聚能水壓爆破在巖溶隧道施工中的應用研究＊

張志鴻 史春宇 周 杰 焦景濤 楊凡杰

（1.中交隧道工程局有限公司，北京 100000；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢 430071）

0.引言

目前，爆破作為一種高效、安全、適應性強的開挖方式被廣泛應用于地鐵、隧道、洞室等地下工程建設中，近年來也得到了快速發(fā)展和改進，形成各種新型爆破技術。隨著我國隧道等地下工程建設的快速發(fā)展，隧道施工往往要面臨各種不良地質環(huán)境，如巖溶溶洞等，這種條件下施工需要面對突水、突泥、塌陷等多種難題[1]。傳統(tǒng)的光面爆破雖然在隧道開挖工程中卓有成效，但是也會出現超欠挖等現象，不利于光面的形成，尤其是在遇到巖性軟弱、地質條件差的圍巖狀況時，光面爆破由于其爆破能量難以控制，會對圍巖產生較大的損傷，嚴重的還會造成圍巖變形、失穩(wěn)，引發(fā)安全事故，影響施工進度和支護成本[2]。而聚能水壓爆破技術由于其聚能效應可以合理控制爆炸能量，因而有利于光面的形成，大大減少超欠挖現象的發(fā)生，對圍巖損傷較小，適用于各種地質條件。例如，羅家山隧道穿過巖溶區(qū)，地質條件條件極其惡劣，采用聚能水壓爆破技術施工后，形成了良好的光面效果[3]。五指山隧道處于巖溶地帶，采用聚能水壓爆破技術施工后減少了超欠挖現象的產生，減小了圍巖擾動[4]。桐梓隧道采用聚能水壓爆破技術施工后，超欠挖現象得到有效控制，達到了良好的爆破效果[5]。因此，聚能水壓爆破技術相比于傳統(tǒng)光面爆破具有更好的優(yōu)勢，可適用于巖溶隧道等地質條件復雜的工程施工中。

本文主要介紹了聚能水壓爆破技術原理和技術發(fā)展現狀，工程應用上以周盤溝隧道為背景，采用振動測試的方式驗證了聚能水壓爆破在圍巖穩(wěn)定方面的可靠性，可為類似工程爆破施工提供相關參考。

1.聚能水壓爆破技術原理

傳統(tǒng)的光面爆破技術，采用直接往炮孔內裝填炸藥和導爆索的方式，主要依賴的是炸藥爆炸所產生的能量，炸藥爆炸后產生沖擊應力波作用至炮孔圍巖，造成巖石的徑向壓破壞和切向拉破壞。當周邊眼爆破時，相鄰的炮孔連線兩側將出現明顯的應力集中現象直至超過炮孔連線處巖石抗拉強度之時，巖體會沿著炮孔連線處破壞；此外，炸藥爆炸產生的高壓氣體膨脹產生的靜力作用也會作用于裂縫，使其進一步擴張形成光爆輪廓面。而聚能水壓爆破技術則是在傳統(tǒng)光面爆破技術的基礎上發(fā)展形成的一種新型爆破方式，它改變了原來的直接裝填炸藥和導爆裝置的方式[5]，采用聚能管裝置和在炮孔底部與頂部填塞水袋的一種新型裝藥方式，最后使用炮泥填塞炮孔實現封堵效果。該裝藥結構如圖1 所示。

圖1 聚能水壓爆破裝藥結構圖

區(qū)別于傳統(tǒng)光面爆破的爆破原理，聚能水壓爆破技術充分利用了聚能管的聚能效果和水袋的不可壓縮性。當炸藥爆炸時，聚能管中將集中大量爆炸能量從聚能槽釋放，實現裝藥能量的定向利用，同時，在炮孔兩端被水袋封堵的情況下，由于水的不可壓縮性，爆炸能量能夠幾乎無損失的作用于炮孔圍巖；同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生的“水楔”效應也更加利于圍巖進一步破碎，多種因素共同作用有利于斷面光面的形成[5]。因此，聚能水壓爆破相較于傳統(tǒng)光面爆破不僅有著更好的爆破效果，還能減小對圍巖的損傷，適用于不穩(wěn)定圍巖狀況下的開挖。此外，聚能水壓爆破后水還可以起到霧化降塵作用，有利于保護環(huán)境[6]。由此可見，聚能水壓爆破技術相對于傳統(tǒng)光面爆破在原理上有著較好的優(yōu)越性。

2.聚能水壓爆破技術現狀

2.1 聚能水壓爆破施工方案

在實際施工過程中，聚能水壓爆破主要運用在施工斷面周邊眼中用于形成斷面輪廓，其余炮孔一般采用常規(guī)爆破或者水壓爆破方式。

（1）施工準備。

1）爆破方案設計。需結合工程實際確定，考慮到聚能效應，周邊孔的孔距可以適當加大。

2）周邊眼裝藥結構。先在炮眼底部放置一個水袋，注意需和炮眼底部緊密接觸，然后安放聚能管裝置，后繼續(xù)填裝兩個水袋，最后用特制的炮泥（水砂袋）填塞至炮眼口。

3）炮泥（水砂袋）制作。采用過篩的黏土、無雜質的細河砂、水按合適比例用炮泥機進行配制，在需要的長度處截斷。炮泥保存時應用塑料進行包裹放在陰涼潮濕的地方，最好在使用前1h ～2h 制作備用。水砂袋則是將水和砂按一定比例混合裝袋形成，水砂混合體是一種非牛頓流體，具有較好的堵塞效果。

4）水袋制作。水袋內的水選用無明顯雜質的普通水，塑料袋長21mm，寬36mm，厚度0.9mm，裝入適量的水后用封口機封口。封口機使用前進行試機，提前預熱機器達到封口溫度，試用2 次，將機器內的空氣排出，用手固定塑料袋到出水口，啟動機器完成封口。

5）聚能管裝置組裝。聚能管由兩個壁厚2mm 的PVC 半壁管裝藥組裝而成，裝藥時使用空氣壓縮機和注藥槍，組裝時注意包裹好起爆裝置。

（2）鉆孔。嚴格按照炮孔布置設計圖等相關參數，做到準確定位炮眼和鉆孔施工工作。鉆孔結束后應保證炮孔內部的清潔。

（3）裝藥、爆破。

1）裝藥。輔助眼先把1 個水袋放在炮眼的底部，并且與接觸面緊密結合沒有空隙，然后在水袋上面接上藥卷，藥卷與水袋緊密結合，藥卷安放完成后繼續(xù)填接1～2個水袋，最后以炮泥（水砂袋）堵塞至炮口。掏槽眼裝藥結構與輔助眼類似，但其藥卷用量多一些。

2）爆破。采用延時爆破方式，按照先爆掏槽眼、再爆輔助眼、最后爆周邊眼的起爆順序。

（4）出碴及初期支護。爆破后立即通風進行排煙降塵，聚能水壓爆破減少了粉塵量，縮短了通風時間。確認無粉塵后進行危險點排除，如危石、啞炮等。保證了爆破現場的安全后，即可進行支護作業(yè)。

2.2 鉆爆設計優(yōu)化

（1）聚能管裝置優(yōu)化。主要包括根據爆破試驗調整聚能管的截面形式及線裝藥密度，半壁管合成聚能管后防錯位等。

（2）水袋優(yōu)化。在水袋用水上，可在水中加入添加劑加大水的表面張力，使得水袋霧化后易于與爆破產生的粉塵顆粒充分結合，降塵效果更好；同時可優(yōu)化調整炮孔中水袋的裝填結構、位置及長度，使其達到較佳的降塵除塵效果[7]。

（3）炮泥優(yōu)化。為了減少工人勞動強度，可制造一種自動切割炮泥機，可實現土、砂、水的一定比例下混合，實現炮泥的精細化制造，優(yōu)化炮泥的質量[7]。一定條件下，也可采用水砂袋代替?zhèn)鹘y(tǒng)炮泥進行堵塞，實現更優(yōu)化的堵塞效果[8]。

（4）鉆孔優(yōu)化。采用濕式鉆眼法，重點控制周邊眼的鉆孔操作，嚴格控制誤差，為形成光面爆破，應極力保證炮眼底面在一個平面上；如要提高鉆孔作業(yè)效率，可引進三臂鑿巖臺車等大型鉆孔設備開展作業(yè)[7]。

2.3 超欠挖控制技術

超欠挖控制一直是隧道爆破中的難題，總體而言為根據圍巖情況適時調整爆破設計。有關文獻[9]中較為詳細介紹了余家山隧道聚能水壓光面爆破參數隨掘進而調整的過程，在各洞段均取得了良好爆破效果，超欠挖得到了有效控制。另外，隧道所經過區(qū)域的地質狀況不會是一成不變的，各種爆破設計參數也不是萬能的，需要結合掌子面情況和相關經驗不斷調整，如遇到圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育密集情形，應適當減小周邊眼間距、同時減小聚能管線裝藥密度，如此方能達到總體的超欠挖控制目標。

2.4 聚能水壓爆破信息化管理

在現場采用視頻監(jiān)控技術，一方面監(jiān)督施工人員是否存在違規(guī)操作現象，另一方面也可在出現較大的超欠挖時尋找原因（如是否施工人員填裝聚能管裝置時聚能槽位置未對準開挖輪廓面）。

此外，可建立該項目的數據庫，記錄每一循環(huán)進尺時各種爆破參數以及此時的爆破效果，當然還包括該段的地質狀況。數據庫不斷指導下一進尺的參數調整工作，爆破結果又進一步充實數據庫，最終實現隧道開挖全過程的超欠挖控制，并能對以后類似的聚能水壓爆破項目提供技術支撐。

3.巖溶隧道的工程應用

下面通過現場工程應用來驗證聚能水壓爆破在圍巖穩(wěn)定性方面的可靠性。周盤溝隧道屬于一種灰?guī)r巖溶隧道，其中溶洞和節(jié)理裂隙發(fā)育。在該隧道施工過程中分別采用傳統(tǒng)光面爆破和聚能水壓爆破進行爆破振動試驗，每次爆破控制炸藥量相同，在距隧道開挖掌子面70m 處開展圍巖振動測試。測試采用RSM-VM1004（A）型振動測試儀，爆破作業(yè)前將監(jiān)測傳感器用石膏固定在隧道邊墻上即可等待觸發(fā)，等待觸發(fā)過程中避免人為擾動干擾測試結果。試驗結果表明，在相同的炸藥量和監(jiān)測距離下，傳統(tǒng)光面爆破產生的圍巖振動峰值振速為0.181cm/s，大于聚能水壓爆破產生的峰值振速0.101cm/s。由此可見，聚能水壓爆破對巖溶隧道圍巖產生的振動損傷更小，更有利于圍巖的穩(wěn)定性和支護作業(yè)，可適用于地質條件復雜的巖溶隧道等相關工程。

需要注意的是，聚能水壓爆破技術雖然原理上可行性強，工程上適用性強，有著經濟效益高、圍巖擾動小、光面效果好等優(yōu)點，但也不是一蹴而就的，而是結合大量的工程經驗得出的，不能直接照搬照抄別的工程上的爆破技術和方案，否則可能會適得其反。而是要根據相關已有爆破技術進行工程試驗，根據爆破效果來不斷改進，形成適合自己的技術，也為爆破技術的發(fā)展貢獻自己的力量。不同的地質條件、巖石性質、開挖尺寸等影響下，適用的聚能水壓爆破技術也有所不同，往往需要根據具體情況改變聚能管參數及其材料種類、炸藥種類、炸藥量、炮孔設計參數等。例如，當有結構面與開挖輪廓相交時，聚能管聚能槽朝向可能需要調整以減小超挖和減小對圍巖穩(wěn)定性的破壞，具體如何調整可能要經過試驗得到，需要進一步研究。

4.結論

（1）通過對比傳統(tǒng)光面爆破和聚能水壓爆破的技術原理，發(fā)現聚能水壓爆破利用其聚能效果和水壓效果能夠合理控制爆破能量的釋放，形成更好的爆破效果，并且水袋爆炸后形成的水霧能夠起到降塵作用，更加環(huán)保。

（2）從施工方案、設備改進、鉆爆設計、超欠挖控制技術以及信息化管理等角度分析了聚能水壓爆破的技術現狀，可為相關工程提供參考。

（3）將聚能水壓爆破技術進行工程應用。依托周盤溝巖溶隧道工程，通過現場監(jiān)測對比分析了傳統(tǒng)光面爆破和聚能水壓爆破的振動效果，發(fā)現聚能水壓爆破的峰值振速顯著小于傳統(tǒng)光面爆破峰值振速，對圍巖造成的振動損傷更小，更有利于圍巖穩(wěn)定，且適應性強。