长大隧道聚能水压光面爆破施工技术

2021-01-25葛伟

工程建设与设计 2021年1期

关键词：炮泥水袋光面

葛伟

（中铁建贵州建设有限公司，贵阳 550000）

1 工程概况

杨梅山隧道为单洞隧道，双线布置，暗洞设计长度10 619m，采用钻爆法掘进。隧址内主要为凝灰岩地质，Ⅱ级围岩段落占比高，达到隧道总长的61.5%，爆破形式采用聚能水压光面爆破。

2 聚能水压光面爆破技术工艺原理

聚能水压光面爆破技术主要在装药结构和炮眼堵塞上进行了适当的调整【1】：（1）炮孔堵塞方面，常规爆破通常没有堵塞，而水压聚能爆破采用水袋和炮泥对炮孔进行复合堵塞；（2）在炮眼中安装了部分水袋代替部分炸药；（3）周边眼中增加聚能管装置，以达到周边眼间距加大、数量减半的目的。

周边眼中装填水袋和炮泥，在底部和上部炮泥间采用聚能管装置起爆【2】。爆破时，聚能管中的聚能槽产生的射流温度、压力更高，能量损失更小；同时利用水的不可压缩性，爆破产生的冲击波更加强烈，爆破产生的岩石初始裂缝进一步扩展延伸。由水袋和炮泥2 种材料组成的复合堵塞结构，遏制了爆破能量损失，充分利用了炸药的爆破能量。爆破后，水因为高温呈雾化形态，可以有效地降低爆破产生的粉尘污染，通风作业时间得以缩短。

3 聚能水压光面爆破技术施工工艺

3.1 钻孔

根据爆破设计方案中周边眼位置，准确计算每个周边眼位置，测量人员需严格按照要求位置放样，保证定位准确，便于炮工施钻时对照前排炮作为参考，保证炮眼施作的平行度和角度，避免出现较大炮茬。

炮工施钻时应根据当前掌子面平整情况，合理确定炮孔施钻深度，尽可能保证炮孔底部处于同一里程，炮孔底部水袋必须填装到底，以便于达到水楔切割掌子面，增加爆破有效进尺的目的。

3.2 炮泥制作

采用炮泥机制作炮泥，炮泥机外形轻巧，使用方便，易于操作，生产效率高。2 个人操作每小时可以生产炮泥400 个左右。炮泥制作材料主要以黏土为主，一般配合比为土∶砂∶水=0.75∶0.1∶0.15。采用电子秤精确称重，确保配合比准确。为提高炮泥制作效果，混合料需要提前1.5h 左右由人工拌匀软化。加工的炮泥分节制作，直径与炸药直径相同。炮泥一般于使用前1h 左右制作完成，并覆盖塑料膜保湿。炮泥加工应软硬适中，并根据效果调整配合比，确保炮泥安装时，既易于捣固，又不致流出炮眼，达到堵塞密实效果。

3.3 水袋制作

采用自动封装机制作水袋，该设备原理简单，仅1 人即可完成设备操作，每小时可以制作水袋500 个左右。设备的工作原理为利用体积法控制水袋装水量，水袋利用凸轮机构热合封口。水袋采用强度大、袋壁抵抗变形能力大的呢绒袋制作，既不怕炮棍顶压，炮孔中岩石也不易刺破。

水袋加工前应先预热10min 左右排出水管中的气体，然后把水袋套在出水口上，自动灌水后即可封口完成。加工合格的水袋应封口严密，无渗漏水，体型挺拔。成品水袋长度按照使用的炸药长度控制，一般为20cm，直径比炸药直径大3.5cm。

3.4 聚能管装置

聚能管、炸药、导爆索和定位圈4 部分组成聚能管装置。聚能管外形尺寸27.96mm×20.71mm，管壁厚2mm；盖片截面尺寸为宽19mm、高5.47mm，材质为PVC 材料。炸药采用通用乳化炸药，炸药截面与聚能管截面一致，每延米装药350～400g，围岩发生变化时，装药密度需根据爆破设计参数进行相应调整。通过小型空压机配合注药枪往聚能管中注药，导爆索起爆。

组装聚能管在平整的工作平台上进行。首先需将炸药的外皮沿长度方向切开，再装入注药枪；通过空压机给注药枪加压一定压力，压力按照0.2MPa 控制，再把炸药由注药枪沿半壁管从头到尾加入聚能管中；注好炸药后往管中放置1 根导爆索，然后盖上盖片。聚能管两端由定位圈和胶带缠绕固定。

3.5 装药结构

掏槽眼与辅助眼装药结构相同。炮孔底部先装填1 节水袋，然后装入所需数量的炸药；采用炮棍量测炮眼剩余的深度，剩余的深度除以水袋长度后四舍五入即为水袋装填节数；最后将炮孔剩余部分装填炮泥。

周边眼装药时，先在炮孔底部先装入1 节水袋，再装入定制长度（一般为炮眼深度减去80cm）的聚能管装置，聚能管装置上部装填水袋2 节，最后采用炮泥回填。

4 杨梅山隧道应用实例

4.1 爆破设计概述

设计循环进尺4.2m，采用3 排斜眼掏槽，角度分别为51°、53°、53°，长度分别为 1.78m、3.50m、5.22m；周边眼深度4.2m，间距0.8m；辅助眼、底板眼间距1.0m，长度4.2m。

4.2 周边眼间距确定

根据经验计算及现场试验总结，周边眼抵抗线与周边眼间距比值（抵抗线/间距）控制在0.8～1.0m 爆破效果较好。

聚能水压光面爆破是通过聚能槽沿轮廓面切线方向切割围岩实现周边眼间距加大目的，故在爆破设计时需根据隧道设计断面不同部位的弧形半径合理确定不同部位的周边眼间距，控制最大超挖值，理论最大超挖值计算见式（1）：

式中，r 为开挖轮廓面半径，取值700cm；d 为周边眼间距，cm，取值80cm。

计算可得h 为4.6cm。

4.3 炸药使用量计算及分配

杨梅山隧道Ⅱ级围岩全断面开挖单位炸药消耗量计算参见式（2）：

式中，k0为修正系数，k0=2.02；f 为岩石坚固系数，取值 14；S 为断面面积，取值125.47m2。

经计算，q 为 0.742kg/m3。

周边眼装药量通过经验及爆破效果确定，其余炮眼单孔装药量按照式（3）计算：

式中，W 为抵抗线，m；E 为间距，m；L 为深度，m；λ 为所在部位系数。

杨梅山隧道聚能水压光面爆破与常规光面爆破主要技术指标对比参见表1。

表1 主要技术指标对比表

4.4 主要经济指标分析

4.4.1 火工品成本对比

利用炮眼最底部的水袋代替1 节炸药，同时减少周边眼的数量，减少炸药用量及周边眼所用雷管，导爆索节约50%～60%，每开挖循环火工品材料节约450 元以上。

4.4.2 人工费对比

利用炮眼底部水袋产生的“水楔”效应，切割掌子面，爆破后掌子面平齐，不留炮根，增加爆破有效进尺。采用聚能水压爆破，有效循环进尺可提高20cm 以上。周边眼间距可以加大到80～100cm，减少一半周边眼数量，在保证施工效率不变前提下可减少作业人员数量，降低劳务成本。常规光面爆破时司钻工人20 人，采用聚能水压光面爆破后司钻工人可减少3人，制作炮泥、水袋及聚能管装置工人增加2 人，总体减少1 人，人工费降低1 元/m3。

4.4.3 喷射混凝土用量对比

有效控制开挖轮廓的断面尺寸和开挖面的平整度，轮廓面表面凹坑显著减少，喷射混凝土使用量降低，每延米减少用量0.5m3以上，作业时间缩短，节约成本。

4.4.4 设备、机具使用电费对比

降低洞内粉尘污染和火工品气味，提高了洞内空气质量和湿度，缩短通风作业时间15min 以上；同时，钻孔和喷射混凝土的作业时间也有一定减少，节约电费，电费指标降低1.56元/m3。

4.4.5 综合经济效益对比

综上所述，相对于常规光面爆破，聚能水压光面爆破在火工品消耗、喷射混凝土节约、钻爆人工费降低、机械设备耗电费用降低等方面均有较大经济效益，经过现场数据统计，隧道掘进及支护每延米可节省约764 元。