聚能水压光面爆破技术在隧道掘进中的试验及应用.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）增２０１６７０４・隧道／地下工程・聚能水压光面爆破技术在隧道掘进中的试验及应用马延军（中铁十六局集团第四工程有限公司北京１０１４００）摘要：隧道开挖作业是决定施工进度和效益的基础，目前广泛应用的光面爆破和水压爆破技术在超欠挖控制等方面仍达不到理想效果，在分析光面爆破、水压爆破存在不足的基础上，引入了聚能水压光面爆破技术，并简要分析了这项技术的爆破原理和优点。结合在蒙华铁路崤山隧道的对比试验和实际应用效果分析，聚能水压光面爆破在施工进度、爆破质量、作业环境等方面效果显著，值得推广应用。关键词：隧道开挖聚能水压光面爆破爆破原理对比试验中图分类号：Ｕ４５５．６文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．ｓ２．０４４ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｈａｐｅｄＣｈａｒｇｅＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｍｏｏｔｈＢｌａｓｔｉｎｇｉｎＴｕｎｎｅｌＥｘｃａｖａｔｉｏｎＭａＹａｎｊｕｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１６小ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ４ｍＥｎｓｎａｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０１４００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｓｍｏｏｔｈｂｌａｓｔｉｎｇａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｌａｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｓｔｉｌｌｆａｉｌｔｏｒｅａｃｈｔｈｅｉｄｅａｌｅｆｆｅｃｔｓｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｅｘｃｅｓｓｏｒｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｅｘｃａｖａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｓｍｏｏｔｈｂｌａｓｔｉｎｇａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｌａｓｔｉｎｇ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｓｈａｐｅｄｃｈａｒｇｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｍｏｏｔｈｂｌａｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｍａｄｅａｂｒｉｅｆａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｔｅｓｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｔｓｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｉｎＸｉａｏｓｈａｎＴｕｎｎｅｌｏｆＩｎｎｅｒ—ＭｏｎｇｏｌｉａＪｉａｎｇｘｉＲａｉｌｗａｙ，ｉｔｗａｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｈａｐｅｄｃｈａｒｇｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｍｏｏｔｈｂｌａｓｔｉｎｇｃｏｕｌｄａｃｈｉｅｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｓｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｃｈｅｄｕｌｅ，ｂｌａｓｔｉｎｇｑｕａｌｉｔｙａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｄｉｔｗａｓｗｏｒｔｈｐｏｐｕｌａｒｉｚｉｎｇａｎｄａｐｐｌｙｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；ｓｈａｐｅｄｃｈａｒｇｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｍｏｏｔｈｂｌａｓｔｉｎｇ；ｂｌａｓｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｃｏｎｔｒａｓｔｔｅｓｔ１引言隧道光面爆破是新奥法原理的重要支撑技术，由瑞典科学家率先提出，因其爆破效果较好、经济效益显著，被世界各国迅速推广使用¨Ｊ。水压爆破技术是由我国专家于上世纪９０年代首创的一项光“”面爆破改革技术，具有三提高、一保护的优点，但因其基本原理仍为光面爆破，因此未能成功解决光——收稿日期：２０１８０３２０作者简介：马延军（１９８５一），男，工程师，主要从事隧道工程施工。面爆破的炮眼间距小、钻孔数量多、对周边围岩扰动大、超欠挖控制不理想等不足，这些不足在软弱围岩中尤为突出心ｊ。经研究发现，光面爆破存在的这些不足主要原因为其自身爆破原理，采用的不耦合装药结构，降低了炸药能量利用率，并且这种装药结构在炮眼四周均能产生相同的作用力，因此会增加对周边围岩的扰动，影响爆破效果。针对上述不足，我国科技学者提出了聚能定向断裂爆破技术，并设计相关聚能装置实现聚能断裂爆破，但终因结构复杂且造价高昂，不具备实用价铁道建筑技术ＦＩＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｌ增２）１６７万方数据・隧道／地下工程・值，未能成功推广吲。近期，由我国爆破专家何广沂教授提出用聚氯乙烯制作聚能管实现聚能爆破并与水压爆破相结合，兼具两者优点且结构简单、“”操作方便，成功实现了聚能水压光面爆破新技术的开发应用。２工程概况蒙华铁路北起内蒙古鄂尔多斯，南至江西吉安，全长１８１４ｋｍ，是我国一次建成最长的重载铁路干线。崤山隧道位于河南省灵宝市、卢氏县境内。设计为两条单线隧道，左线全长２２．７５１ｋｍ，右线全长２２．７７１ｋｍ，为全线第一长隧道。隧道场区以侵蚀构造中低山为主，穿越安山岩、石英砂岩、白云岩等弱风化地层，最大埋深约为７５０ｍ，洞身穿越２ｌ条断层破碎带，地质构造及水文地质条件复杂，且工期短、任务重，为全线控制性重点隧道工程。３聚能水压爆破设计及工艺３．１爆破原理聚能爆破通过聚能管装置改变隧道爆破周边眼的装药结构，爆破过程中利用聚能管装置对爆炸应力的瞬间抑制和导向作用，沿聚能管切缝方向产“”生初始裂隙（缝），然后在爆炸产生的气体和气楔作用下使裂隙沿开挖轮廓线进一步扩展直至贯通，实现了岩石爆破断裂的定向控制Ｈ。５ｏ。水压光面爆破与传统光面爆破原理相同，仅在周边眼中注入水袋，然后用专用炮泥回填堵塞炮眼。利用水的不可压缩性及专用炮泥对膨胀气体泄出的抑制作用，使爆炸应力可以无损传递到周边“”围岩中。此外，水在爆炸应力波下可产生水楔效应，可进一步有利于岩石的破碎，同时，爆炸产生的∞水雾还有利于降尘１。聚能水压光面爆破就是将聚能爆破与水压光面爆破有机结合，充分利用两者特点，使其兼具聚能、高效、节能环保的优点，较好地解决了光面爆破超欠挖控制不理想、造孔数量多、工作量大的缺点。３．２器材选择（１）聚能管“”该管由两个相似的ｗ型半壁管组装而成，采用聚氯乙烯材质制作，壁厚２ｍｍ，委托专业工厂按如下截面尺寸加工：锥角顶角７００，两锥角顶部距离瑾噩铁道建筑技术１７．２７ｍｍ，半壁管宽度２４．１８ｍｍ，组装后聚能管宽度为２８．３５ｎｌｍ。为保证组装后聚能管药包切缝沿开挖轮廓线布置，两半壁管可调聚能方向８。～１０。。聚能管长度根据炮眼深度定制加工，半壁管及其组装如图１所示＂Ｊ。（２）爆破器材聚能管中可充填通用炸药，考虑管径较小，为便于操作，本工程周边眼选用陇５ｍｍ乳化炸药，单卷重０．１２ｋｇ；其余炮眼采用０３２ｍｍ乳化炸药，单卷重０．１５ｋｇ；Ｉ１２：至２＾Ｉ三苎：三墨＾图１聚能管截面尺寸及组装示意（单位：ｍｍ）水袋采用０．８ｍｉｎ厚聚乙烯塑料制成，长度２００ＩＢｍ，直径３５ｍｍ；炮泥采用专用炮泥机按黏土：砂：水＝—（７０～８０）：（８１０）：（１２～２０）的配合比加工制作，长度２５０ｍｍ，直径３２ｍｍ。其余爆破器材与常规光面爆破相同旧。９』。３．３爆破设计（１）周边眼间距的确定聚能爆破炮眼间距计算公式为：ｏ＝Ｋ（２““ｂｐ／Ｓ。）ｄｂ（１）式中，Ｋ为爆炸应力波系数，乳化炸药取４．５；ｂ为切向应力与径向应力的比值，ｂ＝ｒ／（１一ｒ），ｒ为炮泥的泊松比，取ｒ＝０．２５，得ｂ＝０．３３；ａ为应力波衰减系数，ａ＝２一ｂ＝１．６７；ｐ为炮眼壁上产生的冲击力，即岩石单向抗压强度，安山岩取１２５ＭＰａ；Ｓ。为岩石单向抗拉强度，安山岩取６．８ＭＰａ；ｄ。为炮眼直径，取４４ｍｍｏ将参数代入公式（１）中，得口＝７４７ｎｌｔｎ，考虑水压爆破仍可提高炸药能量利用率，本工程取ｎ＝８００ｍｍ［１０｜。（２）周边眼装药量的确定聚能爆破周边眼每米装药长度的计算公式为：≤Ｌｌ８ＫｂＳｃ／ｎＱｄｊ・（ｄｂ／ｄ。）６（２）式中，Ｋ。为体积应力下岩石抗压强度增大系数，根据试验取１４；Ｑ为炸药密度，乳化炸药取１．２５ｇ／ｃｍ３；ｄ。为爆速，取３０００ｍ／ｓ；ｄ。为药卷直径，取２７ｍｍ；ｎ为试验确定的系数，取０．０７４。将参数代入公式（２），得Ｌ。＝０．２３２。周边眼装药量计算公式为：ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｌ增２１万方数据・隧道／地下工程・ｇ＝叮ｒ《／４・Ｌ。・Ｑ・Ｌ（３）３．４施工工艺式中，￡为炮眼长度，取３．５ｍ。代人公式（３）得ｇ＝５８０ｇ，本工程取ｑ＝６００ｇ，即用５卷０２５ｍｍ乳化炸药制作聚能管药包。（３）装药结构聚能水压光面爆破与常规光面爆破相比仅在周边眼的装药结构中有所区别，采用聚能管药包代替传统炸药，并增加了水袋和炮泥，如图２所示［１１｜。墼燮些坚雷管臣墨重亘富富重重量萤盔互盗譬函互茎警ｈ厂Ｉ墨－＾墨：土生！ｌ生！Ｊ，Ｌ－炮眼深度：￡一炮眼底一节水袋长度：￡：一聚能管≤≤药包长度，０．６５ＬＬ２Ｏ．７５Ｌ：厶一炮眼中部两节水袋长度，Ｌ＝２Ｌ，￡。一封堵炮泥长度图２聚能水压光面爆破周边眼装药结构示意（４）炮眼布置聚能水压光面爆破掏槽眼、辅助眼布置，抵抗线等与水压爆破及常规光面爆破相同，仅周边眼间距根据计算确定为８０ｃｍ。聚能水压光面爆破炮眼布置如图３所示，爆破参数见表１。Ｉ！鲤ＩＩ至Ｚ墨Ｊ掏槽眼布置示意图３崤山隧道聚能水压光面爆破炮眼布置表１崤山隧道聚能水压光面爆破参数序炮眼炮眼炮眼装药量药卷眼数／深度／卷／每ｋｇ／每小计／种类／装填起爆号名称系数顺序个ｎｌ个眼个眼ｋｇｌ掏槽眼６１．６６Ｏ．９０５．４００３２０．７５Ｉ２掏槽眼８３．８１５２．２５１８．０００３２０．７９Ⅱ３掘进眼３３．５ｌｌ１．６５４．９５０３２０．６３Ⅲ４掘进眼３３．５ｌｌ１．６５４．９５０３２Ｏ．６３Ⅲ５辅助眼２１３．５１０１．５３１．５００３２０．５７Ⅳ６辅助眼２８３．５１０１．５４２．０００３２０．５７Ｖ７底板眼１４３．５１２１．８０２５．２００３２Ｏ．６９Ｖ０２５８周边眼２７３．５５Ｏ．６０１６．２０制作聚能０．２３Ⅵ管药包合计１１０３７６１４８．２聚能水压光面爆破在钻孔方式、起爆顺序、时间间隔等与常规爆破完全相同，施工中仅需注意聚能管药包的制作及安装。施工工艺流程见图４。（１）聚能管药包制作聚能管药包由两个半壁管、陇５Ｉｎｌｎ乳化炸药、导爆索、雷管在防爆操作间内组装而成。聚能管注药需用注药枪、空压机等小型设备，采用人工操作注药枪装药，首先将两卷啦５ｍｌｎ乳化炸药包装皮破开后合并装入枪筒中并拧紧旋转盖；然后给注药枪加压，其压力为０．２个大气压，随之手握紧开关沿半壁管移动，炸药就从注药枪口连续不断流入到半壁管中；最后，将注好炸药的两个半壁管扣紧合并在一起，装好雷管及导爆索，并在聚能管两端套紧塑料圈以保证聚能锥角对齐开挖轮廓面，完成聚能管药包组装。（２）周边眼聚能管药包安装钻孔、清孔完毕并经检查确认钻孔符合要求后，按聚能水压光面爆破周边眼装药结构图安装聚能管药包。首先在炮眼底部填入１节水袋，并确保炮眼底部与水袋间无空隙；然后安装聚能管药包，因为聚能爆破具有定向断裂的特点，因此必须确保聚能管锥角沿隧道开挖轮廓线布置，否则将严重影响爆破效果；最后在炮眼中部安装两节水袋后采用专用炮泥封堵炮眼，并用木质炮棍捣实。所有炮眼安装、检查完成后，采用簇连法连接起爆网络。图４聚能水压光面爆破施工工艺流程４对比试验及效果分析４．１对比试验选取崤山隧道进口左、右线进行对比试验，两线隧道围岩情况相似，左线隧道采用聚能水压光面爆破，右线隧道采用常规光面爆破及水压光面爆铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｔ增２１１６９万方数据・隧道／地下工程・破，每种爆破工艺各施工１５循环。１２｜。４。２爆破效果对比分析对上述４５个循环的循环进尺、炸药消耗、循环时间、爆破效果等进行汇总统计如表２所示。４．３经济效果分析通过对三种爆破技术的对比试验分析，在相同断面面积、相同钻孔深度、相似围岩条件、相同作业人员等前提条件下，聚能水压光面爆破在降低成本、加快进度方面取得的经济效益显著。表２爆破效果汇总统计常规水压聚能水压项目光面爆破光面爆破光面爆破周边眼５４５４２７钻孔数量／个其他炮眼８３８３８３合计１３７１３７１１０‘单位炸药消耗／（ｋｇ・ｍ３）１．１９１．０４０．９０最小循环进尺２．９３３．０７３．３０循环进尺／ｍ最大循环进尺３．３３３．４０３．４２平均循环进尺３．０２３．２８３．３５钻孔２４８２３８１９７装药３７６９３２循环时间／ｒａｉｎ通风３９２０２３出渣２５７２４１２３７粉尘浓度ＰＭ２．５／（斗ｇ・ｍ。３）６５８３１８３０９炮眼残痕率／％３５．６９０９６最大超挖／ｍｍ２５０２０８１６５０～４０２６．３４０．２４３．７—４０８０３９．８４２．３４４．５炮渣级配／％８０～１２０２９．８１５．６１０．３１２０以上４．１１．９１．５抛石距离／ｍ２４．２１５．８１５．３渣堆高度／ｍ３．７４．４４．５（１）提高生产效率。聚能水压光面爆破因造孔数量少，炮渣级配均匀，能大大缩短钻孑Ｌ及出渣时间，经统计采用聚能水压光面爆破每循环用时较水压光面爆破、普通光面爆破分别缩短７４ｍｉｎ、９２ｍｉｎ。聚能水压光面爆破能极大的节约人工成本，提高生产效率，加快施工进度。（２）节省爆破材料。聚能爆破、水压爆破均可提高炸药能量利用率，而聚能水压光面爆破将两者有机结合，周边眼造孔数量可减少一半，因此炸药、雷管、导爆索等均可节省（见表３）。如考虑聚能水压光面爆破能大大提高循环进尺，则节省材料成本优势更为明显。（３）节省支护材料。因聚能水压光面爆破对周边围岩扰动破坏极小，超欠挖控制较好；且开挖轮１７０铁道建筑技术廓圆顺，能节省初期支护喷射混凝土及二次衬砌混凝土的超耗１５％～２０％左右。表３每循环周边眼爆破材料经济效果分析常规光面爆破水压光面爆破聚能水压项目单价光面爆破消耗量合价消耗量合价消耗量合价钻形ｍ１２．３３１８２２２４４．０６１８２２２４４．０６９４．５１１６５．１９炸药／ｋｇ８．９３７．４４３３３．２２３７．４４３３３．２２１６．２１４４．１８雷管／发１．７５５２９１．００５２９１．００２７４７．２５导爆索／ｍ２．７９２３４６５２．８６２３４６５２．８６７０．２１９５．８６炮泥、水袋／眼１．８３５２９５．１６２７４９．４１聚能管／ｍ６．５６７．５４３８．７５合计３３２１．１４３４１６．３２０４０．６４５结论通过理论分析及现场对比试验证明，聚能水压光面爆破技术兼具聚能爆破、水压爆破及光面爆破三项技术的优点，在提高炸药能量利用率、提高循环进尺、降低粉尘浓度保护作业人员健康的前提下，实现了定向断裂爆破，减少对周边围岩的振动，取得了较好的爆破效果和经济效益，具有较高的推广应用价值。参考文献［１］何满潮，曹伍富，单仁亮，等．双向聚能拉伸爆破新技—术［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３（１２）：２０４７２０５１．［２］谢飞鸿．断裂爆破技术在洞室开挖工程中的应用［Ｊ］．—兰州铁道学院学报，２００２（３）：９６９８．［３］王成虎，何满潮，王树理．双向聚能拉伸爆破新技术在—节理岩体中应用［Ｊ］．爆破，２００４（２）：３９４２．［４］江杰才，崔建井．聚能管在光面爆破中的应用［Ｊ］．煤—炭技术，２００１（１０）：１８１９．［５］何满潮，曹伍富，王树理．双向聚能拉伸爆破及其在硐室—成型爆破中的应用［Ｊ］．安全与环境学报，２００４（１）：８１１．［６］何广沂，徐凤奎，荆山，等．节能环保工程爆破［Ｍ］．—北京：中国铁道出版社，２００７：９３９４．［７］刘海波，白宗河，刘学攀，等．隧道掘进聚能水压光面爆破—新技术与应用［Ｊ］．工程爆破，２０１７，２３（１）：８１８４．［８］张卫国．水压爆破技术在隧道掘进施工中的应用［Ｊ］．石—家庄铁道大学学报（自然科学版），２０１３，２６（２）：４６５０．［９］贾广发．聚能定向断裂爆破技术在巷道掘进中的试验—及应用［Ｊ］．建并技术，２００４（５）：１３１４．［１０］张文江，李瑞璞，王义和，等．聚能管爆破技术在岩巷—掘进中的应用［Ｊ］．煤炭技术，２００５（７）：３６３７．［１１］李海港，齐宏，张蔚博．水压爆破在隧道施工中的应用—［Ｊ］．公路，２０１６，６１（６）：２８０２８３．［１２］任震，程五一，刘敦华，等．封堵灵一水压复合爆破在隧道—施工中的应用［Ｊ］．工程爆破，２０１５，２１（４）：５８６２．ＲＡｉｌ＿ＷＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣＴｔＯＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１８｛增２ｌ万方数据