起爆順序與常規(guī)爆破圖3所示一模一樣，僅改變的是炮眼裝藥結構，從炮眼底至炮眼口依次為藥卷、水袋和炮泥，如圖4所示，總裝藥量為228.7 kg。

圖4 歌樂山隧道水壓爆破炮眼裝藥結構

需要說明的是，炮眼中水袋長與炮泥長之比約1∶1，每袋水袋長30 cm，直徑 3.5 cm，人工灌水和扎口，制作既慢又費力。

自2002年6月以來到歌樂山隧道貫通，連續(xù)采取水壓爆破開挖整整200個循環(huán)，共計掘進了740.1 m，在Ⅲ級圍巖（灰?guī)r）地段，設計掘進深度3.8 m，每循環(huán)實際進尺3.5～3.8 m，平均每循環(huán)進尺為3.70 m，平均炮眼利用率達97.4%，單位耗藥量1.041 kg/m3，爆破后粉塵濃度下降42.5%。

水壓爆破每循環(huán)平均進尺3.7 m，采取水壓爆破200個循環(huán)實際進尺740.1 m，如仍采取常規(guī)爆破則需220個循環(huán)，推遲隧道貫通10 d。

歌樂山隧道出口采取水壓爆破與原先常規(guī)爆破相比，每循環(huán)多掘進0.34 m，并節(jié)省炸藥20.2 kg，按現(xiàn)今比價，炸藥每噸約10 000元，鉆爆每方75元，經(jīng)計算水壓爆破比常規(guī)爆破每延米節(jié)省費用400元多，如把因通風、裝渣時間縮短以及項目管費考慮進去，每延米節(jié)省費用約500元。

綜上所述，水壓爆破在歌樂山隧道出口應用試驗，已凸顯水壓爆破“三提高一保護”的作用效果。隧道掘進水壓爆破既有理論支撐又有實際應用爆破成果，于2002年12月18日，由重慶市科委主持，由重慶大學、太原理工大學、中國科學院力學所和鐵道科學院等八個單位的院士、研究員、教授和專家等九人組成鑒定委員會對“隧道掘進水壓爆破”進行了鑒定。鑒定認為該項技術為國內(nèi)領先、國際先進。

3.4 水壓爆破技術的試點推廣

于2004年初，以“隧道掘進水壓爆破應用技術”為題，向建設部申報了“科技成果推廣項目”，并于2004年7月7日獲得批準。按照《建設部2004年科技成果推廣項目》的通知精神和要求，我們進行了有計劃的推廣試點。

為使“隧道掘進水壓爆破”推廣試點具有普遍性、代表性，成為名副其實的“示范工程”或“樣板工程”，為面向全國廣泛推廣提供可靠、準確的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，我們選擇了不同單位承建的不同隧道、不同隧道開挖斷面、不同地質(zhì)，進行推廣試點“隧道掘進水壓爆破”。

不同單位，分別是中鐵十一局集團承建的宜（昌）萬（州）鐵路馬鹿箐隧道和金沙江溪洛渡水電站（中國第二大水電站）對外交通工程大河灣公路隧道；中鐵十五局集團承建的宜萬鐵路齊岳山特長大隧道和浙江臺（州）金（華）高速公路蒼山嶺隧道。

不同的隧道，是指兩座鐵路隧道和兩座公路隧道。

不同的隧道斷面，是指鐵路單線隧道斷面60 m2，公路隧道斷面80 m2。

不同的隧道地質(zhì)結構，是指Ⅰ～Ⅴ級不等的巖石種類，其中石質(zhì)有灰?guī)r、沙巖等。

在4個推廣試點中對常規(guī)爆破炮眼裝藥結構和其他四種炮眼裝藥結構（見圖5），進行實際爆破效果對比，得到的結果是，圖5e爆破效果最佳，具有極其顯著的“三提高一保護”作用效果，即提高炸藥有效能量利用率，節(jié)省炸藥17%～24%；提高施工效率，每一循環(huán)提高進尺0.30～0.60 cm，爆渣破碎，爆堆集中，加快裝渣速度；提高經(jīng)濟效益，每延米節(jié)約成本500～600元；粉塵濃度下降67%，改善隧道作業(yè)環(huán)境，保護施工人員身體健康。

圖5 炮眼5種不同裝藥結構

鑒于推廣試點已達到《建設部2004年科報成果推廣項目》的通知精神和要求，于2006年1月，“隧道掘進水壓爆破技術”被評為“中聯(lián)重科杯”華夏建設科學技術二等獎（證書號：2005－2－1301），即省部級二等獎；以“隧道掘進水壓爆破”為主要內(nèi)容，于2007年6月由中國鐵道出版社出版《節(jié)能環(huán)保工程爆破》一書，于2014年5月第2次印刷；于2008年7月，“隧道掘進水壓爆破”獲得國家發(fā)明專利（證書號第410636號）。

4 隧道掘進水壓爆破變化發(fā)展創(chuàng)新歷程

隧道掘進水壓爆破在示范工程基礎上，不斷變化發(fā)展提高，變革創(chuàng)新；作者以實際爆破效果和鉆爆作業(yè)人員認可與否作為標準，把隧道掘進水壓爆破技術發(fā)展分為三個階段，現(xiàn)分述如下。

4.1 隧道掘進水壓爆破創(chuàng)新發(fā)展第一個階段

隧道掘進水壓爆破創(chuàng)新歷程的第一個階段即創(chuàng)造性地改變炮眼裝藥結構，相較于常規(guī)爆破大幅提升了爆破效果及降塵效果，同時從山嶺隧道推廣到城市地鐵暗挖隧道，擴大了適用范圍并且實現(xiàn)了實用性與節(jié)能環(huán)保性的創(chuàng)新。

隧道掘進水壓爆破炮眼裝藥結構為：光爆炮眼以內(nèi)的所有炮眼，其中包括掏槽眼、輔助眼和底板眼等，其炮眼裝藥結構分四步進行：第一步往炮眼最底部裝一袋水袋；第二步裝藥卷，其藥卷數(shù)量比常規(guī)爆破少一卷；第三步裝水袋，采取1/2計算方法和四舍五入規(guī)則確定裝幾袋水袋，例如裝完藥卷之后，炮眼剩余長度為1.2 m，那么裝3袋水袋就可以，如剩余長度1.3 m，也裝3袋，如剩余長度1.4 m，那就裝4袋；第四步回填堵塞炮泥到炮眼口。

光爆炮眼裝藥結構比較簡單，在常規(guī)爆破光爆炮眼間隔裝藥前提下，往炮眼最底部裝填1袋水袋，在炮眼口頂部裝填1～2袋水袋，最后用炮泥回填堵塞到炮眼口，如前文圖2所示。爆破中借助水的不可壓縮性，使爆破對結構產(chǎn)生沖擊波分布更加均勻，起到更優(yōu)的爆破效果。

在第一個階段推廣隧道掘進水壓爆破過程中對粉塵濃度進行實測，水壓爆破比常規(guī)爆破粉塵濃度下降67%，說明水壓爆破對于降塵，改善施工環(huán)境具有很大效果。

還要說明的是，應用試驗和示范工程炮泥是使用某研究所試制的炮泥機加工而成，這種炮泥機重310 kg，每臺30 000元，而在第一個階段用的是通用炮泥機，重190 kg，每臺僅3 500元。示范工程加工水袋也是使用某研究所轉賣的封口機，如圖6所示，每臺11 000元，而在第一個階段是使用在市場購置的，每臺6 500元。

圖6 封口機

中國鐵建股份有限公司于2011年4月12日在（北）京福（州）高鐵中鐵十一局承建的閩贛段石壁嶺隧道召開了“隧道掘進水壓爆破”現(xiàn)場會。參加現(xiàn)場會的有中國鐵建夏國斌副總裁兼總工程師、股份公司工程部、科技部部長及有關人員，還有中鐵十一局集團趙晉華總經(jīng)理，各個局集團總工程師及其技術員，共計百余人。現(xiàn)場會過后，于2011年5月16日股份公司發(fā)出《關于做好隧道掘進水壓爆破技術推廣工作的通知》。現(xiàn)場會起了很好很大的作用，中國鐵建股份有限公司所屬各個局集團立即普遍推廣了隧道掘進水壓爆破。

水壓爆破不但在山嶺隧道廣泛推廣應用，而且推廣到城市地鐵暗挖隧道，自2011年10月至今，已在東莞、廣州、深圳、貴陽、重慶、青島和廈門等多個城市推廣。2014年11月在貴陽召開貴陽地鐵1號線暗挖隧道水壓爆破現(xiàn)場會，2015年10月在重慶也召開了推廣地鐵暗挖隧道水壓爆破現(xiàn)場會。

地鐵暗挖隧道采取水壓爆破與山嶺隧道一樣，同具有“三提高一保護”作用效果外，針對地鐵暗挖隧道特殊的環(huán)境，水壓爆破還能起到六個“有效控制”作用效果：

一有效控制爆破振動在安全范圍以內(nèi)，確保房屋、樓房和各種設施安全；

二有效控制沖擊波強度，不擾民、不影響人們正常工作與生活；

三有效控制粉塵濃度，不但改善作業(yè)環(huán)境，保護施工人員身體健康，而且確保地面環(huán)境不被污染；

四有效控制爆破后掌子面前的溫度，不但不會上升，反而會下降，對夏季施工，尤其在重慶、廣州、深圳等城市，尤為有益；

五有效控制爆破后巖石粒徑，塊度小，破碎均勻，解決地鐵出碴困難、出碴不方便等問題；

六有效控制爆破后圍巖穩(wěn)定，不會產(chǎn)生新的裂隙，不會滲水。

4.2 隧道掘進水壓爆破創(chuàng)新發(fā)展第二個階段

長久以來，隧道爆破掘進，光爆破眼設計過密，打眼過多，打眼占用時間過長，能否減少光爆炮眼數(shù)量的同時，保障光爆質(zhì)量成了隧道掘進水壓爆破技術發(fā)展的又一個問題。為了解決這一問題，通過大量的研究創(chuàng)新，“聚能管裝置”應運而生，使用“聚能管裝置”代替光爆炮眼間隔裝藥，經(jīng)在中鐵十七局施工的拉（薩）林（芝）鐵路米林隧道橫洞等幾個隧道實際應用，光爆破眼間距由常規(guī)光面爆破40～50 cm增大到80～100 cm且提高了光爆質(zhì)量。

將具備聚能爆破作用的聚能管裝置與第一階段中的水壓爆破技術結合，減少光爆炮眼數(shù)量，降低施工成本的同時，進一步提高了光爆質(zhì)量，隧道掘進水壓爆破技術也實現(xiàn)了第二階段的創(chuàng)新。光爆炮眼采取聚能水壓光面爆破，而光面炮眼以內(nèi)所有炮眼仍采取第一個階段炮眼裝藥結構，這兩種炮眼裝藥結構的爆破，定義為“隧道掘進水壓聚能爆破。”

4.2.1 聚能管裝置

聚能管裝置由聚能管、炸藥、導爆索和定位圈等四部分組成，實物如圖7所示。聚能管主體兩側有一對稱凹進去的槽，頂角為70°，即“聚能槽”。裝置中的炸藥為通用的乳化炸藥，導爆索也為通用的起爆器材。聚能管壁厚2 mm，其長度可長可短，為光爆破眼深度70%左右。聚能管材料為PVC。聚能管的截面尺寸如圖8所示。

圖7 聚能管實物照片

圖8 聚能管截面尺寸（單位：mm）

要說明的是，聚能管是由魏華昌同志設計的，而聚能管裝置安全準爆由何廣沂教授設計的。

4.2.2 聚能水壓光面爆破基本原理

采取聚能管裝置代替光爆炮眼間隔裝藥，其光爆炮眼裝藥結構是：第一步往炮眼最底部裝一袋水袋；第二步裝填聚能管裝置，千萬注意聚能槽要與輪廓面平行；第三步裝填1～2袋水袋；第四步炮泥回填堵塞。這種光面爆破，何廣沂教授定義為“隧道掘進聚能水壓光面爆破”。裝藥結構示意及截面如圖9～圖10所示。

圖9 聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結構

圖10 聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結構截面圖

聚能水壓光面爆破，光爆炮眼間距100 cm，能保障光爆質(zhì)量嗎？從聚能水壓光面爆破原理可見端倪。

常規(guī)光面爆破技術原理是光爆炮眼中的藥卷爆炸在巖石中傳播應力波產(chǎn)生徑向壓應力和切向拉應力，由于光爆炮眼相鄰互為“空眼”，所以在光爆炮眼連線兩側產(chǎn)生應力集中度很大的拉應力，超過巖石抗拉強度，于是使炮眼之間的巖體形成的初始裂縫要比其他方向厲害得多，除此之外，由于藥卷爆炸生成的高壓氣體膨脹產(chǎn)生的靜力作用促使初始裂縫進一步擴大延伸，最終形成光面。而聚能水壓爆破除上述應力波作用外，緊跟隨的是聚能槽產(chǎn)生的高溫高壓高速射流以及光爆炮眼中的水在爆破作用下產(chǎn)生的“水契”效應，促使巖石初始裂縫進一步延伸擴展加大，光爆炮眼水袋和炮泥復合回填堵塞，有力控制藥卷爆炸生成的膨脹氣體在炮眼中，其膨脹氣體靜力作用要比常規(guī)光面爆破不堵塞強得多，更有利已形成的裂縫延伸擴展加大，聚能水壓光面爆破增添了高溫高壓高速射流和水楔作用以及增強膨脹氣體靜力作用，這三種因素共同作用的結果是解決常規(guī)光面爆破炮眼過密的主要原因。

4.2.3 隧道掘進水壓聚能爆破實際應用

隧道掘進水壓聚能爆破實際應用開始于2015年5月兩座隧道，一座是新建成（都）蘭（州）高鐵金瓶巖隧道，另一座是新建寶（雞）漢（中）高速公路石門隧道。這兩座隧道采用水壓聚能爆破不但具有“三提高一保護”作用效果，而且光爆破質(zhì)量極優(yōu)，尤其是每延米可節(jié)省成本上千元。

鑒于水壓聚能爆破實際爆破效果，于2016年9月20日，由中國鐵建股份有限公司主持進行了鑒定，參加鑒定有王建寧、等國內(nèi)知名隧道專家院士。鑒定意見認為該項技術總體達到國際領先水平。

鑒定過后，隧道掘進水壓聚能爆破廣泛推廣了，西南到拉（薩）林（芝）鐵路，東北到牡（丹江）佳（木斯）高鐵，華南到梅（州）汕（頭）高鐵、興（國）泉（州）高鐵，有高鐵隧道、公路隧道和礦山。

在隧道掘進水壓聚能爆破推廣過程中，于2018年3月11日中央電視臺走進科學節(jié)目以《石門爆破》為題，對隧道掘進水壓聚能爆破作了詳細報道。

2018年7月18日，中國鐵建在興泉高鐵8標召開了現(xiàn)場會，為此中鐵十二局集團制作了《隧道掘進水壓聚能爆破》專題片。

4.3 隧道掘進水壓爆破創(chuàng)新發(fā)展第三個階段

作者指出，推廣隧道掘進水壓爆破第三個階段技術應用是重中之重。人有旦夕禍福，天有不測風云。正當“隧道掘進水壓聚能爆破”推廣如火如荼之際，有關爆破器材管理部門，以聚能管裝置對藥卷二次改裝為由停止推廣使用。

為了解決這一問題，作者開展大量研究分析，研發(fā)出了光爆炮眼新型裝藥結構，該種結構下光爆炮眼無需導爆索，所有炮眼無需炮泥回填堵塞，結構優(yōu)化的同時降塵效果和光爆質(zhì)量也得到進一步提高，隧道掘進水壓爆破技術的發(fā)展來到第三個階段，實現(xiàn)了爆破技術與爆破效果的全面創(chuàng)新。

4.3.1 光爆新型裝藥結構

2019年4月16日，珠海市興業(yè)快線石溪山隧道進行光爆眼新型裝藥結構的第一炮，石溪山隧道常規(guī)爆破光爆炮眼深3.8 m，其裝藥結構為第一步往炮眼最底部裝1袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第二步裝10袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第三步裝3袋水袋；第四步炮泥回填堵塞到炮眼口。這種光爆炮眼新型裝藥結構，光爆質(zhì)量比常規(guī)光爆更好，關鍵是光爆炮眼再不用導爆索，裝藥結構如圖11所示。光爆炮眼采取新型裝藥結構，光爆炮眼以內(nèi)所有炮眼仍采取第一、第二階段裝藥結構，與此同時進行了粉塵濃度監(jiān)測，監(jiān)測結果如表1所示。

圖11 石溪山隧道炮眼裝藥結構

表1 粉塵濃度監(jiān)測

光爆炮眼可以不要導爆索，于是作者又想到回填堵塞可不可以不用炮泥？炮泥主要組分是黏土，在山嶺隧道地帶受條件限制，難以獲取黏土。此外加工炮泥以及往炮眼回填堵塞費時費力，人工成本高，鉆爆作業(yè)人員都不愿意用。這種想法于2020年9月19日在云南省巧家縣復建等級公路新塘坪隧道實現(xiàn)了。新塘坪隧道光爆炮眼3.8 m深，其裝藥結構為第一步往炮眼最底部裝1袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第二步裝11袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；第三步裝4袋水袋到炮眼口，毋須炮泥回填堵塞。光爆炮眼以內(nèi)的所有炮眼裝藥結構為第一步往炮眼最底部裝填1袋水袋；第二步比常規(guī)爆破每個炮眼少裝1卷藥卷；第三步用水袋回填堵塞到炮眼口。裝藥結構如圖12所示。

圖12 新塘坪隧道新型炮眼裝藥結構

隧道爆破掘進，光爆炮眼一般最深3.8 m，可能有讀者要問光爆炮眼深度如3.6 m，那么光爆炮眼裝藥結構如何？回答很簡單，裝藥結構第二步少裝1袋水袋就可以了，以此類推。

上述這種炮眼裝藥結構顯著特征是光爆炮眼不用導爆索，所有炮眼不用炮泥回填堵塞，操作更簡單更快捷，“三提高一保護”作用效果更顯著，尤其是降塵效果更提高，降塵濃度要超過88%（有待測試）。這對川藏鐵路隧道爆破開挖尤為重要有意義，這是因為川藏鐵路地處高原，本身就缺氧，隧道常規(guī)爆破后粉塵濃度大，這就等于“雪上加霜”，而采取水壓爆破不會出現(xiàn)“霜”了。

上述炮眼裝藥結構的推廣使隧道掘進水壓爆破的發(fā)展創(chuàng)新上了第三個階段。

4.3.2 光爆新型裝藥結構推廣應用

新塘坪隧道吹響推廣第三個階段炮眼裝藥結構的號角，緊接著陸續(xù)在杭（州）溫（州）高鐵香山嶺隧道和朱店隧道出口、沈（陽）白（山）高鐵吉林段楓葉嶺隧道和遼寧段新賓隧道、（四）川（西）藏鐵路康定2號隧道等進一步擴大范圍推廣。

彭（水）酉（陽）高速公路中巴隧道進行推廣，取得很好爆破效果：設計每循環(huán)進尺3.8 m，實際進尺3.8 m，炮眼利用率100%；節(jié)省炸藥17%；光爆炮眼半眼痕保留率80%以上，不欠挖更不超挖；爆破后可立即裝渣大大縮短通風時間等等。

青島地鐵6號線推廣時，在離爆破點最近樓房居民樓上感受震感，并未有顯著震動響應，因為實測振速僅為 0.29 cm/s，較常規(guī)爆破振速的 0.49 cm/s降低了40.8%。

綜上所述，依據(jù)“隧道掘進水壓爆破技術發(fā)展創(chuàng)新”所取得的經(jīng)驗和成果，要不了多長時間，隧道掘進常規(guī)爆破將成為歷史，而水壓爆破必將成為隧道爆破掘進主力軍、勝利軍！

5 結束語

隧道掘進水壓爆破技術推廣應用歷經(jīng)近20年，發(fā)展創(chuàng)新歷經(jīng)了三個階段，本文通過對隧道掘進水壓爆破技術發(fā)展歷程中炮眼裝藥結構的優(yōu)化創(chuàng)新及相關成果展開綜合分析，得出以下結論及建議：

（1）第一個階段的水壓爆破技術利用水的不可壓縮性，借助“水楔”效應，較常規(guī)爆破大幅提升了爆破質(zhì)量，同時爆破產(chǎn)生的“水霧”有效降低了粉塵濃度，改善施工環(huán)境，達到了綠色建造，節(jié)能環(huán)保的效果。

（2）第二個階段的聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結構在水壓爆破的基礎上，有效利用高溫高壓高速射流以及增強膨脹氣體靜力的聚能作用，降低了爆破對于圍巖的擾動，大幅減少光爆炮眼數(shù)量，降低施工成本的同時，保證了爆破質(zhì)量。

（3）第三個階段的光爆新型裝藥結構創(chuàng)造性地取消了導爆索及回填堵塞采用的炮泥，充分利用水壓爆破技術特性，有效提升“三提高一保護”作用效果。

（4）為了進一步提高水壓爆破技術的應用效果，隧道掘進水壓爆破發(fā)展創(chuàng)新仍需在炮眼裝藥結構的參數(shù)設計、結構構造組成等方面結合理論分析開展更深層次的研究，實現(xiàn)爆破效果更高階段的發(fā)展創(chuàng)新。為此，下一步可研究的方向：炮眼用水袋炮泥回填堵塞與炮眼只用水袋回填堵塞雖爆破效果無差別，理論支撐如何；為往炮眼裝填水袋快捷，水袋口徑和長度應不應改變等等。