隧道掘进爆破水填塞技术研究

胡文柱，汤超程，崔家磊，周明安

(1.中交一公局万利万达项目总部万利六分部，重庆 404100；2.国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙 410072)

隧道掘进爆破水填塞技术研究

胡文柱1，汤超程2，崔家磊2，周明安2

(1.中交一公局万利万达项目总部万利六分部，重庆 404100；2.国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙 410072)

隧道水填塞爆破是在传统的隧道爆破中加入水袋作为填塞的施工方法。加入水袋后，能使爆炸冲击波更好地传播，减少爆炸能量损失，节约炸药用量，提高经济效益，且爆破形成的水雾明显降低了有害粉尘浓度，保护了环境。针对隧道空气介质和水介质不耦合装药爆破对孔壁岩石的初始压力，进行了计算和比较。在刘家岩隧道掘进爆破中，采用水填塞爆破与普通爆破进行了试验对比，实践证明，水填塞技术在减少超挖、提高炮孔利用率、保护保留围岩的稳定及降低成本等方面优势明显。

隧道爆破；水填塞；爆破作用；试验对比

0 前 言

目前隧道掘进爆破大多采用无填塞的爆破方法，致使炸药爆炸时能量不能够被充分利用，能量利用率较低，且在爆破过程中产生大量粉尘，对环境和人体产生一定伤害。水填塞爆破，也称“水压爆破”，是指在炮孔内一定位置填塞预制水袋，炮孔口部利用炮泥填塞的一种爆破方法。由于水具有不可压缩性，可以将爆炸产生的压力与能量均匀地传递给岩石，提高了炮孔利用率。同时，通过引入水介质的缓冲作用，减少了对保留围岩的扰动，提高了光面爆破效果。爆炸时产生的“水雾”对能够有效降低爆破后有害粉尘浓度，有利于环保施工。

隧道掘进爆破水填塞技术在国内已经被应用并证明其具有较好的爆破效果。中铁五局在梅花山隧道的爆破施工过程中采用了在炮孔底部和口部填塞水袋的爆破方法，爆破效果好。本文主要分析水填塞爆破过程中，水对岩石介质的作用原理，在刘家岩隧道进行水填塞爆破与普通爆破试验对比的情况。

1 水填塞爆破作用原理

常规爆破中，空气不耦合装药爆破时，可以计算出孔壁所受初始压力。在水填塞不耦合装药爆破中，由于水介质的影响，改变了孔壁所受到的爆炸冲击压力。

1.1 空气不耦合装药时孔壁所受的初始压力计算

常规工程爆破所用炸药的爆压随着爆轰气体的膨胀而下降，因此在计算作用于孔壁上的爆轰气体压力时，根据临界压力的不同可将膨胀过程分阶段考虑，状态方程为：

式中，Pk为临界压力，取200 MPa。

当P≥Pk时，空气不耦合装药孔壁初始压力计算为：

当P＜Pk时，空气不耦合装药孔壁初始压力计算为：

式中，γ为空气绝热膨胀指数，取1.4；n为炸药的等熵指数，取3；r0为装药半径；rb为炮孔半径；不耦合装药时，μ＝0。

1.2 水不耦合装药时孔壁所受的初始压力计算

水填塞不耦合装药爆破时，冲击波沿径向传播，压缩水介质，当冲击波传播到孔壁时其波阵面上的压力为：

当装药半径为r0，炸药密度为ρe时，炮孔的线装药密度为：

式中，QC为给定炸药的爆炸热；QT为TNT的爆炸热。

由上式可见，孔壁处冲击波压力随不耦合系数的增大而降低。当水中冲击波到达孔壁时，冲击波撞击孔壁岩石时，并非所有岩石中都能激发冲击波，这同岩石本身的性质和装药条件有关，因此可以忽略岩石中冲击波的影响，认为在冲击波的冲击压缩下，孔壁岩石内直接产生应力波，即认为冲击波与孔壁岩石的碰撞是弹性的，将发生反射和透射。用弹性理论求解出孔壁上的初始冲击压力为：

式中，ρ1CP为岩石的波阻抗；ρ0V1为传播冲击波波速为V1时水介质的波阻抗。

从上述结果可以看出，当存在水介质时，爆破后冲击波对孔壁的初始压力明显增大，对岩石的破碎效果更明显。

2 水填塞技术在刘家岩隧道的试验研究

刘家岩隧道位于重庆万州区龙驹镇，端墙式明洞洞口，隧道净空(宽×高)：9.94 m×8.47 m。左线长970 m；右线长833 m，双线间距21.9～31.6 m，属一般小净距＋分离式隧道。隧道最大埋深160 m，最小埋深为17 m，IV、Ⅴ级围岩，岩性主要为砂岩及灰岩，岩层产状328°∠49°，灰岩段深部有发育岩溶现象，砂岩段常伴有宽10～50 cm的横向夹泥破碎夹层，裂隙水丰富，涌水量平均107.57 m3/h。

采用水填塞技术和普通爆破在刘家岩隧道掘进爆破中进行了实验对比。

该实验段围岩级别为IV级，隧道穿越三迭系上统须家河组地层，主要为砂岩夹有页岩，岩层层间结合一般，节理较为发育，围岩为厚层状结构，夹层含1～2 cm厚的黄泥。掌子面渗水，拱顶有滴水现象。

炮孔径均为Φ42 mm，采用八字斜式掏槽，采用直径32 mm乳化炸药，按不同的装药结构和填塞进行了对比试验。

2.1 普通爆破实验参数

采用连续装药结构，炮孔口不填塞，爆破参数如表1所示。

表1 普通爆破实验参数

2.2 水填塞爆破试验参数

水填塞爆破试验段围岩基本情况与普通爆破试验段基本一致。与普通爆破不同的是周边孔采用导爆索引爆炸药。采用直径32 mm，长20 cm水袋，炮泥直径32 mm。周边孔装药结构如图1所示，其他炮孔装药结构如图2所示。

水填塞爆破参数如表2所示。

炮孔中增加了水袋，除周边孔外，其余每个炮孔减少1卷炸药0.2 kg。

装药方法：周边孔底部先装1个水袋，然后按照爆破设计装药，炮孔口装入2个水袋，堵塞炮泥20 cm。其它部位炮孔先在底部装1个水袋，然后按照爆破设计装药，孔口装入1～2个水袋再填塞炮泥。所有炮孔装药完毕后，连线起爆。

图1 周边炮孔装药结构

表2 水填塞爆破参数

2.3 试验结果比较

采用普通爆破、水填塞爆破进行了4次平行对比试验，对超挖、炮孔利用率、光面爆破半孔率、炸药消耗等进行了测量对比，平均结果如表3所示。

表3 试验结果对比

3 结 论

隧道掘进爆破，因现场无炮泥或认为填塞影响作业时间，多不填塞。实践证明，炮孔用炮泥填塞，可减少炸药单耗，减少空气冲击波。而利用水袋和炮泥填塞，炸药爆炸后通过水介质传递能量，不仅提高了炸药能量的利用率，对保留围岩又起到缓冲的作用。试验结果表明，水填塞与普通爆破相比，爆破效果提高显著。超挖量减少37%，降低超挖就可减少衬砌的喷砼量，节约材料，降低工程造价；炮孔利用率提高14%，提高了循环进尺，加快工程进度；炸药量消耗可减少10%，节约成本；保留围岩半孔率提高125%，提高了围岩的稳定性，减少了排险时间；水填塞爆破形成的水雾，明显降低了有害粉尘浓度，明显改善了爆破后的环境情况。尽管水袋和炮泥填塞需购买制炮泥机及制水袋机，作业工序多了，但是总体爆破效果提高明显，值得推广采用。

[1] 吴志刚.水介质耦合钻孔爆破及其在隧道工程中的应用[D].成都：西南交通大学，2009.

[2] 汪旭光.爆破设计与施工[M].北京：冶金工业出版社，2016.

[3] 傅光明，周明安.军事爆破工程[M].长沙：国防科学技术大学出版社，2007.

2016-09-11)

胡文柱(1984-)，男，工程师，主要从事道路桥梁工程方面的工作，Email：1976009004＠qq.com。