山嶺隧道爆破施工技術(shù)的發(fā)展與展望

方俊波， 劉洪震， 翟進(jìn)營(yíng)

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

目前，我國(guó)是世界上修建隧道數(shù)量及里程最多的國(guó)家。如此眾多的隧道工程絕大多數(shù)采用鉆爆法施工。隧道鉆爆法施工是利用鉆孔機(jī)具進(jìn)行圍巖鉆孔，然后在孔中裝填炸藥及起爆器材，堵塞后起爆，依靠炸藥爆轟氣體壓力及沖擊波破碎圍巖，達(dá)到隧道掘進(jìn)的目的。與盾構(gòu)法施工相比，鉆爆法具有對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、施工成本較低、前期投入少等特點(diǎn)，是目前和將來(lái)一段時(shí)期內(nèi)隧道掘進(jìn)的主要手段[1]。

山嶺隧道爆破施工技術(shù)主要包括爆破器材、鉆孔裝藥機(jī)具的應(yīng)用及爆破技術(shù)等方面。國(guó)內(nèi)學(xué)者于2005年前后針對(duì)隧道爆破技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行過(guò)相關(guān)論述。自20世紀(jì)90年代，歷經(jīng)30年時(shí)間，我國(guó)才發(fā)展至目前的隧道爆破技術(shù)水平，即鑿巖臺(tái)車鉆孔或多功能臺(tái)架配合人工手持風(fēng)鉆鉆孔，導(dǎo)爆管雷管非電起爆系統(tǒng)起爆，楔形掏槽技術(shù)、光面爆破技術(shù)應(yīng)用等。目前，我國(guó)隧道爆破施工技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了第3代(臺(tái)車鉆孔、非電毫秒雷管起爆、4 m以上深孔掏槽技術(shù)及光面爆破技術(shù))，達(dá)到國(guó)際上同等施工技術(shù)水平。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者分別在鑿巖臺(tái)車應(yīng)用、機(jī)械化裝藥及隧道爆破技術(shù)等方面進(jìn)行了較多研究。文獻(xiàn)[2-8]針對(duì)隧道施工機(jī)械化重點(diǎn)配套，對(duì)鑿巖臺(tái)車的應(yīng)用、隧道爆破施工技術(shù)等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，介紹了液壓鑿巖臺(tái)車頂盤(pán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、加強(qiáng)施鉆精度控制等辦法，能達(dá)到較好的光爆效果。

通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)分析可知，我國(guó)隧道爆破技術(shù)近幾年的進(jìn)步，首先得益于鉆孔機(jī)械的發(fā)展，即采用大型鑿巖臺(tái)車安全快速鉆孔，取代了人數(shù)眾多的人工手持風(fēng)鉆施工；其次是工業(yè)電子雷管逐漸推廣應(yīng)用，使得隧道爆破施工的安全性及勞動(dòng)強(qiáng)度均有較大改善。盡管采用鑿巖臺(tái)車等新技術(shù)裝備已是大勢(shì)所趨，但由于受鑿巖臺(tái)車本身結(jié)構(gòu)的影響及遠(yuǎn)距離操作的要求，在鉆孔過(guò)程中周邊孔較大的外插角無(wú)法避免[9-10]，爆破產(chǎn)生的超挖依然較人工手持風(fēng)鉆大。特別是目前實(shí)施的隧道施工規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，仍是按人工手持風(fēng)鉆施工考慮超挖及回填混凝土的費(fèi)用，使得部分施工單位對(duì)采用鑿巖臺(tái)車施工的積極性不高。最后，有一個(gè)尚未開(kāi)展的工作是隧道裝藥機(jī)械化，國(guó)外隧道爆破施工中成功應(yīng)用了混裝炸藥車，而我國(guó)由于炸藥生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)存在管理部門(mén)多、具有地域性等原因，已成為制約山嶺隧道爆破技術(shù)發(fā)展的瓶頸。總之，我國(guó)隧道爆破技術(shù)日臻成熟與完善，在光面爆破技術(shù)、楔形掏槽技術(shù)等方面已處于領(lǐng)先水平；隧道爆破器材應(yīng)用與世界處于同步水平；但隧道爆破施工機(jī)械配置與其他國(guó)家相比差距較大，在推廣鉆孔機(jī)械化、智能化、裝藥自動(dòng)化、減人增效等方面仍需要做大量的工作。

1 隧道爆破技術(shù)的現(xiàn)狀

隧道爆破施工技術(shù)水平與爆破器材、鉆孔裝藥機(jī)具及爆破技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)。

1.1 隧道爆破器材

在目前的隧道鉆爆法施工中，成品乳化炸藥扮演了重要角色。成品乳化炸藥防水性能良好、爆力高、安全性好，爆破后產(chǎn)生的有毒有害氣體少。但使用成品乳化炸藥存在以下不足之處： 1)使用成本相對(duì)較高，目前非直供炸藥購(gòu)買(mǎi)價(jià)格在1.0萬(wàn)元/t以上，是生產(chǎn)成本的2倍以上； 2)運(yùn)輸、儲(chǔ)存的安全管理風(fēng)險(xiǎn)大，目前國(guó)內(nèi)較大的炸藥爆炸事故大多數(shù)發(fā)生在運(yùn)輸或儲(chǔ)存階段； 3)常常需要大容量的存儲(chǔ)庫(kù)房，而辦理5 t及以上儲(chǔ)存庫(kù)，需要省級(jí)公安部門(mén)審批、驗(yàn)收，建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)要求更高，辦理程序復(fù)雜且周期長(zhǎng)； 4)需要提前將成品乳化炸藥運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，增加了工作面安全風(fēng)險(xiǎn)； 5)裝藥時(shí)需要多人同時(shí)裝藥，增加了隧道作業(yè)人員數(shù)量，加劇了“群死群傷”的可能。盡管存在以上不足，但我國(guó)隧道爆破仍將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間使用成品乳化炸藥，這與我國(guó)炸藥生產(chǎn)與使用等管理機(jī)制固化有關(guān)。炸藥屬于重大危險(xiǎn)品，其生產(chǎn)許可由國(guó)家工信部管理，而使用許可則由當(dāng)?shù)毓矙C(jī)關(guān)管理，施工單位不能自主生產(chǎn)炸藥，必須依靠生產(chǎn)廠家供應(yīng)，流通環(huán)節(jié)多且復(fù)雜，增加了使用成本。

目前廣泛使用的非電毫秒導(dǎo)爆管雷管具有起爆安全可靠、抗雜散電流及靜電等功能，但其主要不足是不具備網(wǎng)路導(dǎo)通檢測(cè)功能，以及段別固定且數(shù)量少、延時(shí)誤差較大易出現(xiàn)跳段等現(xiàn)象。

1.2 隧道鉆孔機(jī)具

隧道爆破鉆孔機(jī)具主要有人工手持風(fēng)鉆和鑿巖臺(tái)車2種。目前國(guó)內(nèi)隧道施工以風(fēng)動(dòng)鑿巖設(shè)備為主導(dǎo)，人工手持風(fēng)鉆配合作業(yè)臺(tái)架(見(jiàn)圖1)在我國(guó)隧道施工中的作用發(fā)揮到了極致，其工作效率甚至超過(guò)了鑿巖臺(tái)車，但其施工人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差等特點(diǎn)注定其是一種落后的鉆爆施工方式。隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，在年輕一代中，從事艱苦的人工鉆爆開(kāi)挖工作的人愈來(lái)愈少，致使人數(shù)眾多的人工手持風(fēng)鉆作業(yè)成本逐年上升，一旦其綜合施工成本上升至一定程度，與國(guó)外一樣，風(fēng)鉆退出歷史舞臺(tái)將是必然。

圖1 人工手持風(fēng)鉆配合作業(yè)臺(tái)架

1.3 炮孔堵塞機(jī)具

在山嶺隧道鉆爆法開(kāi)挖過(guò)程中一直存在著一個(gè)誤區(qū)，大部分施工人員認(rèn)為“炮孔堵塞炮泥費(fèi)工且麻煩，不堵塞亦能得到較好的爆破效果”。在此思想指導(dǎo)下，我國(guó)許多隧道爆破時(shí)基本不進(jìn)行堵塞，致使炸藥爆炸能量利用率大大降低，施工成本增大，特別是光面爆破效果差。為了改進(jìn)此狀況，鐵路、煤炭等系統(tǒng)在2000年后發(fā)明并制造了炮泥機(jī)(見(jiàn)圖2)，專門(mén)生產(chǎn)炮孔堵塞用泡泥[11-12]。近十年來(lái)，為了加強(qiáng)炮孔堵塞及降低爆破粉塵，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員又采用在定制的長(zhǎng)條型塑料袋中裝入不可壓縮的水介質(zhì)，并研制了水袋灌裝設(shè)備(見(jiàn)圖3)[13-14]。

1.4 隧道爆破技術(shù)

1.4.1 掏槽技術(shù)

2000年前，我國(guó)隧道鉆爆開(kāi)挖主要使用直孔掏槽。2000年后，隨著隧道鉆爆技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成了適用于中國(guó)國(guó)情的楔形掏槽技術(shù)(見(jiàn)圖4)。優(yōu)點(diǎn)： 楔形掏槽適用于各類巖層[15]，掏槽效果好，槽腔體積大、槽孔的位置和傾角的精度對(duì)掏槽效果影響不大，炮孔數(shù)量少，炸藥單耗低[16]。缺點(diǎn)： 掏槽深度易受斷面寬度限制、爆堆分散，巖石拋擲距離較遠(yuǎn)。目前，我國(guó)絕大多數(shù)鉆爆法隧道采用省孔少藥的大間距楔形掏槽技術(shù)進(jìn)行鉆爆施工。一般人工手持風(fēng)鉆施工時(shí)掏槽深度可達(dá)到3.0～4.0 m，鑿巖臺(tái)車施工時(shí)掏槽深度可達(dá)到4.0～5.0 m。

圖2 炮泥機(jī)

圖3 水袋炮泥灌裝機(jī)

1.4.2 光面爆破技術(shù)

光面爆破技術(shù)是通過(guò)采用導(dǎo)爆索、竹片等間隔裝藥方式(見(jiàn)圖5)，并控制周邊孔間距、抵抗線及裝藥量，達(dá)到減少炸藥過(guò)度損傷圍巖、提高爆破成型效果、減少超欠挖的目的。至20世紀(jì)90年代，山嶺隧道光面爆破技術(shù)已趨于成熟，并成為了項(xiàng)目施工管理中的強(qiáng)制性實(shí)施項(xiàng)目。光面爆破技術(shù)使得隧道開(kāi)挖斷面成型好，超挖量也有所減少(見(jiàn)圖6)。

(a) 正洞全斷面爆破炮孔布置

(b) 正洞全斷面爆破掏槽孔布置

圖5 周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 隧道光面爆破效果

1.4.3 隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)

爆破地震效應(yīng)被認(rèn)為是爆破“公害”之首。隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物、橋隧、公路等設(shè)施可能造成破壞，是隧道爆破工程設(shè)計(jì)與施工必須考慮的內(nèi)容。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)積累，爆破技術(shù)人員根據(jù)爆破振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算最大允許單段藥量以控制可能產(chǎn)生的最大爆破振動(dòng)速度，同時(shí)優(yōu)化循環(huán)進(jìn)尺及分區(qū)爆破以控制一次起爆規(guī)模，選擇合理的延期時(shí)間，調(diào)整炮孔間距及抵抗線，采用高精度電子雷管實(shí)現(xiàn)單孔單響、在傳播路徑上鉆設(shè)隔振孔等措施來(lái)降低隧道爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)影響。

1.4.4 隧道開(kāi)挖工法現(xiàn)狀

目前，一般的山嶺隧道主要有2種開(kāi)挖方法，即全斷面法與分部開(kāi)挖法(上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法、CD法、CRD法等)。全斷面法適用于Ⅰ—Ⅲ級(jí)圍巖，分部開(kāi)挖法適用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖。特別是軟弱圍巖(含破碎硬質(zhì)巖)或超大斷面隧道施工的設(shè)計(jì)主導(dǎo)思想是進(jìn)行分部開(kāi)挖，即把隧道開(kāi)挖大斷面分割為小斷面，以確保開(kāi)挖面自穩(wěn)。這種方法看似簡(jiǎn)單可行，但其缺點(diǎn)十分明顯，分塊愈多，愈不利于隧道結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉成環(huán)、及時(shí)承載，特別是多次爆破對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)量大，更不利于圍巖穩(wěn)定。

2 隧道爆破技術(shù)的發(fā)展

2.1 隧道爆破器材

2.1.1 炸藥

在國(guó)外，混裝炸藥早已用于隧道施工中，其擯棄了成品乳化炸藥的諸多缺點(diǎn)。即在爆破現(xiàn)場(chǎng)利用混裝車直接將各種原材料或半成品進(jìn)行輸送、混制、裝填于炮孔中，進(jìn)而進(jìn)行爆破作業(yè)。混裝炸藥使用相對(duì)安全，裝藥時(shí)依靠機(jī)械，需要人工數(shù)量少。國(guó)內(nèi)隧道鉆爆法施工則由于使用機(jī)制等原因仍未能大規(guī)模應(yīng)用混裝炸藥，只是在礦山等大直徑中深孔露天爆破中有所應(yīng)用。

目前，隧道機(jī)械化施工成為趨勢(shì)，但唯有裝藥工序仍采用手工裝藥，未能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。為了有效減少現(xiàn)場(chǎng)裝藥人員數(shù)量，國(guó)內(nèi)有的項(xiàng)目在隧道爆破施工中采用成品散狀乳化炸藥代替混裝炸藥進(jìn)行機(jī)械化裝藥試驗(yàn)并取得成功。

隧道用散裝乳化炸藥自動(dòng)裝藥系統(tǒng)如圖7所示，其由散裝乳化炸藥和潤(rùn)滑劑輸送泵、靜態(tài)混合器、送管器等組成。裝藥前根據(jù)鉆爆參數(shù)，在控制板上設(shè)置各孔裝藥量和耦合度。利用臺(tái)車吊籃裝藥，輸藥管自動(dòng)送管、拔管(遙控器顯示裝藥量、送管深度、泵送壓力等)，但仍需要人工裝填起爆彈、對(duì)孔等。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)： 1)減少作業(yè)人員，實(shí)現(xiàn)了減人增效、以機(jī)代人； 2)自動(dòng)化裝藥，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化爆破，有利于改善爆破效果。缺點(diǎn)： 光爆孔無(wú)法實(shí)現(xiàn)間隔裝藥，以及因管中殘留、全偶合裝藥等原因，炸藥消耗增加10%～25%。另外，由于散裝炸藥是成品乳化炸藥，盡管對(duì)其起爆敏感度進(jìn)行了減敏，但裝藥器對(duì)成品炸藥產(chǎn)生的擠壓是否存在安全隱患仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖7 隧道用散裝乳化炸藥自動(dòng)裝藥系統(tǒng)

2.1.2 雷管

與非電毫秒雷管相比，工業(yè)電子雷管在隧道爆破施工中占比愈來(lái)愈大。工業(yè)電子雷管起爆系統(tǒng)(見(jiàn)圖8)是一個(gè)完全實(shí)現(xiàn)在線編程、在線檢測(cè)的工程爆破系統(tǒng)，主要由工業(yè)電子雷管、連接線及起爆控制器組成。采用專用起爆器、密碼授權(quán)起爆，具有抗靜電、抗雜散電流、抗射頻等特點(diǎn)，使用安全，具備起爆前網(wǎng)路檢測(cè)功能，使用可靠；同時(shí)，還能在起爆前進(jìn)行延時(shí)在線設(shè)置、在線校準(zhǔn)，延時(shí)控制精確，實(shí)現(xiàn)逐孔起爆技術(shù)，最大程度減輕爆破振動(dòng)。但工業(yè)電子雷管單價(jià)較高，目前其單價(jià)至少是導(dǎo)爆管雷管的3倍，而隧道施工定額是按照導(dǎo)爆管編制的，采用工業(yè)電子雷管對(duì)隧道施工成本影響較大。

圖8 工業(yè)電子雷管系統(tǒng)

2018年，中鐵隧道局承建的珠海板樟山新增隧道施工中，使用了河南前進(jìn)化工廠生產(chǎn)的工業(yè)電子雷管。施工初期，電子雷管盲炮率高達(dá)6%。廠家對(duì)未起爆的電子雷管進(jìn)行了拆解分析，發(fā)現(xiàn)均是藥頭部分發(fā)生了破壞。隨后，廠家對(duì)電子雷管藥頭及芯片進(jìn)行加固保護(hù)，并對(duì)塑料卡扣進(jìn)行了防水處理。優(yōu)化后，每循環(huán)盲炮率基本控制在1%以內(nèi)，甚至多個(gè)循環(huán)未發(fā)生盲炮情況，證明了工業(yè)電子雷管在隧道爆破開(kāi)挖中的應(yīng)用是成功的。

2.2 隧道鉆孔機(jī)具

隧道施工使用鑿巖臺(tái)車“以機(jī)減人、以機(jī)代人”的趨勢(shì)不可扭轉(zhuǎn)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)裝備制造技術(shù)的發(fā)展，鑿巖臺(tái)車(見(jiàn)圖9)國(guó)產(chǎn)化程度愈來(lái)愈高，購(gòu)置成本逐年下降，同時(shí)進(jìn)口鑿巖臺(tái)車設(shè)備也開(kāi)始降價(jià)，綜合考慮施工方法、工期、隧道規(guī)模、斷面尺寸、環(huán)保及企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)等因素，愈來(lái)愈多的施工單位開(kāi)始組建專業(yè)化鑿巖臺(tái)車公司，購(gòu)置鑿巖臺(tái)車進(jìn)行隧道鉆爆掘進(jìn)[7-8]。鑿巖臺(tái)車能在距掌子面8～10 m操作鉆孔，且只需要2～3人操作，安全性好，鉆孔速度快，能一機(jī)多用(可施工超前探測(cè)孔及錨桿孔等)。針對(duì)鑿巖臺(tái)車因結(jié)構(gòu)等原因造成的較大超挖，亦能通過(guò)技術(shù)改進(jìn)[17]、采用長(zhǎng)短孔形式[4]及加強(qiáng)施工管理[7]等辦法，達(dá)到在一定程度上減少隧道超欠挖的目的。

圖9 三臂全電腦鑿巖臺(tái)車

總之，隧道鉆爆法施工中應(yīng)用鑿巖臺(tái)車已成為隧道工程機(jī)械化發(fā)展水平的重要標(biāo)志。特別是全電腦鑿巖臺(tái)車，理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作，自動(dòng)按圖施工，能通過(guò)導(dǎo)入車載主控電腦的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，臺(tái)車按照預(yù)設(shè)鉆孔參數(shù)工作，可確保開(kāi)孔準(zhǔn)確、炮孔間平行、炮孔與隧道軸線平行、炮孔底部位于同一鉛垂面內(nèi)，即準(zhǔn)、平、直、齊等；能實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)量、角度、深度等參數(shù)自動(dòng)收集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔壓力、鉆孔速度、鉆桿旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，據(jù)此自動(dòng)預(yù)判前方地質(zhì)情況，優(yōu)化施工方案；能利用臺(tái)車上搭載的3D掃描儀進(jìn)行隧道開(kāi)挖面輪廓掃描，形成隧道輪廓點(diǎn)云圖、三維結(jié)構(gòu)模型和超欠挖數(shù)據(jù)等。通過(guò)電腦還能輸出多種數(shù)據(jù)和報(bào)表，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)鉆爆過(guò)程智能化管理和隨時(shí)監(jiān)控。

2.3 爆破施工技術(shù)

2.3.1 爆破開(kāi)挖工法

隨著安全性施工需要，隧道開(kāi)挖工法逐漸擯棄了多分部工法，逐步推廣微臺(tái)階法(含仰拱)(見(jiàn)圖10)、全斷面(含仰拱)(見(jiàn)圖11)開(kāi)挖法。在采取超前注漿加固等輔助施工措施后，Ⅳ級(jí)圍巖地層也可采用全斷面法施工。這樣有利于采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，施工速度快且工序少，便于施工組織和管理。

仿仰拱開(kāi)挖工法要求仰拱與拱墻初期支護(hù)一并施作，能夠盡早封閉成環(huán)，確保后續(xù)工序施工安全。采用微臺(tái)階法施工時(shí)，鑿巖臺(tái)車大臂可以進(jìn)入上臺(tái)階施鉆，從而上下臺(tái)階可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車快速施工。

圖10 微臺(tái)階(含仰拱)開(kāi)挖法施工工序示意圖

圖11 全斷面(含仰拱)開(kāi)挖法施工工序示意圖

2.3.2 聚能水壓光面爆破技術(shù)

為解決常規(guī)光面爆破的種種不足(間距小、炮孔多)，國(guó)內(nèi)爆破技術(shù)人員研發(fā)并應(yīng)用了“隧道掘進(jìn)聚能水壓光面爆破技術(shù)”[18-19]。該技術(shù)是在周邊孔中采用聚能管裝置(見(jiàn)圖12)替代常規(guī)藥卷和導(dǎo)爆索，并使用注藥槍(見(jiàn)圖13)將成品乳化炸藥或散裝炸藥注入聚能管中，裝入導(dǎo)爆索，扣好塑料蓋，再在炮孔中最底部和上部裝入水袋, 孔口用炮泥堵塞。爆破時(shí)通過(guò)聚能管聚能槽產(chǎn)生的高溫高壓射流、“水楔”作用以及增加了爆轟氣體爆轟壓力和做功時(shí)間，尤其是高溫高壓射流形成的切割效應(yīng)，使得巖石破碎面沿預(yù)定方向破裂，爆破巖面平順整齊，同時(shí)水袋產(chǎn)生的水霧亦起到了降塵效果，改善了作業(yè)環(huán)境。

圖12 聚能管

圖13 注藥槍

3 隧道爆破技術(shù)展望

3.1 隧道施工機(jī)械化方面

機(jī)械化、智能化是隧道施工的發(fā)展方向。單體設(shè)備通過(guò)加裝無(wú)人駕駛操作系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備行走；通過(guò)三維激光掃描或雷達(dá)技術(shù)，確定與其他物體的相對(duì)位置；通過(guò)部署的5G網(wǎng)絡(luò)，確定空間位置；通過(guò)設(shè)備智能操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工操作。

3.1.1 鉆孔設(shè)備

目前，采用計(jì)算機(jī)控制的全電腦鑿巖臺(tái)車能實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作及定位，鉆臂按設(shè)計(jì)自動(dòng)鉆孔。通過(guò)三維激光掃描+5G技術(shù)，全電腦鑿巖臺(tái)車無(wú)人駕駛及操作在隧道內(nèi)是可以實(shí)現(xiàn)的，全電腦鑿巖臺(tái)車智能化操作成為可能。全電腦鑿巖臺(tái)車需要在智能判識(shí)與自主決策、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面持續(xù)發(fā)展。以鉆進(jìn)參數(shù)為輸入層，通過(guò)智能學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練和系統(tǒng)模型參數(shù)辨識(shí)，結(jié)合地質(zhì)圖像樣本庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，形成圍巖智能判識(shí)與分級(jí)，并不斷自主學(xué)習(xí)與完善。結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道建造過(guò)程由人工經(jīng)驗(yàn)決策向計(jì)算機(jī)自主決策和大數(shù)據(jù)交互處理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工轉(zhuǎn)變。

3.1.2 裝藥設(shè)備

相對(duì)鉆孔、裝渣等其他鉆爆法施工工序，目前唯有裝藥環(huán)節(jié)仍是手工作業(yè)，機(jī)械化程度極低，幾乎無(wú)技術(shù)進(jìn)步。無(wú)論是人工手持風(fēng)鉆還是臺(tái)車鉆孔，在掌子面往往仍會(huì)安排8人以上的作業(yè)人員進(jìn)行裝藥，需歷時(shí)1～3 h，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，且安全性差。特別是由于裝藥工序耗時(shí)多，使得整個(gè)鉆爆循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，施工進(jìn)度不能大幅提高。故針對(duì)整個(gè)鉆爆作業(yè)而言，目前廣泛采用的裝藥工序“木桶”短板現(xiàn)象非常明顯。上述采用的散裝乳化炸藥裝藥器僅是臨時(shí)措施。發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)混裝車及研發(fā)相配套的智能化裝藥機(jī)器人勢(shì)在必行。

通過(guò)混裝炸藥使用體制的創(chuàng)新，解決目前制約瓶頸，混裝炸藥的使用應(yīng)該是解決隧道鉆爆裝藥機(jī)械化的關(guān)鍵。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥系統(tǒng)是移動(dòng)式微型高效炸藥加工廠，未來(lái)可應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)提升控制精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全閉環(huán)反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)。將爆破設(shè)計(jì)導(dǎo)入后，由三維激光掃描+5G技術(shù)自動(dòng)識(shí)別炮孔，通過(guò)車載檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)炮孔，并對(duì)裝藥量進(jìn)行修正；再通過(guò)機(jī)械手將輸藥管送入炮孔，調(diào)用爆破設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中存貯的炸藥類型及數(shù)量，完成裝藥后自動(dòng)切換至堵塞程序進(jìn)行堵塞；裝藥完成后，記錄該次裝藥情況，并發(fā)送到控制中心。

研制及使用機(jī)械手、機(jī)器人和遙控技術(shù)進(jìn)行裝藥，還可滿足高空、高溫、低溫、地下、水下和有毒氣體環(huán)境下隧道爆破施工作業(yè)要求。

3.2 隧道爆破技術(shù)

隧道爆破技術(shù)如果不進(jìn)行大的創(chuàng)新，提高隧道施工速度將會(huì)是一句空話。目前采用的楔形掏槽技術(shù)受控于隧道斷面寬度，一次爆破進(jìn)尺有限；另外，由于鉆爆法多工序作業(yè)，工序之間的快速無(wú)縫銜接需要較高的隧道施工管理水平。隧道鉆爆施工中施工準(zhǔn)備、臺(tái)車就位及撤離等工序占用了大量循環(huán)時(shí)間，工序轉(zhuǎn)換耗時(shí)是鉆爆法施工速度難以快速提高的主要原因。

圖14為直孔掏槽超深鉆孔分節(jié)段裝藥起爆示意圖。直孔掏槽不受控于斷面寬度，可加大循環(huán)進(jìn)尺；一次性超長(zhǎng)超深鉆孔、一次性多節(jié)段裝藥、多節(jié)段分次爆破的方式減少了工序轉(zhuǎn)換等，可提高綜合掘進(jìn)速度。目前的鑿巖臺(tái)車鉆孔設(shè)備已能一次性鉆進(jìn)15 m超長(zhǎng)炮孔，采用直孔掏槽方式，考慮到一次爆破掏槽深度(4～5 m)，可分3節(jié)段利用無(wú)線遙控雷管進(jìn)行起爆。每節(jié)段爆破完畢后出渣，后即起爆第2節(jié)段，依次完成第3節(jié)段爆破。

3.3 隧道爆破器材

3.3.1 炸藥

隧道爆破中使用混裝炸藥能夠進(jìn)行全耦合裝藥，有利于提高爆破效率。但周邊孔則要弱裝藥、不耦合裝藥，以保護(hù)圍巖，應(yīng)通過(guò)炸藥組分控制威力或爆力大小，達(dá)到光爆效果；在混裝炸藥中盡快采用化學(xué)示蹤溯源技術(shù)，加強(qiáng)炸藥流向跟蹤管控，解決公安機(jī)關(guān)擔(dān)憂的問(wèn)題；針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)炮孔堵塞需要人工完成的問(wèn)題，應(yīng)在混裝設(shè)備中增加發(fā)泡惰性膨脹材料存儲(chǔ)功能，混裝炸藥輸送完畢后自動(dòng)切換至堵塞程序進(jìn)行炮孔封堵。

圖14 直孔掏槽超深鉆孔分節(jié)段裝藥起爆示意圖

3.3.2 無(wú)線遙控電子雷管

隨著遙控電子技術(shù)的發(fā)展，研制隧道爆破用無(wú)線遙控電子雷管亦成為可能，從而進(jìn)一步降低工人在工作面上的人數(shù)及工作時(shí)長(zhǎng)。高爆力的無(wú)線遙控電子雷管隨混裝炸藥一起輸送至炮孔中，堵孔完成后，機(jī)器即可撤離工作面，遠(yuǎn)距離遙控爆破。另外，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控起爆技術(shù)，還能減少網(wǎng)路連接時(shí)間及成本，有效增加起爆安全距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安全控制。

4 幾點(diǎn)思考

雖然經(jīng)過(guò)各時(shí)期技術(shù)人員的努力，隧道爆破技術(shù)取得了很大的發(fā)展和進(jìn)步，但不可否認(rèn)的是，當(dāng)前隧道爆破施工技術(shù)仍存在諸多問(wèn)題，有待解決及提高。

1)鑿巖臺(tái)車應(yīng)用仍不普及，應(yīng)首先自應(yīng)用環(huán)境上進(jìn)行改進(jìn)。

鑿巖臺(tái)車國(guó)產(chǎn)化技術(shù)逐漸成熟，購(gòu)置成本下降，再加上人工手持風(fēng)鉆鉆孔成本上升及安全性需要，使用鑿巖臺(tái)車鉆爆施工是大勢(shì)所趨。但目前隧道爆破施工采用人工手持風(fēng)鉆作業(yè)的比例仍然較大。其原因可能有以下幾點(diǎn)：

①臺(tái)車超挖仍然較大，根據(jù)理論分析及實(shí)際統(tǒng)計(jì)[7]，臺(tái)車平均線性超挖量一般在18～22 cm，若控制不好，其超挖量會(huì)更大，大于人工手持風(fēng)鉆開(kāi)挖超挖量5 cm以上。這部分超挖量的噴混凝土回填需要施工企業(yè)承擔(dān)。

②臺(tái)車施工每班實(shí)際人數(shù)在8人以上(包括3個(gè)操作手、2個(gè)維修工、5個(gè)裝藥工)，與人工手持風(fēng)鉆手只需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可上崗不同，臺(tái)車作業(yè)人員均需要進(jìn)行專門(mén)培訓(xùn)并具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能勝任；但目前此類培訓(xùn)甚少，只有在臺(tái)車大規(guī)模應(yīng)用后及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)作用下才能完成。

③隧道施工中地質(zhì)變化頻繁，而設(shè)計(jì)人員根據(jù)地勘資料進(jìn)行開(kāi)挖工法設(shè)計(jì)，如軟弱圍巖采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，而臺(tái)車由于臂長(zhǎng)等原因不能采用三臺(tái)階法施工，需要設(shè)計(jì)變更為加固后采用微臺(tái)階或全斷面施工，變更手續(xù)復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，甚至不能變更，額外產(chǎn)生的費(fèi)用只能由施工企業(yè)墊付或承擔(dān)。

④易損耗件價(jià)格仍然較貴，臺(tái)車為一次性投入，但易損耗件如鉆桿等卻需要隨時(shí)不斷投入。目前國(guó)產(chǎn)鉆桿質(zhì)量與壽命仍不及進(jìn)口件，迫切需要提升臺(tái)車國(guó)產(chǎn)零配件質(zhì)量，減少進(jìn)口。

2)隧道爆破施工裝藥工序未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，使用散裝或混裝炸藥也許是出路之一。

當(dāng)前，隧道爆破作業(yè)中，不管是人工手持風(fēng)鉆還是采用臺(tái)車鉆孔進(jìn)行鉆爆作業(yè)，掌子面仍以大量的爆破作業(yè)人員進(jìn)行裝藥作業(yè)為主。如鑿巖臺(tái)車施工時(shí)，鉆孔完畢后即需要約5人在吊籃甚至在鉆臂上進(jìn)行裝藥，鉆孔速度快(2 h左右)，但裝藥時(shí)間長(zhǎng)(2 h左右)；而人工手持風(fēng)鉆施工時(shí)，鉆孔速度慢(3 h左右)，但裝藥人數(shù)眾多，裝藥速度快(1 h)，總的鉆爆循環(huán)時(shí)間相差不大，這亦是現(xiàn)實(shí)中使用鑿巖臺(tái)車施工與人工鉆爆施工速度相差無(wú)幾的主要原因。

目前的隧道安全性施工要求嚴(yán)控工作面作業(yè)人數(shù)，若裝藥工序未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，這將會(huì)成為一句空話。裝藥機(jī)械化的前提是炸藥的流動(dòng)性要好，散裝或混裝炸藥也許是其必然選擇。有的項(xiàng)目目前已利用裝藥器進(jìn)行散裝乳化炸藥機(jī)械化裝藥試驗(yàn)，取得了一定的成功，但距離大規(guī)模應(yīng)用仍有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。如使用散裝炸藥時(shí)單耗較成品炸藥大，特別是散裝炸藥亦是成品炸藥，使用機(jī)械向炮孔中擠壓灌裝安全性如何仍無(wú)權(quán)威結(jié)論；混裝炸藥由于擠壓的是原材料，在炮孔中自動(dòng)合成炸藥，其安全性已被證明。但我國(guó)由于生產(chǎn)與使用許可的限制及社會(huì)防恐防爆等安全性需要，在隧道施工中使用混裝炸藥仍需待以時(shí)日。可喜的是，目前已有隧道施工企業(yè)嘗試克服某些制度性障礙，在隧道施工中使用混裝炸藥。

3)非電毫秒導(dǎo)爆管雷管與工業(yè)電子雷管之爭(zhēng)。

毫無(wú)疑問(wèn)，與非電導(dǎo)爆管雷管相比，工業(yè)電子雷管安全性更好，更容易被管控，通過(guò)近幾年的應(yīng)用試驗(yàn)，工業(yè)電子雷管已被證明能較好地適應(yīng)隧道爆破施工，但其主要不足是價(jià)格“昂貴”。根據(jù)國(guó)家工信部與公安部有關(guān)要求，我國(guó)將于2022年6月底前停止生產(chǎn)、8月底前停止銷售普通工業(yè)雷管，全面推廣應(yīng)用工業(yè)電子雷管。目前電子雷管的價(jià)格少則15元/發(fā)，多則35元/發(fā)，甚至更貴，而非電導(dǎo)爆管雷管則是5元/發(fā)左右，前者價(jià)格至少是后者的3倍。工業(yè)電子雷管按較便宜的單價(jià)計(jì)算，隧道施工時(shí)1 m3開(kāi)挖成本平均增加20多元。如果國(guó)家計(jì)價(jià)體系不變，使用工業(yè)電子雷管額外增加的巨額費(fèi)用由施工單位承擔(dān)，將會(huì)不利于隧道施工技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

國(guó)外爆破器材無(wú)使用機(jī)制障礙，仍較大規(guī)模使用非電亳秒管雷管，并沒(méi)有強(qiáng)制性使用工業(yè)電子雷管。我國(guó)公安部推行電子雷管無(wú)非是由于其更加安全可控，但目前的現(xiàn)狀是非電導(dǎo)爆管雷管亦是安全的。特別是現(xiàn)在及過(guò)去10年，中國(guó)使用非電亳秒導(dǎo)爆管雷管亦沒(méi)有出現(xiàn)工業(yè)炸藥爆炸造成群死群傷的恐怖事件。根據(jù)2021年民爆行業(yè)運(yùn)行報(bào)告，2021年1—8月我國(guó)工業(yè)雷管產(chǎn)、銷量分別為5.55億發(fā)和5.56億發(fā)，同比減少3.1%和5.1%，電子雷管累計(jì)產(chǎn)量?jī)H9 440萬(wàn)發(fā)，但同比增加了52.5%。

4)聚能管水壓光面爆破實(shí)際應(yīng)用情況并不樂(lè)觀。

理論上，聚能管能在較大炮孔間距條件下取得較好的光爆效果，但實(shí)際上相鄰周邊炮孔間距達(dá)到1.0 m時(shí)，如果隧道拱部為5 m半圓，則兩孔之間連線與隧道輪廓線的最大距離會(huì)超出3 cm以上，隧道輪廓半徑愈小，則此距離會(huì)愈大，欠挖會(huì)愈大，并且會(huì)造成隧道輪廓開(kāi)挖線不平順，感觀度差，這亦是施工單位寧愿縮小并加密周邊孔間距的原因之一。另外，聚能管中再裝入的是成品或散裝乳化炸藥，其人為機(jī)械擠壓亦存在安全風(fēng)險(xiǎn)。并且，人工持?jǐn)D藥槍擠“牙膏式”操作將炸藥擠入聚能管，亦存在著藥條不連續(xù)、不均一的可能，仍需要導(dǎo)爆索傳爆。對(duì)施工單位而言，采用聚能管光面爆破技術(shù)的施工成本是增加的。

總之，我國(guó)山嶺隧道爆破技術(shù)目前正處于發(fā)展的關(guān)鍵期，隧道施工技術(shù)人員應(yīng)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新及體制創(chuàng)新，為山嶺隧道機(jī)械化、智能化施工創(chuàng)造有利條件，達(dá)到領(lǐng)軍世界山嶺隧道鉆爆法施工技術(shù)的水平。