高壓氣體膨脹破巖技術在大雷山隧道車行橫通道開挖應用

摘要 為了獲取高壓氣體膨脹破巖方法在凝灰巖地質條件下的隧道破巖參數和效果。以杭紹臺高速公路臺州段大雷山隧道車行橫通道為研究對象，開展了基于高壓氣體膨脹破巖的現場試驗，并對破巖過程進行了振動監測。試驗結果表明：在凝灰巖地質條件下，高壓氣體膨脹破巖方法在公路隧道施工中可獲得很好的光面破巖效果，破巖過程振動小，實測在15 m處的最大振動速度為2.838 cm/s，該方法可用于解決特殊環境下近接施工鉆爆法受限的破巖難題，可為類似的凝灰巖隧道工程非炸藥爆破施工提供參考。

關鍵詞 隧道工程;高壓氣體;破巖技術;開挖應用

中圖分類號 U231.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0117-03

引言

在隧道施工鄰近重要結構或穿越特殊地質條件的區域時，由于爆破產生的振動可能會對鄰近結構或環境產生影響，因此鉆爆法在隧道近接工程施工中常受到限制。為了解決因鉆爆法受限而產生的施工效率低、成本高等問題，非炸藥爆破開挖技術逐漸應用于隧道開挖中。

各國學者針對硬巖隧道非爆破開挖開展了大量的研究，主要以機械法、靜態膨脹劑法以及氣體破巖為主，這些非爆破開挖法具有振動小、噪聲低、環境污染少等優點[1]。但是，在硬巖中施工時，仍然存在破巖效率低、機械磨損或水電消耗大、成本高等不足，特別是強度超過50 MPa的硬巖開挖，破巖效率極低甚至無法實施[2]。近年來，一種基于高壓氣體膨脹破巖的方法被應用于城市地鐵硬巖聯絡通道的開挖中，實現了巖石抗壓強度在100 MPa以上的聯絡通道開挖[3-4]。該方法作為一種新的破巖技術在公路隧道中還未得到廣泛應用，目前實際應用案例、工程經驗及應用技術參數均較少，雖然取得了一定工程經驗，但還需要進一步探索研究。

因此，該文基于高壓氣體膨脹破巖技術，依托杭紹臺高速公路臺州段大雷山隧道工程，開展了凝灰巖隧道高壓氣體膨脹破巖技術應用研究，通過在車行橫通道的試驗，驗證了高壓氣體膨脹破巖效果，獲得了破巖參數及振動影響，可為該技術在公路硬巖隧道的應用提供參考。

1 高壓氣體破巖技術

1.1 高壓氣體膨脹破巖原理及裝置

高壓氣體膨脹破巖法原理是在封閉的條件下，膨脹管內的氣化劑受到激發而瞬間產生大量氣體，在燃燒釋放的熱量和注入的高壓空氣輔助作用下，高溫高壓氣體如“氣楔”作用于孔壁，促使巖石原生裂縫擴展，從而達到破巖效果。高壓氣體膨脹破巖技術的整套設備主要包括膨脹管、加壓設備、觸發設備和其他組裝工具。

1.1.1 膨脹管

膨脹管是高壓氣體膨脹破巖技術的主要部分，主要由其內部的產氣劑、儲氣體和產氣劑的PVC管、充氣鐵管和電觸發器組成。如圖1所示。

圖1中，產氣劑是膨脹管破巖的有效部分，充氣鐵管用于連接氣泵導氣加壓，電觸發器用于觸發產氣劑。產氣劑和儲氣腔由直徑5 cm，管長40 cm，厚度2 mm的圓柱形PVC管制成，內管裝500 g產氣劑。下文上圖所示結構統稱為膨脹管。其參數：充氣鐵管長度150 cm，膨脹管長度40 cm，儲存管外徑5 cm，產氣劑裝藥量500 g，膨脹管總質量0.8 kg。

1.1.2 加壓設備

加壓設備系統主要由小型高壓氣泵、連接軟管及與充氣鐵管進行連接的接頭組成。

1.1.3 觸發設備

膨脹管內的產氣劑的觸發需要借助便攜的電激發器，通過輸入大電流觸發膨脹管內置的電觸發器，電觸發器觸發產氣劑開始發生反應。

1.2 高壓氣體膨脹破巖作業流程

高壓氣體膨脹破巖法中的膨脹管與炸藥不同，膨脹管內產氣劑反應速度和釋放的能量均遠小于巖石乳化炸藥。膨脹管觸發后產生的沖擊波和應力波能量所占比例較小，不能像炸藥爆破破巖一樣，利用炸藥爆炸產生的巨大沖擊波和應力波直接將巖石震碎拋出以達到開挖目的。

根據前期采用膨脹管進行的破巖試驗經驗，高壓氣體破巖技術較適用于具有臨空面的施工條件，因此采用該方法破巖，首先需要確定臨空面。其作業流程如圖2所示。

由圖2可知，根據圍巖條件進行破巖設計，首先判斷是否存在臨空面，若掌子面具備破巖臨空面，則可在既有臨空面周邊布置破巖孔，進行循環破巖;若不存在臨空面就先進行掏槽破巖創造臨空面和補償空間。然后測量定位，鉆致裂孔，放入膨脹管，并用一種速凝、密度和強度高的堵孔壓漿料將膨脹管密實地固結在炮孔內。破巖孔孔距和最小抵抗線根據巖石強度進行參數調整。

最后，充氣鐵管連接膨脹管和高壓氣泵，往儲氣腔內注入2.5 MPa空氣。充氣完成后，將多個膨脹管用導線串聯。采用電觸發器激活，實施破巖。破巖后，采用機械修整斷面，出渣循環作業。在初次破巖掏槽后，后續工作在掏槽周邊根據圍巖條件布置破巖孔。

2 現場試驗

杭紹臺高速公路臺州段大雷山隧道車行橫通道凈寬6.8 m，凈高7.1 m。圍巖為中風化凝灰巖，節理裂隙較發育。

2.1 試驗方案

該次試驗主要目的是對高壓氣體膨脹破巖技術在硬巖凝灰巖隧道中的破巖效果進行探討，為了增加與鉆爆法光面爆破效果的對比，在同一掌子面內進行氣體膨脹破巖和鉆爆法對比試驗。掏槽孔和一側的周邊炮孔裝填炸藥，按照原爆破施工方案進行爆破;另一側的周邊孔根據膨脹管破巖機理及隧道圍巖特點，設計幾組孔網參數進行高壓氣體光面破巖試驗。

破巖試驗分兩階段進行，先起爆炸藥爆破一部分巖石，為膨脹管爆破創造臨空面，出渣后再進行高壓氣體光面破巖試驗，并與同一掌子面的炸藥光面破巖效果進行對比，以論證高壓氣體光面破巖試驗的可行性。爆破后，則存在一部分預留破巖層用于高壓氣體破巖。

根據圍巖條件，設計3種高壓氣體光面破巖試驗方案，3種方案的布置如下：

方案1：沿掌子面右側輪廓線采用裝有直徑70 mm鉆頭的鑿巖機，垂直于掌子打4個直徑70 mm、孔深1.5 m的水平致裂孔，相鄰致裂孔的間距為0.4 m，抵抗線0.5 m，在每個致裂孔中放置1根膨脹管。

方案2：沿掌子面右側輪廓線采用裝有直徑70 mm鉆頭的鑿巖機，從上至下垂直于掌子打4個直徑70 mm、孔深1.5 m的水平致裂孔，相鄰致裂孔的間距為0.45 m，在每個致裂孔中放置1根膨脹管。

方案3：沿掌子面右側輪廓線采用裝有直徑70 mm鉆頭的鑿巖機，垂直于掌子打4個直徑70 mm、孔深1.5 m的水平致裂孔，相鄰致裂孔孔距為0.5 m，在每個致裂孔中放置1根膨脹管。

2.2 試驗流程

該次試驗由于在破巖前已有較好的臨空面，根據圖2的作業流程，主要從鉆孔、設備安裝、觸發3部分進行。

（1）破巖前，根據布置的炮孔和試驗方案孔網參數要求鉆致裂孔。然后，在每個致裂孔內各裝入一根組裝完成的膨脹管，采用一種速凝、密度和強度高的堵孔壓漿料將膨脹管密實的固結在裂孔內，并用木棒填滿搗實，經過40 min至1 h凝固時間，使堵孔材料硬化固結達到一定強度（一般達到20 MPa以上），確保堵孔材料有足夠的強度以防止膨脹管觸發時漏氣和沖孔。

（2）膨脹管安裝完成后，做好安全防護措施，撤離無關人員，設立安全警戒線。然后將膨脹管進行串聯，導線另一端接到電觸發器的總導線上。使用高壓氣泵通過充氣鐵管向各膨脹管內充入2.5 MPa的高壓氣體。

（3）疏散全部人員，爆破員在安全距離外啟動電激發器。

（4）確定無啞炮后，5 min后進入爆破現場，用測量工具測量裂紋、殘孔。

2.3 試驗結果及分析

膨脹管觸發后，觀察掌子面情況，清渣后對破巖效果進行總結分析。采用方案1的破巖區域巖石完全崩落，成型規整，留下明顯的半孔痕跡，炮孔利用率接近百分之百，爆后圍巖幾乎不產生爆破裂紋。兩致裂孔之間連線方向受到較大的高壓氣體膨脹作用，產氣劑瞬間釋放的氣體促使巖石裂紋擴展，沿兩孔之間連線處產生劈裂作用，使兩孔連線上的裂紋全部貫通。由于自由面方向所受到的夾制力較小，高壓氣體將破碎的巖石從巖體中剝落，形成完整的光面效果。

方案2和方案3的膨脹管觸發后，破巖區域未見明顯半孔痕，揭露后的巖體中有大量裂縫，各致裂孔連線方向的裂縫較為明顯。致裂孔間的巖石由于受到高壓氣體的膨脹作用，巖石完全裂開并掉落。

試驗表明采用方案2、3在凝灰巖條件下進行破巖，雖然取得了一定的致裂破巖效果，但較方案1的光面效果較差，存在一定的欠挖，分析原因，主要有以下兩部分：

（1）由于這部分區域的致裂孔位于方案1破巖區域上部，在使用氣腿式鉆機打孔時，打孔條件受限，打孔方向有一定的向上傾斜，導致致裂孔底部的抵抗線過大，底部受到巖石的夾制作用更大。高壓膨脹氣體對致裂孔底部的巖石僅起到了致裂的作用，未能將其完全崩落，后期需要借助機械法對該斷面進行修整。

（2）由于該區域較高，在對致裂孔進行封堵時，作業條件不如方案1的破巖區域，導致部分致裂孔封堵不密實，存在一定的沖孔漏氣現象，影響破巖效果。

綜合以上試驗結果，可總結該次破巖試驗的參數：孔徑70 mm，孔深1.4 m，間距0.4 m，抵抗線0.5 m，管徑50 mm，單管藥量0.5 kg。

由此可知，在致裂孔間距在0.4 m，抵抗線0.5 m，孔深1.4 m的條件下，采用高壓氣體膨脹破巖法在凝灰巖地質條件下可取得較好的光面破巖效果。

2.4 振動監測結果

對高壓氣體膨脹法破巖過程監測到的振動速度峰值及振動波形進行分析，得到不同距離的振動的監測結果，見表1。

現場監測到的爆破振動速度波形圖像，如圖3所示。

由以上結果可知，在硬巖隧道采用高壓氣體膨脹破巖開挖引起的振動較小，隧道內監測點S1測得振速最大為2.838 cm/s，主頻為181.82 Hz。監測距離15 m，遠小于《爆破安全規程》中對于交通隧道不超過15～20 cm/s的振動速度限值規定。

3 結論

該文以杭紹臺高速公路大雷山隧道凝灰巖地質條件下的車行橫通道破巖為例，采用一種新型高壓氣體膨脹破巖方法，對其破巖參數、破巖效果以及振動響應進行了分析，研究結果表明：

（1）高壓氣體膨脹破巖方法可用于解決特殊環境下不允許使用炸藥爆破破巖的工程難題。

（2）在凝灰巖地質條件下，在孔間距0.4 m、最小抵抗線0.5 m的致裂孔布置下，可獲得很好的光面破巖效果。

（3）隧道內監測得到距破巖區15 m處的最大振動速度為2.838 cm/s，表明高壓氣體膨脹破巖對復雜環境近接工程施工具有獨特優勢，其高效的連續破巖能力、微振動、無飛石、無沖擊波破壞的效應，可為特殊條件下的凝灰巖隧道工程非炸藥爆破施工提供借鑒和參考。

參考文獻

[1]劉敦文， 邱豐愷， 賈昊然， 等. 地鐵聯絡通道高壓氣體膨脹法開挖施工安全評價[J]. 安全與環境學報， 2019（5）： 1511-1517.

[2]張文俊. 水介質換能爆破在大盤山隧道施工中的應用[J]. 建筑科技， 2020（2）： 18-21.

[3]劉敦文， 張兆令， 褚夫蛟， 等. 城市小斷面硬巖隧道高壓氣體膨脹法掏槽破巖試驗[J]. 爆破， 2019（3）： 104-111.

[4]彭懷德， 劉敦文， 褚夫蛟， 等. 硬巖隧道高壓氣體膨脹破巖開挖試驗[J]. 巖土力學， 2018（1）： 242-248.

收稿日期：2022-01-24

作者簡介：袁國柱（1983—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁。