水压光面爆破技术在隧道施工中的应用

来源:用户上传      作者: 钱海亮 王潇潇 冯德定

　　摘要：结合某工程实例，介绍了隧道水压光面爆破的关键施工工艺以及施工方
　　法，对比分析了同条件下常规光爆与水压光爆的效果及经济效益。结果表明，水压光爆能提高隧道单循环掘进进尺，改善断面开挖质量，降低掘进爆破粉尘浓度，创造可观的经济效益，对山岭隧道工程具有一定的借鉴作用。
　　关键词：水压光面爆破，山岭隧道，粉尘浓度，炸药单耗
　　1. 引言
　　目前，国内山岭隧道多采用常规光面钻爆开挖，存在爆破炸药能量利用率低，施工环境污染较严重，不利于洞内作业人员身心健康等问题。水压光面爆破能够改善隧道施工环境，降低工程造价，提高经济效益。
　　2. 水压光面爆破原理
　　水压爆破是在常规爆破的基础上进行装药结构的创新和改革，即采用与光面爆破相同的设计、药量计算、起爆方法和起爆技术，仅在装药结构、孔口封堵环节有所区别。
　　水压光面爆破机理是向炮眼中一定位置注入一定量的水，经炮口位置的炮泥回填堵塞，利用水的不可压缩性无损失的传递爆炸应力波，将炸药爆炸产生的高温、高压气团充分传递到炮眼周边围岩，借助水与炮泥复合堵塞作用抑制爆炸膨胀气体的外泄，瞬间延长爆炸压力作用时间，更利于发挥炸药的爆力和猛度等爆炸性能，提高炸药的能量利用率，使岩石破碎。同时爆破产生的高压气体冲破水袋将水变成水雾，能降低空气冲击波强度及爆破噪声，降低空气中有害气体和烟尘含量。这种爆破对周边围岩破坏较小，使爆破的岩石表面能按设计轮廓线成型，表面较平顺，超欠挖很少。
　　水压光面爆破的作用机理是一个十分复杂的过程，一般认为，炸药起爆时，对岩体产生两种效应，一是药包爆炸瞬时高温高压气体形成的冲击波效应，二是爆炸气体膨胀做功所起的作用。水压光面爆破是周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波借助水袋向其四周作径向传播，相邻炮眼的冲击相遇，则产生应力波叠加，并产生切向拉力，拉力的最大值发生在相邻炮眼中线连线的中点，当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中线连线上形成裂缝，随后，爆炸气体的膨胀使裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面。
　　水压光面爆破装药结构一般是周边眼采用孔径不耦合装药法，利用水介质代替空气介质，并且间隔装药，确保周边眼炸药起爆后衍生的切线方向的拉应力大于两个炮眼连线方向上围岩的抗拉强度，使光爆层内岩石被拉断形成贯穿裂缝及光爆面。掏槽眼及辅助眼内采用孔底和靠近孔口堵水，连续装药，孔口堵塞回填。
　　水压光面爆破效果要求炮眼利用率大于90%；半眼痕保存率大于80%（整体性良好的坚硬岩石）；破后围岩面应圆顺平整，无欠挖，平均线性超挖面不超过20cm，且围岩面上无粉碎岩石和明显裂隙。
　　3. 水压光面爆破施工关键技术
　　3.1工艺流程
　　水压光面爆破主要工序为5个，17个作业项目，详细见表1。
　　3.1.1放样布眼
　　钻眼前，由测量人员用红油漆准确绘出开挖断面的中线和轮廓线，标出炮眼位置，误差不超过5 cm。
　　3.1.2定位开眼
　　采用钻孔台车、风动凿岩机钻眼，轴线与隧道轴线保持平行，台车就位后按炮眼布置图正确钻孔，先用短钻杆定位，再用长钻杆加深，掏槽眼和周边眼的钻眼精度控制在5 cm以内。
　　3.1.3钻眼
　　施钻工人要熟悉炮眼布置图，能够熟练操作凿岩机械，特别是周边眼，一是要由经验丰富的老钻工施钻，二是准确控制周边眼外插角，眼深3m时外插角小于3°，眼深5m 时外插角小于2°，尽可能使两茬炮交界处台阶小于15 cm；三是根据眼口位置岩石的凸凹程度调整炮眼深度，以保证炮眼底在同一平面上。
　　3.1.4清孔
　　装药前，用炮钩和高压风将炮眼内石屑清理干净，以免影响爆破效果。
　　3.1.5装药联线、回填堵塞
　　该工序为隧道掘进爆破的重要工序，也是控制水压爆破成败的关键工序，其内涵是往炮眼中放入水袋，采取特制的炮泥回填堵塞，以提高炸药能量利用率，从而达到提高爆破效果的目的，其装药结构是先往炮眼底部装入一个水袋，然后装药，接着装入3个水袋，最后炮泥回填堵塞。
　　（1）炮泥制作：炮泥采用专用机械制作，原材料采用砂黏性土或黄土，含水率控制在12% ～20%，使其有一定的塑性和强度，便于回填堵塞。制作好的炮泥用湿润的纸箱或棉布覆盖，避免风干硬化。
　　（2）水袋制作：采用专用机械自动注水封口加工生产，水袋采用聚乙烯塑料袋，水采用洁净无油污的施工用水。
　　（3）装药、装水袋：按照设计装药结构依次装入水袋、炸药、水袋、封堵炮泥，周边眼堵塞长度不少于35 cm，其他眼堵塞长度不少于30 cm。
　　（4） 联结起爆网络：常用控制微差爆破，若一次爆破孔眼数量较多，而雷管段数不够用时，可采用孔内、孔外混合及串联、并联混合网络实现其微差爆破，充分保证起爆的可靠性和准确性。
　　3.1.6除尘排险
　　炮后采用往碴堆上喷高压水或喷雾降尘，采用压入式或巷道式通风降尘，随后进行瞎炮处理、拱部凿顶，边墙刷帮排险，排除松石和危石，出碴、支护。
　　3.2水压光面爆破的关键技术
　　3.2.1爆破的设计
　　水压爆破是在常规爆破的基础上发展而形成的，合理可行的常规爆破钻爆设计是保证水压爆破效果的前提，设计必须满足以下技术要求：一是根据围岩特点选择合理的掏槽眼形式，辅助眼角度、间距，周边眼间距及周边眼的最小抵抗线；二是严格控制周边眼的装药量，并使炸药沿炮眼全长合理分布；三是周边眼采用小直径药卷和低爆速炸药，借助传爆线以实现空气间隔装药；四是采用毫秒雷管微差顺序起爆，使周边爆破时产生临空面，周边眼同段的雷管起爆时差应尽可能小；五是爆破参数采用工程类比或根据爆破漏斗及成缝试验确定。 　　3.2.2周边眼间距及最小抵抗线
　　周边眼的间距是直接控制开挖轮廓面平整度的主要因素，要根据现场地质条件和岩性，视岩石的抗爆性、炸药性能、炮眼直径和装药量而定，当断面较小或围岩软弱、破碎或在曲线、折线处开挖成形较困难，周边眼间距宜取较小值；最小抵抗线应大于周边眼间距，软岩在取较小周边眼间距的同时，抵抗线要适当增大，以便形成平顺的开挖轮廓线。一般情况下E=（8～12）d（d为炮眼直径）；抵抗线W=（1.0～1.5）E。
　　3.2.3控制药量
　　（1）周边眼适合采用小直径炸药，药量按照常规光面爆破进行设计，并使炸药沿炮眼全长合理分布。
　　（2） 掏槽眼采用大直径药卷，连续装药；辅助眼及内圈眼采用大直径药卷，连续装药，以提高岩石的破碎程度和抛掷效果，后续周边眼爆破提供临空面。
　　3.2.4控制周边眼外插角度
　　（1） 控制周边眼的外插角方法是采用长短两种型号钻杆，开钻时首先用短钻杆定位，再用长钻杆加深。为保证隧道开挖后符合设计轮廓线，周边眼不能偏离设计轮廓线，周边眼间距误差小于5 cm，爆破效果最佳。因凿岩机外形尺寸的限制，钻孔时要有一个向外倾斜的角度，一般外斜角控制在2°～ 3°。
　　（2）施钻人员和打炮眼时位置要相对固定，分片包干作业，由于人们的视觉和习惯性动作，经常调换不利于控制周边眼的外插角，影响爆破效果。
　　3.2.5装药结构
　　水压光面爆破技术关键在于装药结构，在隧道起初爆破时，针对不同的岩层结构和岩性进行爆破实验，确定最佳装药结构，提高爆破效果。一般在掏槽眼、底眼、辅助炮眼底部只装1个水袋，眼口装3个水袋。周边眼采用光面爆破设计，采用空气间隔装药，底眼放1个水袋，眼口放1个水袋。
　　3.2.6堵水工艺
　　水压光面爆破是利用水传递爆破能量，如果堵塞不好，水介质的传递效果不佳，形同常规爆破，但装药量不及常规爆破，在隧道爆破时，有时出现隧道进尺较低，爆破效果不佳，甚至爆破失败。因此水压光面爆破堵塞尤为重要。往炮眼中堵水，采取普通塑料袋灌注水，所用的塑料装直径略小于炮孔直径，利用自动灌水、自动封口的水袋加工机现场加工水袋，长度20cm/个。封口温度以130～150℃为宜。要求水袋封口后不泄不漏，灌填饱满。
　　3.2.7炮眼堵塞
　　堵塞作用是使炸药在受约束条件下能充分爆炸，提高能量利用率。堵塞长度因炮眼名称不同而不同。最小堵塞长度不小于20cm。采用炮泥机现场加工炮泥，炮泥组成比例为土∶沙∶水=1∶0.15∶0.2，要求堵塞密实，不能有空隙或间断。
　　3.2.8爆破器材
　　爆破器材：炸药、非电塑料导爆系统、毫秒雷管和导爆索等。
　　周边眼炸药：选择低爆速、低密度、低猛度、高爆力、小直径、传爆性能良好的炸药。
　　周边眼使用的雷管主要选择分段多、起爆同时性好的毫秒雷管，能获得减少爆破振动的作用。
　　3.2.9起爆顺序
　　（1）辅助眼由里向外逐层起爆，爆破时内圈炮眼必须先起爆而外圈炮眼后起爆，起爆顺序不能颠倒，否则爆破效果不佳，甚至失败。为使水压光面爆破产生良好的效果，一是辅助眼起爆后尽量靠近开挖轮廓形状，使水压光面爆破层厚度尽可能一致，二是要注意将掏槽炮与辅助炮之间的时差稍加大，保证掏槽炮在此时差内将石碴抛出槽口，防止爆炸落下的碴堵死周边眼的临空面，影响爆破效果；三是内外圈中的同圈炮必须同时起爆，尤其是掏槽眼和周边眼，以保证同圈炮的共同作用的爆破效果。
　　（2）周边眼同时起爆。采用毫秒雷管微差顺序起爆，同段的周边眼雷管起爆时差尽可能小，同时使用导爆索或高精度系列迟发电雷管起爆效果最好。因为同时起爆，使炮眼间爆炸力起共同作用，容易炸成平面。对石质稍差的岩石，采用毫秒迟发电雷管起爆周边炮眼，即具有同时起爆的爆破威力，又可以减少对轮廓线以外围岩的扰动。
　　3.3施工注意事项及要求
　　（1）水袋安装要检查水袋封口有无漏气、漏水现场，水袋的水量要达到设计装水量的90%以上，手捏水袋不易凹陷，装水袋时将水袋封口折叠上去轻推入孔内。
　　（2）安装水袋采用木质炮棍推送入孔内，炮棍端头制作成圆端形，避免尖锐端头刺破水袋，切勿用力过猛。
　　（3）为避免瞎炮影响爆破效果，周边眼采用非电导爆管引爆，同时串连导爆索形成双保险。
　　（4）严格按照钻爆设计施工，掏槽眼眼口间距误差不大于5cm，辅助眼口、孔底排距、行距不大于10cm，周边眼眼口误差不得大于5cm，眼底不得超出开挖轮廓线15cm。
　　（5）当开挖面凹凸较大时，可根据实际情况调整炮眼深度，使周边眼与辅助眼底在同一垂直面上，掏槽眼比其他眼深20～ 30 cm。
　　4. 水压光面爆破应用实例
　　某单线隧道为了提高隧道光面爆破效果，减少隧道超欠挖，选取了相同围岩级别条件的两段分别进行全断面常规光面爆破和全断面水压光面爆破，炮眼布置见图1，并对爆破效果和效益进行了对比分析，见表2。
　　可以看出，水压光面爆破技术在实际进尺由2.8m提高到3.15m，炸药单耗量由1.12 kg/m3降到0.92 kg/m3，节省炸药18%，炮眼利用率及炮痕保存率上均高于常规光面爆破。从现场观测效果，水压光面爆破的超欠挖情况也优于常规光爆。
　　为了监测水压爆破与常规爆破后隧道掌子面粉尘含量变化情况，采用恒流粉尘采样仪器在爆破后10min之内未通风排烟的情况下，对起爆中心范围内粉尘进行连续探测。结果表明，水压光面爆破后的粉尘浓度较常规光爆有了明显降低。这将可以缩短排烟时间，改善洞内施工环境，有利于作业人员的健康。
　　5. 结语
　　实践证明，水压光面爆破是值得推广的爆破技术，在国内外一些隧道爆破施工过程中，采用该技术取得了较好的效果，一是开挖岩面上无粉碎岩石和明显的爆震裂缝；二是节约炸药，起到减少振动的效果，对围岩的震动破坏较小；三是获得良好的爆破效果；四是提高掘进速度，有利于安全施工；五是岩面平整，为锚喷、衬砌等工序创造有利条件，同时还可以减少超挖和回填混凝土的数量。根据以往的现场施工情况和研究结果，水压光面爆破有以下经验可供参考：
　　（1）水压爆破参数的选定应根据围岩特点进行爆破试验后确定，合理选择炮眼间距及装药量。
　　（2）周边眼宜采用小直径药卷和低爆速炸药，装药量应具有破岩所需的应力能量，又不致造成对围岩的严重破坏，借助导爆索实现空气间隔装药，使炸药均匀的分布在整个炮眼内，有利于形成光面。
　　（3）为使水压爆破产生良好的效果，一是要注意将掏槽炮与辅助炮之间的起爆时差稍加大，保证掏槽区石渣能全部抛出槽口，利于后续辅助眼爆破，二是辅助眼爆破后坑洞形状尽量接近开挖轮廓形状，让爆破层厚度尽可能一致，利于光面爆破。
　　（4）采用毫秒雷管微差起爆系统，为了使周边爆破时产生临空面，分段的辅助眼雷管起爆时差尽可能小，周边眼采用导爆索或高精度系列迟发电雷管起爆效果更好，因为采用该系统起爆周边炮眼，即具有同时起爆的爆破威力，容易成型，又可以减少对轮廓线以外围岩的扰动。
　　（5）严格执行钻眼工艺，使炮眼的位置及方向误差较小，能提高隧洞爆破质量。
　　（6）在隧洞施工过程中，采用水压爆破技术，即掏槽眼、辅助、底板眼采用水压爆破，周边眼仍采用光面爆破，不但可以提高炸药利用率、提高施工效率，提高经济效益，而且可以降低粉尘，减少环境污染，保护环境和施工人员的身心健康。
　　参考文献：
　　[1]刘殿中. 工程爆破实用手册[M ]. 北京：冶金工业出版社， 1999
　　[2]钱东升. 公路隧道施工技术[M ]. 北京：人民交通出版社， 2003
　　[3]何广沂. 工程爆破新技术. 北京：中国铁道出版社，2000
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