隧洞掘进周边孔水压聚能控制爆破实践与应用研究

孙余好，邢鹏飞，吴亚华，周 煌

（核工业井巷建设集团有限公司企业技术中心，浙江 湖州 313000）

0 引言

隧洞是民用基础设施的主要组成部分，主要用作公共交通设施、水道和其他设施，如电力或通信电缆安装。钻爆碎石广泛应用于采矿、采石和土木工程建设中，然而，爆炸过程中释放的能量只有 20 %～30 % 直接用于岩石破碎，而其余的能量则以地面振动、空气爆炸、飞石和噪音的形式消散［1］。

目前大多数的隧洞在开挖时都会应用爆破技术。爆破具有冲击力大、效率高等特点，在隧洞的掘进施工中起到至关重要的作用。常规爆破方法安全隐患较多，多种化学原料碰撞在一起会产生较大危险，隧洞施工中，一旦爆破技术把握不当，将会严重影响隧洞的掘进［2］。

运用光面爆破技术对岩壁完成作业后，掌子面会比较完整，可以起到控制爆破的效果，不会影响围岩平衡或稳定性，可以减少围岩应力集中，降低裂缝出现的概率，保持围岩完整，使围岩自身的承载能力变强，给施工创造便利，保障现场施工安全［3］。

水压聚能控制爆破技术相比常规光面爆破技术，不仅可以节省人力和物力、加快施工进度，还可以有效降低粉尘等有害物质对人体的危害，并通过控制爆破振动范围，降低对隧洞围岩的影响程度［4］。

1 工程概况

1.1 工程特点

大溪 1# 隧洞位于浙江省丽水市大港头镇，属于丽水-龙游天然气管道一期工程隧洞工程中的一部分。该隧洞采用“斜巷（411 m）+平巷（760 m）+斜巷（447.5 m）”的穿越形式。隧洞水平长度为 1 700 m，隧洞实际长度为 1 711.5 m，进口端坡度为 -19.55 %，隧洞出口坡度为 18.50 %；其中三类围岩 890 m，占总长度的52.35 %；Ⅴ级围岩长度 810 m，占总长度的 47.65 %。净空断面为 3.0 m×3.0 m（宽×高）。

1.2 工程存在的问题

在隧洞掘进施工中采用常规光面爆破技术，由于其爆破技术相对粗糙等原因造成隧洞掘进超挖严重，造成了很大的人力及物力的损耗。

1）炮孔布置太密集、炮眼数量太多、工人钻孔作业时间太长。

2）炮孔内充满了空气，爆炸的应力波部分能量用于压缩炮孔内的空气，因此削弱了对围岩的破碎，爆破效果不佳。

3）超挖现象严重，大大增加了混凝土的使用量，造成多余物力的损耗。

4）爆破作业后粉尘浓度较大。爆破作业后需要通风 50 min 左右，通风结束后才能够进行下一步作业，造成了很大的时间损耗。

2 水压聚能控制爆破技术

在大溪 1# 隧洞掘进施工中遇到隧洞超欠挖严重、人力及物力严重损耗等问题，经研究决定采用新型水压聚能控制爆破技术来解决隧洞掘进超挖严重等问题。

2.1 技术原理

水压聚能控制爆破技术在原有光面爆破技术上对隧洞爆破工艺进行适当改进，炮孔中增加了聚能管装置、水袋和炮泥［5］，如图 1 所示。①水压聚能控制爆破技术使用水袋和炮泥对炮孔进行堵塞；②使用部分水袋代替部分炸药与炸药一起装填炮孔；③在对周边孔进行爆破作业时孔中使用聚能管装置，充分利用爆炸的能量对岩石进行定向的切割。

图1 炮孔装药示意图

周边炮孔中依次放入水袋、聚能管装置、水袋和炮泥，通过导爆管起爆［6］。聚能管装置起爆后，聚能槽产生的高强射流足以在岩石上切割出裂缝，在相邻炮孔的切线上形成贯通裂隙；同时利用水不可压缩的性质，将炸药能量全部传递出去，使爆破产生的冲击波更加强烈，水在爆炸产生的膨胀作用下，形成“水楔”，作用于岩石裂隙中，加大岩石裂缝的扩展延伸。炮孔处由炮泥和水袋组成的封堵形式，阻止爆炸性气体从炮孔喷出，减少了爆炸能量的损失，使得爆炸能量得以充分利用。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。

2.2 技术原理

相较传统周边孔光面爆破，周边孔水压聚能控制爆破主要增加了以下 3 道工艺流程。

2.2.1 聚能管装置

聚能管装置主要由聚能管、炸药、传爆线、起爆雷管 4 部分构成，聚能管是一种抗静电的异形双槽 PVC 管。管长 2、2.5、3 m 不等，聚能管如图 2、图 3 所示。聚能管的长度一般约占炮孔的 70 % 左右，两个一样的半壁管组合形成一个完整的聚能管，PVC 聚能管壁厚度为 2 mm，聚能管的每个半壁管都有一个凹进去的聚能槽，其聚能槽顶角为 70°，管内两个聚能槽顶部相距 17.27 mm，半壁管的宽度为 24.18 mm，组成的聚能管宽度为 28.35 mm，两半壁管可调角度为 8°～10°［7］。所填炸药为乳化炸药，炸药的截面即为聚能管内部的截面。每延米装药量按照围岩变化及设计参数加以适当的改变。

图2 截面尺寸图（单位：mm）

图3 聚能管图

2.2.2 水袋制作

水袋通常采用聚乙烯塑料水袋或者尼龙水袋，在塑料袋中灌入水，用封装机密封制成密封水袋，一般长度为 200～300 mm，直径为 35～40 mm，安装时把已制作好水袋填入炮孔底部和中部位置，水袋可由炮孔水袋自动封装机制作，水袋封装机工效为 700 袋/h。制作好的水袋如图 4 所示。

图4 自制水袋

2.2.3 炮泥制作

炮泥采用河砂、黏土、水由炮泥机完成拌制，比例为砂∶土∶水=0.1∶0.75∶0.15，炮泥机挤出的这个比例的炮泥规格统一、软硬适中、质地均匀、表面光滑，速度快捷，易于安装。制作时前现将土、砂过筛，过筛的筛孔为 5 mm×5 mm 左右，不得有 1 mm×1 mm×1 cm 以上的石料，再把拌制的混合料加入机器中进行制作，每小时可制作出长 200 mm、直径 35 mm 炮泥约 900 根。所用炮泥通常提前 1 h 左右制作准备完成，并做好保湿措施，如图 5 所示。

图5 自制炮泥

2.3 操作要点

2.3.1 聚能管装置制作

1）把准备好的半壁管放置在操作桌面上，表面清洗干净，保持干燥。

2）打开药卷的一端，再纵向切开药卷的外包装，把两个处理好的药卷沿切开处一起放入如图 6 所示的注药枪中，闭合注药枪封闭盖。

图6 注药枪

3）注药枪端部的白色软管与空压机相连，空压机缓慢加压，当压力达到 0.2 MPa 时，手持注药枪缓慢对半壁管填充炸药，如图 7 所示。

图7 注药枪注药

4）在一个已经填充好乳化炸药的半壁管中加入一根比聚能管长约 10 cm 左右的传爆线，然后与另一个处理好的管相扣在一起，固定牢靠。

5）聚能管装置前端套上圆形定位圈，后端套上方形定位圈，便于炮孔内定位安装。

2.3.2 水压聚能控制爆破技术炮孔装填次序

水压聚能控制爆破和常规传统光面爆破相较而言，其在周边孔内添加了水袋、聚能管装置及炮泥。

1）周边孔内先放入一个提前制作好的水袋；

2）放入聚能管装置，其底部要紧靠已装好的水袋，约为整个炮孔的 70 % 左右，使其聚能槽方向与隧洞轮廓线方向保持一致；

3）再放入 2 个制作好的标准水袋，如图 8 所示；

图8 炮孔内装填次序

4）水袋至炮孔口用预制好的炮泥封堵，用木质炮棍将封堵炮泥捣实，完成后应确保所有炮孔堵塞长度＞20 cm，以确保爆破能量不会从炮孔口损失，提高爆破能量的利用率。

2.3.3 水袋和炮泥制作要点

充水塑料袋由塑料制造商专门加工供应，通常为聚乙烯材质。水袋封口是制作过程中的关键步骤，水的体积为水袋体积的 90 % 较为适宜，装水时不应过满，水袋口应密封。在储存和搬运过程中，水袋可能会发生稍微变软的现象，这属于正常现象不会影响装填和使用中的爆破效果。水袋灌注尽量避免空气进入，这样可减少水袋与炮孔间距，减少爆破能量损失。

炮泥的主要成分是黏土和细砂，先使用过筛方式将混在其中的小块石头拣出清除，再将其与水混合搅拌。炮泥应符合一定的比例，炮泥含砂率控制在 10 %，含水率控制在 15 %，这样配比的炮泥效果更好。如果含砂率过大，将不利于炮泥成形，如果含砂率过小，将导致炮泥所占比重降低。如果含水率较大，炮泥将会较软，如果含水率较小，将无法起到黏合及降尘等作用。

2.4 爆破效果

周边孔水压聚能控制爆破大大提高了炸药的有效能量利用率，打眼数仅为常规爆破的一半，降低了人员成本，节约了材料成本。炮孔中的水袋在爆破中产生的“水楔”作用，再次破碎炮孔周边岩体，减少岩石的大块率，便于出渣。隧洞成型好（见图 9），超欠挖控制得当，混凝土回填成本大为降低，节约了施工成本。爆炸后水被大量雾化，吸附了爆炸时产生的粉尘及气体等有害物质，减少了通风时间，保护了人身健康。

图9 成型隧洞图

3 技术经济效果分析

3.1 技术效果分析

通过对常规光面爆破与水压聚能控制爆破的爆破参数及效果统计如表 1 所示，研究分析表明水压聚能控制爆破在爆破效果上具有明显的优势。

表1 技术效果对比表

3.2 经济效果对比

在同样环境下，分别统计研究了常规光面爆破与水压聚能控制爆破的爆破效果，研究结果表明应用水压聚能控制爆破技术获得了较好的经济效果。

根据传统光面爆破和水压聚能控制爆破的爆破效果对比发现，在同样条件下，水压聚能控制爆破更具有优势，其每个循环能多进尺 0.2 m，节省炸药量 4 kg，最大的改进是每循环缩短了 15 min 的通风时间，减少工时消耗，节省了大量的工期。

4 结论

所采用的周边孔水压聚能控制爆破技术不但减少了对隧洞围岩的扰动，确保了岩体的稳定性，还能保证开挖轮廓线的圆顺、整齐，减少超挖量，加快施工进度。在施工质量、施工进度、生产成本等方面取得的经济效益和社会效益显著。

1）开挖轮廓线圆顺、整齐，降低对隧洞周围岩体的扰动，有效控制超挖现象，节约了混凝土的成本。

2）周边孔开孔率可减少 50 % 左右，减少了钻孔与出渣的劳动力与时间，节约了炸药等材料成本。

3）每循环缩短了 15 min 的通风时间，减少工时消耗，节省了大量的工期。