水介质换能爆破在大盘山隧道施工中的应用

2020-10-26张文俊上海隧道工程有限公司上海200232

建筑科技 2020年2期

张文俊（上海隧道工程有限公司，上海 200232）

目前，国内公路隧道主要使用钻爆法开挖。普通钻爆法爆破施工存在对隧道围岩扰动破坏较大、影响隧道稳定性及支护质量与成本等问题。为有效解决这些问题，近年来推广使用的水介质换能爆破技术在提高炸药利用率、降低爆破危害、节约爆破成本等方面取得了显著成效[1]。

大盘山隧道为特长硬岩隧道，隧道施工难度大、施工工期长、施工条件艰苦，急需要发展和提升新的隧道快速掘进技术和工艺。对于硬岩特长大隧道而言，高效、大进尺、环境友好型的破岩技术，可大大加快隧道掘进速度、缩短施工工期。为将水介质换能爆破技术成功应用在大盘山隧道日常掘进中，在该隧道车行通道与人行通道进行了水介质换能爆破试验研究。

1 工程概况

1.1 工程简述

杭绍台高速公路工程全长 162.0 km，途经绍兴、金华、台州，其中上海隧道工程有限公司承建大盘山隧道是杭绍台高速公路工程台州段的控制性工程，全长 8.6 km，绍兴段长 1.7 km，台州段长 6.9 km。大盘山隧道地处会稽山脉、大盘山脉和大雷山脉，沿线山峦起伏，地质结构复杂，构造强烈。穿越 8 处断层，最大埋深约 580 m。

大盘山隧道围岩地层岩性以白垩系凝灰岩为主，岩质较坚硬，岩体新鲜，洞身段围岩较完整，节理闭合，呈块石镶嵌结构，地形陡峻，地貌多呈侵蚀低山丘陵。围岩级别主要为 Ⅲ～Ⅳ 级，占比约 74%；Ⅴ 级围岩较少，主要分布在隧道进出口段。

1.2 工程地质、水文条件

1.2.1 地质条件

大盘山隧道位于新华夏系第一构造第二隆起带南段，构造运动十分强烈。构造格架以华夏系、华夏式和新华夏系构造为主，确定了区内山脉以北东走向为主。新华夏系构造由一系列的压性或扭性断裂及部分纵张断裂、挤压带、霹雳带等结构要素构成。对隧道影响较大断裂有衢州-天台大断裂、鹤溪-奉化大断裂等。

1.2.2 水文条件

大盘山隧道基岩裂隙水主要由风化裂隙水和构造裂隙水组成。基岩裂隙水主要受大气降水补给和部分地段第四系孔隙潜水补给，在地形切割较强烈处及山坡坡脚处等地排泄。基岩风化裂隙水主要储存在强至中风化基岩中：隧道区强风化层风化裂隙发育，岩体成碎块状，储水性好，厚度较小，多在地下水水位以上；中风化节理裂隙发育，节理裂隙以闭合为主，一般水量贫乏，局部裂隙较密集，局部水量稍大。根据压水试验成果，一般为渗透性微弱，富水性差，水量贫乏。构造裂隙水主要贮存在断裂带内，岩体破碎，呈碎块状和碎石土状，储水性好，水量变化较大，受气象影响大。

2 水介质换能施工技术

2.1 水介质换能的概念

水介质换能爆破技术即在爆破工程中，在被爆岩体中埋设与炸药隔离密封的水介质，爆炸时产生的高温瞬间将其气化，并与炸药的爆生产物一起急剧膨胀挤压岩石以达到破碎岩体的效果。

2.2 水介质换能爆破机理

从热力学角度分析[2]，根据热力学定律和物质不灭定律，在“水介质换能爆破系统”中加入一定量的水，炸药爆炸释放的热能在绝热的“水介质换能爆破系统”中将转换为水的内能，储存了炸药爆炸能的水和炸药共生的爆生气态物质，在炸药爆炸的高温高压下进一步发生化学反应生成 H2、O2、CO2、NO2等新的物质。

研究表明，炸药爆破破岩是在爆轰波和爆生气体两者的共同作用下达到破岩的目的。爆轰波首先作用激活岩体的原生裂隙，并产生新的微裂纹，随后高温高压爆生气体进入孔壁岩体的裂隙，在裂隙内壁表面形成并分布压应力，等效于岩石拉伸试验外部施加的拉伸应力作用[3-4]，即在裂隙尖端产生使裂隙持续扩展的拉应力，裂隙的扩展优先沿着环向拉应力极大值方向和岩体内部原生裂隙、节理等弱结构面失稳扩展[5]。随着反应的持续进行，高温高压气体能以较长的时间作用于岩体裂隙，这些微裂隙在高压气体驱动作用下进一步扩展、延伸生成宏观裂缝，宏观裂缝进一步发展与掌子面或切槽贯通形成宏观破坏性断裂面，使破裂的岩块朝着自由面方向破裂剥落。

3 水介质换能爆破的应用

为获得良好的爆破效果及合理的施工参数，同时不影响正常的隧道施工，将水介质换能技术在隧道中的车型通道、人行通道进行应用试验，以此来验证水介质换能爆破的优缺点及可行性。

基于水介质换能爆破机理，采用水袋进行炮孔填塞，水袋注满水后直径 35 mm、长 26 cm，炮孔装药结构如图 1 所示。

图1 水介质换能爆破装药结构

3.1 水介质换能在轮廓控制爆破中的应用

车行通道采用全断面一次爆破开挖，断面较小，有利于开展试验作业，同时其夹置作用较隧道爆破大，对爆破效果更具有考量作用。基于此，选取车行通道轮廓附近一处炮孔进行水介质换能装药，对称一侧作为对比。车行通道的炮孔布置及试验区域如图 2 所示。

图2 车行通道炮孔布置及试验区域示意图

爆破后试验区与对比区的爆破效果如图 3 所示。

图3 轮廓控制爆破效果

从图 3 中可以看出，试验区炮孔在内置水介质后爆破效果较好，轮廓平整，周边孔痕明显。对比区采用常规爆破方式的区域，爆破不充分，出现了岩体欠挖现象，导致轮廓偏差较大。

3.2 水介质换能在掘进爆破中的应用

为了凸显水介质换能爆破的优势，选取人行通道作为试验区域。由于人行通道断面较小，岩石夹置作用大，传统爆破作业后人行通道断面轮廓线参差不齐，爆破块度亦不理想。本次试验选取人行通道下半部作为试爆区域，如图 4 所示。

图4 人行通道试验区域及炮孔布置图

爆破后，大盘山隧道某一人行通道爆破效果，如图 5 所示。

图5 人行通道爆破效果图

从图 5 中明显可以看出，轮廓外采用常规爆破，爆后轮廓较参差，平整度较差，并伴有超欠挖现象。采用水介质换能爆破，轮廓明显，平整度较高。通过实际测量比较，炮孔深度 2 m，采用常规爆破，进尺不足 1.4 m，而采用水介质换能爆破，进尺达到了 1.8 m。由此可知，水介质换能爆破能大大提高爆破效果，改善爆破效果。

3.3 水介质换能爆破在隧道轮廓控制中的应用

基于水介质换能试验的良好爆破效果，在隧道施工中采用水介质换能技术进行施工作业。由于水介质换能爆破在施工中工序较常规爆破多，为了节省作业时间及劳动强度，仅在隧道周边孔进行水介质换能装药。

周边孔采用聚能管装药，孔距 80～100 cm，孔深 4 m。根据现场实际，水介质换能光面爆破技术平均每循环进尺 3.8 m，普通光面爆破技术平均每循环进尺 3.5 m，水介质换能光面爆破技术平均每循环增加进尺 0.3 m，爆破效果得到极大提高。普通光面爆破技术半眼痕率较低，且超欠挖严重，但水介质换能光面爆破技术半眼痕非常明显，经测算可达 85% 以上，且整体轮廓圆顺，基本上炮眼与开挖轮廓位置相同。爆破效果对比情况如图 6 和图 7 所示。

图6 普通光面爆破效果图

图7 水介质换能光面爆破效果图

4 经济效益分析

以隧道光面爆破为例，对比水介质换能光面爆破与普通光面爆破进行数据统计，在相同断面，相似围岩条件，相同钻孔深度的前提条件下，水介质换能光面爆破每循环进尺较常规光面爆破平均增加 0.3 m。单位炸药消耗方面，水介质换能光面爆破较普通光面爆破减少 0.12 kg /m³。主要经济技术指标见表 1～表 3。

表1 普通光爆与水介质换能爆破光面眼钻孔费用对比

表2 爆破技术火工品效益对比

表3 普通与水介质换能光面爆破技术周边眼钻爆费用对比

从表 1～表 3 可以看出，虽然水介质换能光面爆破使用材料较多，单孔材料费较普通光面爆破高，但整体价格较低。通过周边眼单循环火工品使用量分析，周边眼钻孔数量由 59 个下降到 35 个，钻孔总长度由 236 m 下降到 140 m，总费用由 3 901.08 元下降到 2 314.20 元，费用节约 40.7% 。综合对比钻爆费用，水介质换能光面爆破比普通爆破技术每循环节约费用 1 074.81 元，即节约 400.73 元/m，节约费用比例达 26.8% 。