隧道水压爆破施工技术

杨七正

(中铁十七局集团第五工程有限公司，山西太原 030032)

水压爆破对施工技术管理有较高的要求，比常规爆破增加炮泥和水袋加工及装填两道工序，但采用水压爆破施工方法可以有效降低炸药单耗，提高炮孔利用率，增加循环进尺速度，减少通风排尘时间，提高空气质量，改善施工环境。

1 工程概况

新建铁路张唐线杨木栅子隧道全长5 627.5 m，最大埋深320 m，设计为双线隧道，断面尺寸为:Ⅱ级，Ⅲ级围岩分别为83.362 m2和94.92 m2。该隧道出口洞身掘进，Ⅱ级，Ⅲ级围岩采用全断面法施工;Ⅳ级，Ⅴ级围岩采用台阶法施工，爆破方法采用水压爆破。

2 爆破设计

2.1 爆破器材选用

根据施工中常用爆破器材的种类结合本地火工品库存情况，选用以下爆破器材。1)瞬发非电毫秒雷管、导爆管连接、击发枪起爆。2)1，3，5，7，9，11，13 段非电毫秒雷管。3)岩石硝铵膨化炸药、岩石粉状乳化炸药，炸药规格22 cm×φ32 mm，200 g/管。4)导爆索、导爆管起爆、网路连接或光面爆破。

2.2 光爆孔参数确定

1)周边眼间距E。当爆孔孔径D=42 mm时，周边孔间距E=(10～16)D，Ⅱ级，Ⅲ级围岩周边眼的间距取:40 cm～55 cm。周边眼要根据围岩的软硬程度进行适当调整，软岩要加密，不同围岩级别相应增加8个～10个炮孔。2)光爆层厚度W。根据经验确定，光爆层厚度W=0.5 m～0.8 m，Ⅱ级，Ⅲ级围岩 W=55 cm。3)密集系数K。周边眼密集系数是周边眼间距E与光爆层厚度W的比值，是影响爆破效果的重要因素，K=E/W(K=0.8)。4)孔深 L。Ⅱ级，Ⅲ级围岩每循环进尺深度:L=0.5×B ×0.9%=0.5×10×0.9%=4.5 m(隧道宽度 B=10 m)。根据围岩软硬程度，Ⅱ级，Ⅲ级围岩每循环钻孔取值:掏槽眼(抽芯眼)深度取4.5 m，底板眼深度取5.0 m，辅助眼深度取4.0 m，周边眼深度取3.8 m。5)装药量Q。它取决于岩性、断面积、炮孔直径和炮孔深度等多种因素，q=1.2 kg/m3。

2.3 掘进孔参数确定

1)掏槽眼:掏槽眼采用楔形24个炮孔，单孔装药量取2.8 kg。2)开挖断面炮孔数量N的确定:炮孔数量N取决于掘进断面面积、岩石性能和炸药性能。根据公式N=0.001 2qS/ad2计算出掌子面开挖所需的炮孔个数。3)单耗:根据经验确定，Ⅱ级，Ⅲ级围岩断面开挖取0.5 kg/m3～1.94 kg/m3。杨木栅子隧道出口Ⅱ级，Ⅲ级围岩断面开挖单耗取0.5 kg/m3。4)装药结构:周边眼装药采用径向不耦合间隔装药结构，间隔药卷采用导爆索串联后连接导爆管再连接到起爆网路中。5)水压爆破，炮孔底部药量由水袋代替，除掏槽孔外所有炮孔要比设计少装一管(160 g～200 g)炸药。

2.4 堵塞长度

周边孔、掘进孔和掏槽孔等炮孔按照设计的单孔装药量装好炸药后装入4节水袋再填塞炮泥封口。

2.5 起爆方法及顺序

1)起爆方法:隧道爆破从掏槽眼到辅助眼至周边眼，采用多段微差毫秒雷管起爆由里向外起爆，其中周边眼比辅助眼要跳2段，间隔时间为25 ms～100 ms，且用同一段雷管同时起爆。2)起爆顺序(采用全断面开挖时):掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼。

2.6 Ⅳ级，Ⅴ级围岩爆破设计

以杨木栅子隧道出口为例，该隧道Ⅳ级，Ⅴ级围岩掌子面开挖断面分别为99 m2和102 m2，Ⅳ级，Ⅴ级围岩采用台阶法施工。爆破参数设计时，根据围岩的软硬程度、开挖面积，首先考虑的是炮孔间距，尤其是周边孔的间距。再者就是炸药单耗、炮孔深度及辅助炮孔的个数，其他参数和Ⅱ级，Ⅲ级围岩基本相同。根据经验确定，周边孔间距一般取35 cm～45 cm。炮孔深度是根据铁道部铁建设［120］号文件规定，进尺不超过一榀拱架的间距，即孔深为2.0 cm～2.7 m。掘进炮孔个数，根据开挖面积按上述公式计算确定，围岩软弱程度不同，可适当增减炮孔个数。单孔装药量，取炸药单耗最小值计算。钻孔方法、装药结构、填堵工艺、敷设网络连接及起爆方法与Ⅱ级，Ⅲ级围岩相同。水压爆破同样适用于Ⅳ级，Ⅴ级围岩隧道，施工方法相同。

3 水压爆破施工工艺

3.1 炮泥及水袋制作

机具:炮泥机，KPS-60型塑袋灌装封口机。材料:普通黄土，φ35 mm水袋，保鲜膜。制作流程:1)炮泥制作:黄土过筛，去掉粗颗粒及杂质，给筛过的黄土洒水，保存黄土的湿度，这一步叫培土。将黄土放入炮泥机内充分搅拌，搅拌均匀后开始制作炮泥，制作出来的炮泥不能有裂口及裂纹，然后用保鲜膜包装好，保持炮泥的湿度(也可不用保鲜膜)，每管炮泥长度取20 m，直径为35 mm。2)水袋制作:将一组(3个)空水袋插入塑袋灌装封口机水口处，开启电源按钮，水袋自动装水封口，水袋制作完成。

3.2 水袋、炸药、炮泥装填方法及顺序

炮孔按设计孔网参数及深度钻好后，首先清除各炮孔内的残渣，装填前一定要把孔内的残渣清除干净，否则水袋容易被孔内残渣破损。清孔后，先将炮孔内放入1节水袋垫底(约15 cm)，然后根据设计的单孔装药量装填炸药，炸药装好后，再装填4节水袋(60 cm)，最后装填炮泥堵塞封口。水压爆破装药结构图见图1。

图1 水压爆破装药结构图（单位：cm）

3.3 现场经验小结

周边孔，钻孔深度3.8 m，单孔装炸药0.7 kg，孔底先装1节水袋垫底后装炸药，采用间隔装药结构，装药分别为0.5管—1管—1管—1管(3.5管)，炸药间隔长度60 cm～80 cm，装好炸药后再连续装入4节水袋，最后填塞炮泥至孔口，用木杆捣实堵紧炮泥。掏槽孔，孔深4.8 m，单孔装药2.6 kg～2.8 kg，采用连续装药结构。1节水袋垫底后装炸药，装药长度2.86 m～3.08 m(13管—14管)，再连续装入4节水袋后填堵炮泥至孔口，用木杆捣实堵紧炮泥。辅助孔，孔深4.5 m，单孔装药1.2 kg，采用连续装药结构。炮孔内先装入1节水袋后再连续装炸药，装药长度1.32 m(6管)，再装入4节水袋后堵装炮泥至孔口，用木棍堵紧炮泥。掏槽孔、辅助孔等炮孔装药堵塞时，一定要注意填塞密实。各炮孔装药量要视围岩的软硬程度进行适量调整，软岩减少，硬岩增加。周边孔间隔装药要均匀。炸药采用规格为22 cm×φ32 mm，200 g/管的岩石粉状乳化炸药。

4 水压爆破施工特点

1)水压爆破的技术原理是利用水介质传递炸药的爆炸能量，破坏孔内岩层。2)采用水压爆破，开挖布孔与常规爆破钻孔一样，周边眼间距取:40 cm～60 cm，其他掏槽眼、底板眼、辅助眼按正常设计钻孔。3)隧道掘进水压爆破技术采取炮孔充填水袋，并用炮泥回填堵塞，提高了炸药能量利用率，改善了爆破对环境的影响，具有可操作性，实现了爆破技术工艺的创新，改善了爆破效果，节约炸药达17%，提高了经济效益，同时，由于炮孔中的水在爆炸作用下的雾化降尘作用，隧道工作面粉尘浓度比常规爆破降低了42.5%，表明显著降低了爆破对环境的粉尘污染，具有良好的社会效益。4)水压爆破炮泥及水袋生产简单易行，生产成本也很低，每个隧道口，只需1台炮泥机及1台塑袋灌装封口机和1个工人操作即可满足生产需求。5)水压爆破具有“三提高一保护”的显著作用，即提高了炸药能量利用率、提高了施工效率、提高了经济效益和保护了环境。

5 效益分析

水压爆破与常规爆破相比，更具有显著的“三提高一保护”的作用:实际单位用药量降低了21.4%;每循环掘进深度增加了0.4 m，即:常规爆破11个循环累计进尺仅相当于水压爆破10个循环的进尺，具有较高的经济效益及更好的保护环境，降尘效果最为明显。1)排烟降尘。降尘效果最明显，水袋受到炸药的爆炸后形成水汽，把灰尘颗粒附着，灰尘不易飞扬，可节省通风时间。2)节省炸药费用。采用水压爆破技术，单位用药量可降低21.4%。3)提高施工效率。采用水压爆破技术，提高了炮孔利用率和施工效率。每循环掘进深度增加了0.4 m。4)降低爆渣大块率。由于使用水袋垫底，炮泥封口后，爆炸力充分显现，且爆炸力更均匀，使得围岩受力也更加均匀，不易形成大颗粒的渣，降低了爆渣大块率。5)缩短了出渣时间。缩短了出渣时间，普通爆破后出渣时间为6 h～8 h，采用水压爆破出渣时间为3 h～4 h，可节省出渣时间1倍以上。6)提高了循环进尺速度。由于缩短了出渣时间和降低了通风时间，增加了钻爆时间，故提高了循环进尺速度，每天可保证两个循环进尺，每月可增加5个～6个循环进尺。7)提高了隧道弃渣的利用率。采用水压爆破后，爆渣粒径基本都在40 cm～50 cm以下，75%以上爆渣能满足路基填筑粒径要求，提高了隧道弃渣的利用率。8)提高光爆效果。采用水压爆破技术，周边孔爆破后的半孔壁残留率可达98%以上，且孔壁围岩稳定。

6 结语

水压爆破与以往普通爆破开挖法相比，具有显著的“三提高一保护”的作用，即提高了炸药能量利用率、提高了施工效率、提高了经济效益和保护环境，实属一项“节能环保”型爆破技术。