聚能水压爆破控制技术在城市地铁中的应用

邹瑾

摘要：聚能水压爆破技术经实际应用，突破常规光面爆破炮眼间距40-50cm的界限，可达100cm，光爆炮眼数量可以减少50%，缩短打眼时间，加快施工进度。本文对聚能水压爆破控制技术进行了概述，并通过列举工程实例对该技术在城市地铁施工中的运用情况展开了分析，以期为关注这一话题的人们提供参考。

Abstract： After practical application， shaped hydraulic blasting technology breaks through the limit of 40-50cm interval of conventional blasting， reaching 100cm， and it can reduce the number of blasting holes by 50%， shorten the drilling time and speed up the construction progress. In this paper， the shaped hydraulic blasting control technology is introduced， and the application of the technology in urban metro construction is analyzed by enumerating the engineering examples， with a view to provide a reference for people concerned with this topic.

关键词：城市地铁；聚能爆破；水压爆破；控制技术

Key words： urban subway；shaped blasting；hydraulic blasting；control technology

中图分类号：TU751.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0134-03

0 引言

在城市地铁工程施工的过程中，经常面对区间隧道上方存在各种管线，周边环境复杂，爆破难度及风险巨大的情况。常规爆破振速、噪音、开挖效果等指标难以满足绿色施工要求，水压爆破技术的应用基本解决了上述问题。针对华南地区花岗岩强度高，围岩性质变化快的特性研究应用聚能管水压爆破技术，取得了理想效果，具有较高的参考价值。

1 聚能水压爆破控制技术概述

同常规光面爆破药卷的间隔装药不同，该项新技术采用“聚能管装置”和水袋，并在炮眼中一定部位放置水袋，最后用炮泥回填的新型装填结构。这种新型装填结构，除具有常规光面爆破所具有的应力波和气体准静态作用外，还增添了高温高压聚能效应和“水楔效应”作用，从而解决了常规光爆存在周边眼布设过密的难题。采用这项新技术，周边眼炮眼间距可达100cm，突破了常规光面爆破炮眼间距40-50cm的界限，光爆炮眼数量减少50%，同时，减少了对围岩的扰动。聚能管装置中的装药直径相对标准直径32mm药卷小，炮眼不耦合系数大，对围岩破坏作用小，较好的控制了超挖。

2 聚能水压爆破控制技術在城市地铁施工中的运用情况

2.1 工程概况

广州地铁十三号线施工五标土建工程为夏园站～南岗站盾构区间工程，区间中部共计约1320m隧道穿越混合花岗岩强、中、微风化带，该段地层受瘦狗岭断裂和萝岗断裂对冲影响，区域地层节理发育清晰，局部岩层强度差别大。地下水平均埋深2.4m，具有一定的承压性。矿山法隧道周边分布有商场、八十七中学、人行天桥等众多建、构筑物，区间隧道上方有燃气、供水等管线，周边环境复杂，施工难度及施工风险巨大。

2.2 聚能水压爆破施工

2.2.1 研究背景

①现有城市地铁爆破工艺分析。

现有常规和水压爆破原理采用的光爆参数：孔距为a=8-18D，D为钻孔直径，预裂爆破参数：a=8-12D，钻孔密度大，采用不耦合装药。

光爆、水压爆破，爆炸产物对岩石的冲击波和应力波，冲击波在孔壁附近形成细小裂缝，应力波在距离较近炮孔连线两侧应力叠加，拉力超过岩石强度形成裂缝。随后爆破气体、水气混合物的膨胀产生准静态应力，在炮孔连线两侧都是拉应力区，产生足以拉断岩石强度的拉力；高压气体、水气混合物深入缝隙，尖端产生气刃效应和水压效应，爆炸气体和水气混合物不仅能形成贯通缝，还可以使裂缝有一定宽度。仅有爆破气体和水气混合物也能使岩石断裂，所以爆破气体和水气混合物在光面预裂爆破和水压光面爆破中起主导作用。

②目前城市地铁爆破工艺的缺陷。

在目前的城市地铁爆破施工中，掏槽孔一般采用楔形掏槽，掏槽孔有三排，分别：第一排是掏槽、二、三排为扩槽孔，孔距根据岩石强度及结构面，孔距取值20-60cm，排距30cm，钻孔密集度大，造孔工作量大。

周边光面孔、预裂孔及掏槽孔，钻孔量大，侧墙及仰拱光爆预裂效果差，火工品材料及喷射混凝土量损耗多，爆破震动大。

2.2.2 聚能水压光面爆破技术原理

①聚能装药和聚能爆破原理。

聚能装药和聚能爆破，又称成型装药，是一种利用一端装配有凹金属罩（或PVC罩）的装药结构，在另一端引爆主装药后，爆轰波从药型罩顶部掠至尾部时将药型罩以很大速度向轴向挤压，使罩金属变形并在轴线处形成一股连续高速金属射流的装药方式。目前利用该原理的装药技术是双极线性聚能爆破装药装置，该种双极聚能光面（预裂）爆破孔距一般采用a=18-30D，较现有光面预裂爆破可节省钻孔50%，但这种聚能角为180度的双极线性聚能爆破装药装置，通常只能在边坡和直线轮廓上使用的，且该装置采用的是封闭管，装药程序复杂，需要专用机械，且连接管件和定位件较多，成本较高。

②聚能水压光面爆破技术。

针对目前城市地铁爆破工艺的缺陷和聚能装药装置和材料的不足，本工程开展了对聚能水压光面爆破技术的研究，融合聚能装药原理和水压爆破技术原理，采用柔性材料连接、便于入孔和孔内定位的新型PVC专利聚能管材料，以保证侧墙及仰拱光面孔的径向不耦合装药，同时利用水袋进行轴向的耦合装药爆破，利用水的不可压缩性传递爆轰波，同时调整的PVC塑料射流虽没有金属材料速度高、切割能力强，但PVC射流足以在岩石上切割出裂缝，PVC聚能管还能多产生60%以上爆破气体，在炮孔内的高压爆破气体准应力及气体和水分子的压力作用下，根据爆破应力集中现象，在聚能角中心线方向上的岩石被拉断，相邻炮孔连线上形成贯通缝隙，实现能量的高效利用。聚能管装药实物图见图1。

2.2.3 聚能水压光面爆破研发情况

经过几次局部试验后，在2015年5月30日，本工程在2#临时竖井的矿山法隧道中进行了第一次的全断面聚能水压光面爆破试验，在本次试验中采用的是双W型利用柔性材料绑扎的半壁PVC管来作为乳化炸药的装药装置，炸药通过胶枪进行人工填充，单次上台阶爆破所需炸药用时2个小时在地面填充完成。

①聚能水压爆破参数。

在本工程经过局部试爆调整后的全断面聚能水压爆破研发试验中，采用的爆破炮孔孔径、孔深与后期水压爆破参数相同，即掏槽孔深2.5m，周边孔深2.2m，炮孔孔径42mm，但周边孔间距由500mm调整为800mm，底板一排孔间距800mm。掏槽孔共布置两排共计6孔，水平间距1200mm。掏槽孔两侧布置三排共11个辅助孔。上台阶炮孔布置图见图2。

结合本工程水压爆破实践和该地区实际<9z>混合花岗岩特性，考虑到施工安全性和便利性，本工程将爆破周边孔深维持2.2m，掏槽孔深度2.5m。采用连续装药结构，两种孔深炮孔装药结构见图3。

B型断面矿山法隧道聚能管水压爆破平均用药量为1.13kg/m3。

②水袋制作。

水压爆破所使用的水袋加工质量要求标准是单个水袋重量不得低于192g，实际加工的水袋重量平均约202g，电源调节温度到210℃左右。

③炮泥加工制作。

炮泥原料采用土、砂和水。土以粘土为宜，砂为细砂，以河砂为好，对水无特殊要求。

炮泥宜在使用前2h-3h制作炮泥，以免时间过长，炮泥失水变硬。加工时按照土：砂：水=0.75：0.10：0.15搅和均匀（华南地区可选用<2-4>粉质粘土以5：1比例与水混合），放入炮泥机料斗，加工的炮泥应软硬适中（炮泥过软，捣固时容易把炮泥挤出炮眼口；炮泥过硬，捣固时不易捣固实，影响爆破效果）。

④爆破效果。

采用聚能水压爆破以后，爆破进尺较常规爆破提高了9.8%，单位用药量比常规爆破平均节省炸药24.5%，炮眼利用率提高8.6%，粉尘浓度降低明显，平均块度降低46.2%，炮泥封堵较好时渣堆缩短20%，通风时间缩短36分钟，振动速度降低9.3%。爆破效果对比见表1。

开挖轮廓方面：

在减少炮孔数量、加大炮孔间距后，总体效果接近水压爆破效果，噪音和振速均较为可控；掌子面爆破完成后洞室成形规整、光滑，开挖轮廓线接近设计轮廓线，总体超欠挖情况较好；但在隧道腰线60°局部位置存在炮孔残留、底板部分局部未完全爆开现象，欠挖量约15cm，经过几次调整增加聚能管角度后，可充分爆破。

其后考虑到存在拒爆和欠挖情况，又进行了多次试验，调整了聚能管开口角度和安装角度，增加固定贴片和调整柔性材料，但最后总体来说，试验用药枪装药要先将乳化炸药药卷内炸药取出装入药筒内，药筒装填完毕后再固定在胶枪上，人工手持胶枪将炸药填入聚能管内。该工艺各环节全部采用人员操作，整个装药充填过程较繁琐，效率较低但可与洞内施工同步作业；炸药卷内炸药存在不能完全取出的情况；人工装填聚能管炸药填充不均匀，装填效果差别较大，伴随拒爆情况发生。调整聚能管角度及连接固定方式照片见图4。

对比常规爆破、水压爆破和本工程研发试验过程中的爆破平均振速情况，聚能水压爆破由于单位用药量略大于水压爆破，振速情况也略大于水压爆破情况，而小于常规爆破平均水平。爆破振速对比见图5。

2.2.4 聚能水压爆破设备改良情况

①不可移动小药筒装药情况。

在经过人工利用胶枪将炸药手动压入聚能管存在第性能不稳定和拒爆情况后，装药装置进行了进一步改良，在本工程1#临时井试验时改良为利用不可移动的小药筒对移动半壁管注入装药，并已实现采用气压装药容纳炸药，并采用移动胶枪装药充填的放肆，提高了聚能管的炸药充填质量。

②改良型可移动药筒和胶枪复合式装填。

现改良后装药设备旨在将装药过程实现自动化，主要是，采用启动装置将密封药筒内炸药填入药枪，药枪尾部密封装置与储气罐连接，采用气压将胶枪内炸药压至聚能管内。该过程人员主要在控制加压压力和聚能管装填两个环节进行控制。聚能管装填炸药速度较均匀，效果较好。改良后装药装置照片见图6。

3 结论

总的来说，从聚能水压光面爆破在本工程的试验情况来看，由于广州地铁导爆索使用率较低，考虑到PVC聚能管线装药密度500-550克/米，聚能装药断面面积不小于等效22-25cm乳化圆形炸药截面积，大于乳化炸药的临界直径，传爆效果也比传统爆破要好，因此该技术在本工程应用时周边孔未采用导爆索，导致试验时存在个别孔未完全爆破的情况。但根据本工程地铁施工特点总结了以下工艺要点：在实施过程中，聚能槽方向一定要沿着轮廓线方向放置，同时与此处的圆心半径垂直。在侧墙及仰拱，孔底加强药在靠近保留岩石处采用一条水袋，确保保留岩石面不耦合装药，中部掏槽孔聚能管与水袋配合使用，提高装药高度，能降低大块率，降低振动。总的来说，采用聚能水压光面爆破技术，能提高炸药的能量利用率，改善岩石爆破效果，较好地控制爆破振速，和光爆效果。显著地降低爆破烟尘，节能环保，能產生巨大的社会效益，在复杂地面环境下的城市地铁工程中具有非常重要和深远的应用和推广前景。

参考文献：

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