高地应力隧道中水压爆破的研究和使用

吴小鹏 巩亚定

【摘要】高地应力隧道开挖施工中易发生岩爆，极大地威胁着现场施工人员和设备的安全，通过对隧道施工中采用的水压爆破技术进行研究和改进，从实践中总结出在高地应力隧道中预防和治理岩爆的方法，减少了隧道开挖中的安全隐患并提高了开挖效果。

【关键词】高地应力隧道 岩爆 水压爆破

随着国家高速铁路客运专线的发展，铁路隧道其"长、大、深、群"的特点日趋明显，而它们所处的地质条件等易于形成高地应力现象，并经常引发岩爆、大变形等严重的相关施工地质灾害问题，所以高地应力与岩爆以及大变形对地下工程围岩稳定性的影响问题，已引起广泛重视。

岩爆是在高地应力隧道开挖过程或完毕后，围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害，它直接威胁人员、设备安全，影响工程安全和进度。岩爆的复杂性增加了其防治工作的困难，根据以往防治岩爆的经验，深埋长大隧道开挖中常用的防治岩爆的措施，主要有光面爆破，喷洒或注高压水，做好围岩量测，加强初期支护，增设临时防护设施等，而采用光面水压爆破，可以提高光面爆破效果，湿润岩面，对岩爆进行有效防范。

本文以京福铁路客运专线古田隧道为背景，对在隧道开挖中采用的水压爆破技术进行研究改进，并采取其他措施，对高地应力隧道中岩爆的预防和治理有一定的借签和指导作用

1 高地应力隧道中水压爆破的使用原理及特点

目前大部分隧道掘进爆破采用炮眼无回填堵塞，如图1所示。因炮眼无回填堵塞而被空气充满，一旦炸药爆炸，压缩空气大大损失了击波的能量，这就相应地削弱了在围岩中传播的应力波能量，降低了应力波的强度，从而造成炸药能量利用率不高，且在控制炸药用量方面很难把握，极易造成大面积超欠挖。

隧道水压爆破原理是利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到炮眼围岩中几乎无损失，在高地应力隧道使用的特点主要有：一是由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸药能量的外泄，炸药能量充分利用在爆破岩石上，使得爆破效率提高，减少了炸药的消耗，提高了隧道开挖的经济效益；二是炸药在爆炸时产生的冲击波，在水中的衰减速度要远远小于在空气中衰减的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸药产生的冲击波通过水袋直接作用在岩石上，大大的减少了炸药能量的消耗，提高了炮眼利用率和围岩的光面效果；三是炮眼中的水袋，在炸药爆炸的作用下，会产生"水楔"效应，有利于围岩的进一步破碎，减少爆破产生的大块率。堵塞水袋在爆炸的作用下会产生雾化作用，可以吸收粉尘，降低爆破后的粉尘浓度，减少了爆后对环境的污染，并增加岩面湿润。

2 工程实例

2.1 工程及地质概况

京福铁路客运专线古田隧道为双线隧道，隧道全长10632米，最大埋深约611m，采用钻爆法施工，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，全断面开挖。隧道在DK734+000～DK734+955段围岩岩体应力量级为高地应力区；在DK734+955～DK735+150段围岩岩体应力量级为极高地应力区。

2.2水压爆破方案

根据本隧道围岩情况，为了能有效地减小对围岩扰动，避免出现超欠挖现象，减少岩爆的发生造成安全隐患，在施工至高地应力区时对爆破方案进行调整，由普通掘进常规爆破改为水压光面爆破。

2.2.1 爆破器材的选择

根据施工中常用的爆破器材、现场设备的选用，以及水压爆破的特殊要求，爆破器材选用直径为32的防水乳化炸药，并采用电雷管和导爆管雷管作为起爆器材。炮孔内依设计装填水袋和炮泥。

水袋加工：水袋的原材料即水和塑料袋。水袋长200mm，直径为35mm，袋厚约为0.8mm，采用KPS-60塑袋灌装封口机进行自动灌装封口。

炮泥加工：炮泥采用PNJ-A型炮泥机制作而成，炮泥主要采用黏土、砂和饮用水三种材料，三种成分的重量比例为黏土：砂：水=0.75：0.09：0.16，按照配合比例人工拌匀，生产出的炮泥按照20cm～30cm的长度切割。

2.2.2爆破参数的确定

（1）孔距

根据现有设备，炮眼直径为d=40mm，所以周边孔间距a=（8～16）d=32～64㎝。

（2）不耦合系数与光爆层厚度

光面爆破的不耦合系数λ=d0/d（d0为装药直径）在0.8～1之间变化，当λ变小时，孔壁上的最大切向应力减小，爆炸波作用时间延长，有利于应力叠加和应力集中，产生拉伸裂隙， 而不宜产生粉碎。根据最小抵抗线与炮孔间距的关系：光爆层厚度w=a/λ。

（3）周边眼延米装药量

周边眼装药量：q1=cwa=0.06～0.15㎏/m

式中：c-爆破系数，在通常情况下，c=0.2～0.5㎏/m3；

（4）钻爆设计同普通爆破

2.2.3装药方法、装药结构及炮孔堵塞

（1） 装药方法

采用人工用木制炮棍装药，由施工人员将药卷逐个装入炮孔，并用炮棍轻轻捣实，避免药卷之间间隔较大，影响传爆。在装药过程中严禁大力用炮棍捣实炸药，防止用力过猛后使水袋破裂或使装药密度过大，造成炸药压死拒爆。炮眼底部装的水袋一定要到位，必须装在炮眼的最底部，不得有间隙。水袋与药卷、药卷与水袋、水袋与炮泥必须紧密连接，也不得有间隙。

（2）装药结构

周边眼采用空气间隔、不耦合装药，采用导爆索起爆，将导爆索插入空底药卷内，炸药均匀分布装入炮孔内。为克服底部炮眼的阻力，一般将底部药量稍微加大。在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水带，并在装药结束后再装入2节水袋，再进行堵塞。

掏槽眼、辅助眼、底边眼等采用连续耦合装药，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水带，并在装药结束后再装入2节水袋，再进行堵塞。

（3）网络设计及起爆方法

起爆网络采取孔内延期微差、孔外簇联的起爆方式，各引爆雷管之间采取并联的方式，以保证起爆网络的可靠性和准确性。网络联好后，要有专人负责检查，确认无误后，方准起爆。

（4） 起爆顺序

为满足光面爆破的要求，先起爆掏槽眼，为其他炮孔提供临空面，再起爆辅助眼、内圈眼，最后起爆周边眼、底眼。为了保证各类炮眼之间的起爆时差，增强起爆效果，在选用毫秒雷管时一般隔段使用。

2.2.4其它岩爆预防控制措施

（1）地质预报

根据隧道地质情况，在该段隧道可能发生岩爆时，遵循预防为主，防治结合的原则，对开挖面前方的围岩特性、地质状况以及水文地质情况等进行地质雷达、超前钻孔进行预测、预报，及时研究施工对策措施，作好施工前得必要准备。

（2）提前注水

除利用水袋爆破后湿润岩壁外，在爆破前通过炮孔和锚杆孔向岩体深处注水以降低岩体的强度，增加塑性，减少岩体的脆性，降低岩爆的强烈程度，同时可以起到降温除尘的作用。

（3）浅孔爆破

将深孔爆破改为浅孔爆破，减少一次装药量，拉大不同部位炮眼的雷管段位間隔，从而延长爆破时间，减轻爆破对围岩的影响，减小爆破震动应力场的叠加，从而减低岩爆的频率和强度。

2.2.5 爆破安全注意事项

（1）防止设备漏电

炮泥机和水袋封口机都是用电设备，为防止因水出现漏电，在开机前要用仪表检查设备是否漏电，以便采取相关措施。

（2）正确操作炮泥机

炮泥机上料仓中有螺旋搅拌翅，工作时不能用任何工具或棍棒拨弄料仓中的物料，防止出现事故。可待停机后用棍棒清除料壁或搅拌翅上的泥土。

（3）严格控制炮泥回填堵塞长度

炮泥可抑制膨胀气体从炮眼口冲出，有利于岩石进一步破碎，而且还能起到抑制飞石飞的过远的作用。为充分发挥这种双重作用，炮泥堵塞长度应大于或等于水袋的长度。

2.3 岩爆的处理效果分析及改进

该隧道于2012年8月进入高地应力区隧道开挖施工，在采用水压光面爆破技术后，从开挖爆破效果来看，一方面水压爆破单孔装药量相对常规装药量少，但由于堵塞密实，降低了爆破振动，保护了围岩稳定性，从而增加了成孔率，使得拱部炮眼孔痕保存率达到80%，边墙达到70%以上，整个隧道断面开挖轮廓面平整圆顺，另外爆破后水袋中的水被炸药能量抛撒空中，达到了降温除尘和湿润岩面效果，一定程度提高了围岩塑性，虽然在该段施工过程中发生轻微岩爆，但经及时采取对洞壁及掌子面进行危岩清撬后，及时喷3cm厚混凝土进行封闭围岩的措施，未对施工造成安全隐患。

3 结语

通过对古田隧道高地应力隧道中水压爆破技术的研究和使用，较好地通过岩爆段，没有发生人员伤亡事故。经施工过后对岩爆段进行的观察，洞壁未再产生各种类型的岩爆，所喷的混凝土未发生开裂、剥落，钢拱架也未产生明显的变形，围岩收敛变形基本稳定，对岩爆段的处理是比较成功的。

参考文献：

[1]何广沂，徐风奎.节能环保工程爆破.北京，中国铁道出版社

[2] 刘正雄、 张儒林等， 隧道爆破现代技术 北京，中国铁道出版社

[3]赵崇科， 洞室法松动控制爆破技术，铁道标准设计， 2004（12）

作者简介格式：

吴小鹏（1979年11月），性别 男，民族 汉族，籍贯 河南省洛阳市，职务/现职称 工程师 。研究方向：城市轨道交通。