4880m特长隧道水楔破岩复合爆破施工技术研究及应用

刘志超

摘要：随着高速公路隧道施工技术的发展，针对大长隧道施工中遇到的爆破烟尘大、施工效率低、炸药单耗高的难题，我们组织研究并应用了一种隧道水楔破岩复合爆破施工技术，此技术在隧道水压爆破的基础上进行了创新及优化，通过采用炮孔快速投影定位装置、挤压式自封口水袋、水袋批量快速充装排管、粘尘试剂水溶液及树脂快凝炮孔封堵材料等新装置、新材料应用于隧道水压爆破施工中，极大提高了爆破开挖施工效率、减少了爆破烟尘的产生、降低了炸药单耗，是隧道爆破开挖施工的新技术新工艺。

Abstract： With the development of highway tunnel construction technology， for the problem encountered in the construction of large tunnel， such as blasting dust， low construction efficiency and high explosive consumption， we have organized and applied a kind of composite blasting technology of tunnel water wedge breaking rock. This technology is innovated and optimized on the basis of tunnel hydraulic blasting， by adopting blast hole rapid projection positioning device， extrusion type self-sealing bag， fast filling pipes， sticky reagent water solution and resin fast setting hole sealing material and other new equipment， new materials into tunnel water pressure blasting construction， it greatly improves the blasting excavation construction efficiency， reduces the generation of blasting dust and reduces the unit consumption of explosives， which is a new technology and new technology for tunnel blasting excavation.

關键词： 隧道水楔破岩;复合爆破;施工技术

Key words： tunnel water wedge breaking rock;composite blasting;construction technology

中图分类号：U455.41 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）07-0147-03

0 引言

重庆江习高速公路四面山特长隧道为分离式和一般小净距组合式隧道，双向四车道，全长4880m。隧道穿越地层为砂岩、泥岩护层，围岩差，主要为Ⅳ级和Ⅴ级围岩，Ⅴ级为43%，Ⅳ级为57%。隧道起止桩号：左线LZK0+200～LZK5+080，长4880m，右线LYK0+202～LYK5+077.35，长4875.35m，四面山特长隧道采取钻爆法进行开挖，开挖采用双向单头掘进，最大单洞进深达2.8km。

1 工程特点及难点

四面山特长隧道工程采取钻爆法掘进施工，粉尘、有毒烟气生成量较大;同时四面山隧道进口属于上坡施工，其施工工况造成该隧道通风排尘难度加大，隧道内的施工环境较差。由风机至作业人员到达掌子面开始施工花费时间多达1.5～3h。随着隧道不断掘进深入，施工通风难度进一步加大，132kW×2的轴流风机持续通风下仍难以有效除尘，严重影响隧道内施工作业人员健康。

隧道施工作业流程产尘较多的环节是掘爆。这些爆破粉尘对施工人员身体造成的危害极大，设法降低隧道粉尘浓度需在掘爆作业过程中采取多项技术措施。

2 技术设计路线、原理及特点

技术设计路线：隧道水楔破岩复合爆破施工技术，在爆破施工的各个环节进行工艺创新和改变，在基于传统隧道爆破及隧道水压爆破的基础上进一步优化和改善。

技术原理：在水压爆破技术的基础上，将掺有0.5%浓度的粘尘试剂水溶液，通过一种排管装置批量注入至一种挤压式自封口爆破水袋，批量形成爆破水卷。在不改变原有爆破参数的情况下，在每个炮孔内按特定的爆破装药结构塞入水卷，并在爆破孔口采用一种快凝树脂封堵剂进行封堵。在水中传播的冲击波对水的不可压缩，爆炸能量无损失地经过水传递到炮孔的围岩裂隙，这种无能量损失的应力波十分有利于岩石破碎，达到在不降低爆破效果的基础上，减少炸药的单耗;同时孔内爆破后抨击的介质水体使掌子面雾化，水膜包裹岩石，从源头阻止爆破粉尘产生，达到降尘改善施工作业环境。

技术特点：采用了一种炮孔投影技术准确快速的将掌子面爆破孔进行精确定位;研制应用一种排管注水装置批量灌注一种挤压式自封口爆破水袋，使得爆破水袋装填更加饱满圆润且极大的提高了装填爆破水袋的效率;通过在灌注水源溶液加入一种粘尘试剂水溶液，提高爆破水雾与粉尘的结合率，进一步降低粉尘的产生量;再采用一种树脂类的快凝封堵剂进行炮孔封堵，极大减少爆破能量的损失，提高爆破效果降低炸药单耗。endprint

3 爆破装置的研制及新材料应用

3.1 掌子面爆破孔快速定位装置的研发

根据需要设计一种快速定位隧道掌子面炮孔位置的装置，如图1所示。隧道施工过程中，通过隧道内现有导向点确定爆破定位装置的位置，通过已知的基面高程位置调整定位装置的支架高度，并通过定位装置的下部红外垂线仪器确定仪器精确位置，然后通过观测圆形气泡和条形气泡，调动调平螺栓进行粗调平和精调平，达到投影高度和方向的精确。然后根据不同的围岩类别选择不同的爆破图幻灯片，通过该仪器强红光投影光斑至掌子面，达到炮孔定位的目的。通过采用此掌子面爆破孔位投影定位装置能快速将方案的爆破图投影至掌子面，同时根据不同围岩选用不同的爆破图进行投影，极大提高了爆破参数的合理性和方案的指导性，同时也节约了爆破孔位放点时间。

该装置结构简单、可操性强、提高功效、造价低廉。采用此投影投影装置可在极短的时间内将隧道掌子面的炮孔位置精准定位，节约了施工时间;根据隧道不同地质围岩，极快切换不同的爆破图幻灯片，不同围岩的爆破参数及孔位直接通过更换幻灯片即可直接投影定孔。

3.2 挤压式自封口爆破水袋的研发

根据需要设计一种挤压式自封口爆破水袋，如图2所示。按一定的爆破装药结构向爆破孔内塞入满装液体的条形水袋，通过爆破雾化和孔内二次抨击，提高爆破效率及排烟降尘的作用。此爆破水袋采用聚乙烯类材料，同时结构设计需将孔口进行内反包，以通过在水袋袋口位置设置两个收窄口，在水袋充水过程中将水反向挤压至孔口反包层中，水袋充水越多，压力越大，孔口反包层内挤入的水越多，袋口通过挤压收缩更紧，达到水袋储水和自动封口的效果。

采用此自動挤压式封口水袋，省去了水袋封口机及人工封口工序，提高了爆破水袋的生产效率;常规人工装水袋后需进行机械封口，封口后水袋内必然存在一定的未充满的空间，导致爆破水袋不够饱满、圆润，影响使用效果，而通过采用挤压式封口水袋，充水越多水压越大，水袋越饱满封口越紧致，更加利于塞入圆形的爆破孔中，装填更加容易。

3.3 爆破水袋批量快速注水装置的研制

根据需要设计一种水袋批量快速注水装置，如图3所示。设计将注水主管接引至自来水管口，连接好各主支管并将水袋注水针分别依次插入爆破水袋，爆破水袋均匀间隔并平放在平台上，开启主水管球阀注入水液，水液均衡的进入各个爆破水袋中，根据注水的均匀程度，适当调节各注水针的启闭开关，达到均衡进水的效果，待水液注满水袋后，作业人员轻拍挤压各个水袋，使得水液充分反压进入水袋紧缩反包层中，达到水袋满装蓄水并自封口的效果。

该装置具有结构简单、可操性强、提高功效、携带方便、造价低廉等优点。采用此批量注水装置，可明显提高爆破水袋的装填效率，在施工现场即可完成装填，边装填水袋边炮孔装填，节约时间，减少了水袋的破损。

3.4 粘尘试剂水溶液的应用

经过调查论证，选取了一种简单易得的粘尘试剂水溶液，其主要成分为十二烷基苯磺酸钠。根据实验发现在水体中按0.5%的掺量效果最好。该活性剂加入水中到完全溶解需要4h 左右时间，通过搅拌可以加速溶解过程，但会产生较多泡沫。为避免制作过程因表面活性剂未充分溶解，应提前进行溶液配置，搅拌后静置足够时间备用。

添加表面活性剂的水楔破岩复合爆破方式主要不同即水袋制作过程中通过向制作水袋的设备水源加入复配表面活性剂，使成品水袋中的水溶液均具备了较低的表面张力和较好的润湿性能。

3.5 炮孔快凝封堵材料的应用

很多爆破工程往往不封堵，而通过加大炸药量来实现预期的爆破效果，存在安全隐患同时增加了成本。本课题采用一种快凝树脂锚固材料（Z2360）进行炮孔封堵，可减少爆破能量损失，提高爆破效果。专用不饱和聚酯树脂与大理石粉，促进剂和辅料，按一定比例配制而成的胶泥状粘接材料，用专用聚酯薄膜将胶泥与固化剂分割呈双组分包装药卷状。

4 隧道水楔破岩复合爆破施工方案

隧道水楔破岩复合爆破，即在原常规爆破的基础上改变炮眼内部炸药装填结构及孔口封堵材料，利用爆破粉尘黏剂水雾化作用和孔口高效填塞封堵作用，增强爆破力碎岩效果，同时降低粉尘浓度。四面山特长隧道采用水楔破岩复合爆破施工技术，具体工艺流程如图4。

根据现场工程实践情况统计：

主爆孔炮眼装填物各段控制长度：炮孔总长为L，炮孔孔底水袋长L1，炸药药卷全长L2，炮孔药卷与树脂快凝封堵材料中间水袋长L3，封堵灵长L4，其关系式为L=L1+L2+L3+L4;水楔破岩复合爆破填药量为常规爆破填药量的80%～85%。

周边爆孔炮眼装填物各段控制长度：炮孔总长为L，炮孔孔底水袋长L1，药卷全长L2+L4+L6，炸药与炸药间隔装填水袋为L3+L5，树脂封堵材料长L7，其关系为L=L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7，水楔破岩复合爆破填药量周边孔装药量与传统炸药装药量相同，只是在其炸药间隔部位装填了水袋，提高破岩效果及水雾化降尘效果。

5 爆破试验成果对比分析

隧道主要以四级围岩为主，选择断面形式为S4b，断面面积为92.53m2洞段作为实验及应用段。传统常规爆破采取楔形掏槽，全断面钻孔炮孔数量为133个，其中掏槽孔钻孔深度为4.9m，周边孔及主爆孔钻孔深度为3.8m。单循环总计装药量为312.8kg，各种炮孔深度、装药量等参数见表1。endprint

为对比分析常规爆破、水压爆破及水楔破岩复合爆破爆破效果，分别对此三种爆破方式进行了实验及效果分析，其成果分析如下：

5.1 常规爆破

常规爆破数据采集点为四面山特长隧道进口左洞，采集爆破循环数为10个，里程桩号LZK1+100～LZK1+134，累计爆破进尺约34m，每个爆破循环的钻孔深度3.8m，实际爆破循环进尺3.2～3.35m，平均循环进尺3.27m。记录爆破效果分析数据。

5.2 水压爆破

水压爆破数据采集点为四面山特长隧道进口右洞，采集爆破循环数为10个，里程桩号LYK1+100～LYK1+135，累計爆破进尺约35m，每个爆破循环的钻孔深度3.8m，实际爆破循环进尺3.2～3.6m，平均循环进尺3.47m。记录爆破效果分析数据。

5.3 水楔破岩复合爆破

水楔破岩复合爆破数据采集点为四面山特长隧道进口左洞，采集爆破循环数为10个，里程桩号LZK1+135～LZK1+171.5，累计爆破进尺约36.5m，每个爆破循环的钻孔深度3.8m，实际爆破循环进尺3.59～3.70m，平均循环进尺3.65m。记录爆破效果分析数据。

5.4 三种爆破工艺效果对比及经济效益分析

三种爆破数据统计汇总结果如表2所示。

①炸药消耗及经济效益分析。水压爆破较常规爆破炸药单耗节约0.1kg/m3，则4880m的四面山特长隧道开挖方量为96.12万方，节约炸药96.117t，按重庆当地炸药单价1.9万元/t计算，节约炸药费用182.62万元;水楔破岩复合爆破较常规爆破节约单耗0.16kg/m3，节约炸药费用292.20万元。

②爆破循环时间及经济效益分析。常规爆破单个爆破循环时间为555.4min，水压爆破为540.4min，水楔破岩复合爆破为531.5min。相比较而言主要为通风时间的变化，水压爆破较常规爆破通风时间节省41.04%，水楔破岩复合爆破较常规爆破通风时间节省64.16%。按当地电费1元/kW·h，则4880m的四面山特长隧道采用水压爆破将节约通风费用14.78万元，水楔破岩复合爆破将节约通风费用23.4万元。

③PM2.5粉尘浓度分析。水压爆破每个爆破循环用水袋数量为430～500个，水楔破岩复合爆破使用数量与其相同，通过在水袋水溶液中掺入10%含量的水溶液表面活性剂，极大的提高了爆破雾化液体与粉尘的结合度。水压爆破较常规爆破有害粉尘浓度降低50.23%，水楔破岩复合爆破较常规爆破害粉尘浓度降低66.54%。

④开挖轮廊线质量控制分析。爆破开挖炮孔残留率是衡量开挖质量的一个重要指标，由表2数据分析，水压爆破较常规爆破炮孔残留率提高97.49%，水楔破岩复合爆破较常规爆破炮孔残留率提高111.08%，隧道开挖质量明显提高。

⑤炮渣粒径集中度分析。在0～40cm，40～80cm粒径区间的炮渣集中度分析，水楔破岩复合式爆破为88.7%，水压爆破为78.7%，常规爆破为65.4%，水楔破岩复合式爆破的小粒径集中度较高，大粒径数量较少。小粒径集中度越高挖装运难度越小、时间越省。

⑥循环进尺分析。在同质岩石、同样孔深的情况下，3.8m爆破孔深，常规爆破平均爆破循环进尺为3.3m，水压爆破采用炮泥封堵平均爆破循环进尺为3.5m，水楔破岩复合式爆破采用树脂快凝材料进行封堵平均爆破循环进尺为3.6m。采用树脂快凝材料封堵炮孔的水楔破岩复合式爆破循环进尺最大，且较常规爆破循环进尺增长7.9%。

⑦爆破震动分析。通过现场爆破震动监测，在隧道距离掌子面30m位置测出最大爆破震速，常规爆破Vmax为2.7cm/s，水压爆破Vmax为1.0cm/s，水楔破岩爆破Vmax为0.9cm/s，可以得出水楔破岩震动明显较常规爆破震动影响更小，对山体的扰动更小，缓冲时间更长。

6 结论

隧道水楔破岩复合爆破施工技术，降低了隧道爆破大半尘埃，缩短了传统通风约一半时间，炸药单耗降低了0.1kg/m3以上，减小了爆破对隧道围岩的扰动。其提高了隧道的施工效率，减少了循环工序时间，提高了隧道施工环境质量，节约了施工成本、提前了施工工期。该施工技术使用方便，作业人员容易掌握，该技术成熟、可靠，为高速公路隧道爆破开挖降尘、降耗施工提供了宝贵经验，值得在同类工程中推广应用。

参考文献：

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[2]蒋仲安，王伟.降低爆破烟尘的降尘剂配方的实验研究[J].煤炭学报，2011，36（10）：1720-1724.

[3]任震，程五一，刘敦华，等.封堵灵-水压复合爆破在隧道施工中应用[J].工程爆破，2015，21（4）：58-62.endprint