大断面隧道掘进中炮孔快速堵塞新方法研究①

马春德， 刘泽霖， 王业顺， 龙 珊， 谢伟斌， 赵新浩

（1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙410083； 2.中南大学 高等研究中心，湖南 长沙410083）

地下空间的开挖多采用爆破法，而炮孔堵塞是爆破施工中的重要环节。 炮孔堵塞与否虽然对爆炸冲击波的波峰值影响不大，但对其后爆生气体压力降低速率及其对岩石产生致裂作用的时间影响显著，而炮孔堵塞材料的选择［1-2］、堵塞结构及几何参数［3-10］等对爆破效果都有重要的影响。

近些年来，越来越多的大断面隧道、超大断面隧道成为了工程建设中的控制性工程，安全、快速掘进，成为施工的首要问题。 许多研究使用水泡泥来解决井下爆破降尘和减少炮烟效果不理想的问题［11-12］。

在垂直孔的爆破中，可用岩屑进行堵塞，炮孔堵塞较为容易，但在地下隧道或巷道的非垂直孔施工中，由于炮泥制作复杂、搬运困难且不易保存，实际堵孔工作效果差，或直接不进行堵孔，出现长距离飞石和低进尺情况，无法适应地下空间大断面隧道快速掘进的技术要求。 本文提出了“水炮泥+膨胀泡沫”的组合式炮孔快速堵塞新方法，通过室内实验和现场试验两种方式，来证明该方法的堵塞效果。

1 炮孔快速堵塞结构

炮孔快速堵塞新方法结构示意如图1 所示，主要包括圆柱形水炮泥袋和堵孔用膨胀泡沫两个部分，水袋可为一个或多个，总堵塞长度为l，其中水袋长度为lw，膨胀泡沫堵塞长度lf，实际喷射膨胀泡沫长度lf1，预留膨胀长度la，如式（1）所示。

图1 炮孔快速堵塞结构示意

1.1 柱状水炮泥袋

柱状水炮泥袋如图2 所示，长200 ～300 mm，由袋体、卡喉、卡口栓塞三部分组成。 其中袋体为聚乙烯塑料，不易被划破，外径比炮孔直径略小，卡喉材质为硬质塑料，中间设置注水孔，卡口栓塞实现局部自锁，达到阻水的作用，防止漏水。

图2 水炮泥袋结构示意

1.2 堵孔用膨胀泡沫

堵孔用膨胀泡沫为聚氨酯泡沫填充剂，属湿固化泡沫，正常使用温度为5 ～40 ℃，且湿度越大、固化越快，在湿度较大、温度适中的隧道环境中，快速固化效果极佳。

在隧道爆破中，堵塞长度l＝（16.2～22.7）d（d为钻孔直径，凿岩台车钻孔直径一般为50 mm，l＝1 m），泡沫膨胀剂的膨胀比为1 ∶60～1 ∶80，1.5 L 泡沫膨胀剂膨胀后体积约90 L，凿岩台车打孔每个炮孔所需堵塞体积约2 L，除去水炮泥占去的部分长度lw≈20 ～40 cm，一瓶泡沫膨胀剂就可堵塞近55 ～75 个孔，单个循环全断面爆破2～3 瓶泡沫膨胀剂就可满足堵塞耗材要求。

2 膨胀泡沫堵孔强度测试

爆破试验存在一定困难，而静力学条件下材料的力学性能在一定程度上能表示其动力学条件下的力学特性，因此，本文设计了一个堵孔效果对比实验模型，如图3 所示，用一块平整的长方体砂岩石材（长×宽×高＝400 mm × 200 mm × 100 mm） 模拟地下开采时炮孔周围的围岩体，在其中部钻出一个直径55 mm 的圆孔，用于模拟钻凿的炮孔需要堵塞的部分，孔内可充填不同的堵孔材料。 模型用两组对称的支撑块悬空架起，放置于材料试验机的工作平台上。 用直径55 mm、高度120 mm 的钢柱作为加载头，将试验机施加的荷载传递到堵孔材料上，使其在外力作用下最终与孔内壁完全分开、脱离，同时记录测试过程中堵塞阻力随时间的变化情况，用以比较不同材质的堵孔效果。 堵孔材料选用了新型聚氨膨胀泡沫和传统的黄泥两种，其中膨胀泡沫实验选取了固化时间为5 min 和10 min 两种，实验采用位移加载控制的方式，加载速率统一为10 mm/min，测试结果如图4～5 所示。

图3 试验平台

图4 黄泥、膨胀泡沫堵塞阻力时程曲线

从堵塞效果上来看：固化10 min 的膨胀泡沫堵塞效果较好，黄泥堵塞效果其次，固化5 min 的膨胀泡沫堵塞效果较差。 从阻力峰值来分析，阻力峰值大小依次为P膨胀泡沫（固化10min）＞P黄泥堵塞＞P膨胀泡沫（固化5min）。从阻力变化时程曲线来分析，试验初期黄泥的阻力增长率较大，且随着黄泥不断压缩，阻力略微减小；固化10 min 的膨胀泡沫前期阻力及其增长速率介于黄泥和固化5 min的膨胀泡沫之间，固化5 min 的膨胀泡沫在前期阻力及其增长速率都较小。 从能量变化来看，能量W＝Fvt，加载速度v是恒定值，能量W与力F和时间t的乘积成正比。 在相同的时间进程下，可以看出，在350 s 之前，W黄泥＞W膨胀泡沫（固化10min）＞W膨胀泡沫（固化5min），即黄泥吸收的能量是最大的，而后黄泥达到极限值，开始从孔里掉落；350 s 之后，固化10 min 的膨胀泡沫能量继续增大，超过黄泥，而固化5 min 的膨胀泡沫随着时间增大所吸收的能量一直较小，分析原因，是因为固化5 min的膨胀泡沫尚未完全凝固，未完全完成“柔性”向“刚性”的转化。 从材料的堵塞特征来看，黄泥密度大，空隙小，弹性模量E较大，在压缩过程中能快速通过压密阶段，进入弹性阶段而后进入塑性阶段，而膨胀泡沫密度较小，且含有较多的空隙，压密时长较长，弹性模量E也相对较小，是一种较好的吸能材料，所以能形成更好的堵塞效果。 从实验现象来看，黄泥随着铁柱向下压缩从孔底逐渐被压出，直到完全脱落，而膨胀泡沫能在孔内保持较长时间后才在峰值后从底部冒出。

炸药爆炸后，爆炸所产生的能量及物质要朝着能量低的方向即炮孔口方向扩散，必须克服由堵塞物带来的惯性阻力fi1及其与炮孔壁之间的摩擦阻力或黏性阻力f1，膨胀泡沫材料还有弹性变形阻力P2/（2k），阻塞能量W如式（2）所示。 正是由于上述阻力或黏接力的存在，增加了炸药化学反应的完全程度，得到更充分的爆炸能，使得炮孔内爆炸产生的高压气体作用时间相对延长，应力波作用生成的裂隙在受到高压气体的气楔作用后加速发展，高压气体向裂隙中楔入，提高了破岩效果，减小了岩石的抛掷距离，也降低了空气冲击波强度。

式中P为加在物体上的力；k为材料的刚度，即物体产生单位位移所需的外力；f1为堵塞材料单位长度上与孔壁之间的摩擦力；fi为黄泥的惯性阻力；f2为黏接力；fi2为膨胀泡沫的惯性阻力；l为炮孔堵塞长度。

黄泥等堵塞材料比膨胀泡沫刚度大，仅依靠与孔壁的摩擦力f1和惯性阻力fi1作为堵塞力；而膨胀泡沫柔性好，存在较大的弹性变形阻力P2/（2k），在单位位移内能吸收更多的能量，且与孔壁为黏接力f2比f1大，虽然惯性阻力fi2较fi1小，但惯性阻力所占比重较小，对材料的堵塞性能影响较小。

3 现场施工与效果验证

3.1 工程概况

东天山隧道是新疆维吾尔自治区G575（一级公路）线巴里坤至哈密的控制工程，为双洞分离式隧道，左右线间距30 m，其中隧道左线长11 764 m、右线长11 775 m。 隧道横穿天山山脉，范围内中线高程2 040～3 375 m，隧道开挖断面面积91.7 m2，建筑界限净宽10.25 m，最大跨度12.5 m，净高5.00 m。

3.2 效果对比

本次选择新疆东天山隧道出口段掌子面作为试验地点，进行了黄泥黏土做堵孔材料和水炮泥+阻燃型聚氨酯发泡胶做堵孔材料两类试验来对比不同堵塞方法的效果。

东天山隧道采用全断面一次爆破法，设计循环进尺4.0 m，炮孔总数178 个，采用2 号岩石乳化炸药，1～15 段导爆管雷管跳段起爆，单次药量平均为420 kg，水袋长度20 cm，每个炮孔堵塞2 个水袋，统计了连续5 个循环的装药时长，并在爆破后测量了不同堵塞方式下的循环进尺和炸药单耗，结果见表1。

5 次循环统计结果表明，平均装药时间由原来的2.50 h 减至2.23 h，工作效率提高了10.80%；循环进尺由3.54 m 提高到了3.65 m，平均提高了0.11 m；炸药单耗由原来的1.29 kg/m3降至1.25 kg/m3，延米节省炸药量3.67 kg。 表明水泡泥+膨胀泡沫的堵孔方式减少了装药时间、提高了循环进尺、降低了炸药单耗，比原有的黄泥堵塞方式更为有效。

同时使用CCZ-1000 粉尘浓度检测仪检测爆破后空气中的尘粉浓度，单次采样时间为5 min，采样流量为10 L/min，以黄泥堵塞为标准，统计计算了水泡泥和膨胀泡沫的呼尘相对降尘率η1和全尘相对降尘率η2，结果见表2。 使用KP826 有毒有害气体检测仪监测CO 和H2S 有害气体的含量，鑫思特HT-2000 二氧化碳检测仪监测CO2含量，监测时间为1 h，间隔时间5 min。 隧道为压入式通风，检测位置布置在隧道回风侧，距离掌子面45 m，为掌子面直径的4 倍，高度为1.6 m，为作业人员的呼吸高度。 监测结果见表3。

表2 爆破后粉尘浓度

表3 爆破后空气质量

结果表明：水炮泥+膨胀泡沫堵孔比传统黄泥堵孔的粉尘浓度降低50%以上，隧道内空气质量得到大幅度改善；虽然水泡泥+膨胀泡沫的CO2含量在爆破初期增大了2 580×10-6，但30 min 内达到了隧道内原有含量值2 800×10-6，CO 和H2S 有害气体总量分别减少了24.57%和66.67%。

原因分析如下：乳化炸药产生有毒有害气体的简要反应如式（3）所示，炸药完全反应后产生的CO2上升，相应的CO 降低，而水泡泥很好地吸收了H2S，因此H2S 含量降低。

4 结 论

经过理论分析和室内实验和现场试验，经过对传统的黄泥堵塞炮孔和水泡泥+膨胀泡沫堵塞炮孔进行比较，得到以下结论：

1） 通过实验室测量，得出固化时间长（10 min）的膨胀泡沫峰值强度大于黄泥，为黄泥峰值的119.8%，且堵塞作用时间比黄泥堵塞试件长200 s，总能量高于黄泥堵塞45%。

2） 现场试验证明水泡泥+膨胀泡沫比黄泥更适合于大断面的炮孔堵塞，装药时间降低10.8%，每循环提高了0.11 m 的爆破进尺，炸药单耗下降0.04 kg/m3，增强了爆破效果；呼尘相对降尘效率达到了55.58%，全尘相对降尘效率达到了52.91%，爆后初始CO 和H2S 有害气体总量分别减少24.57%和66.67%，大大改善了空气质量。

3） 水泡泥+膨胀泡沫在工作面附近快速制作使用，制作简单快速，堵孔效果好，降尘降有毒有害气体效果明显，经济效益显著，具有重大的推广应用价值。