摘要：本文主要讲述水压爆破在城关隧道的成功应用，介绍水压爆破的理论原理，施工工艺，爆破效能及产生的经济效益。水压爆破与常规爆破对比所产生的“三提高一保护”效益。
关键词：隧道 水压爆破 长大隧道的施工难点
1 引言
目前随着全国基础建设的发展，平原地区的基础建设已经完成，基建向中西部地区及两城际之间转移，而该段地质条件复杂，桥隧比例较大，长大隧道较多。而长大隧道独头通风距离过长，需要找到合适的方法降低爆破粉尘含量，减少通风时间，从而加强工序衔接，减少工序时间，提供机械及人工利用率。通过水压爆破在城关隧道斜井工区的运用，为以后长大隧道施工提供有效的施工方法，同时不断优化水压爆破的施工工艺，改善这项技术的施工重难点。
2 工程概况
南龙铁路城关隧道，全长7306m，中部设有斜井一座。II级围岩采用全断面施工，105m³/m。由于斜井口与正洞高差达到30米，单口离洞口位置较长，爆破施工后，粉尘浓度大，排烟难，工序时间衔接长。采用水压爆破工艺性试验进行解决工程中爆破后存在的问题。隧道围岩主要为花岗班岩及凝灰溶岩，岩石强度较高，炸药单耗比较大，且洞渣需进行二次利用，寻找一个可行的爆破指导方案是经济效益的关键。
3 常规爆破与水压爆破的原理分析
3.1 隧道爆破的原理
隧道爆破是利用炸药在一定的条件下，发生急剧的化学反应，在有限的空间和极短的时间内迅速释放大量的热量和生成大量气体，对周边围岩产生破坏。
3.2 常规爆破与水压爆破理论分析
3.2.1 常规爆破
隧道常规爆破一般采用连续装药，不进行封堵。
图1 常规爆破炮眼装药结构
当常规爆破时，炸药爆炸形成爆轰波，爆轰波的传播随着炸药爆轰结束而中止。爆轰波沿着炮眼径向传播，产生应力波，应力波的强度不受炮眼堵塞与否的影响。二是向孔口传播，在炮眼无回填堵塞部位，由于眼口充满了空气，爆轰波的能量用于空气压缩，对炸药的能量损失，加大炸药用量。膨胀气体迅速从眼口冲出，消弱了膨胀气体对岩石的作用，爆破后存在块石或者存在大面积欠挖。所以，常规爆破不能充分利用炸药的能量。
图2 爆轰波结构示意图
1-1面为爆轰化学反应区的开始面。2-2面为爆轰化学反应区的末端面。爆破作业只有在两个区间时才能充分利用炸药爆破所产生的爆轰波能量。
由于常规爆破所产生的爆轰波能量基本处于2-2至0区间内，火工品能量未得到充分利用。故在隧道施工中，找需一种切实可行的爆破方法是行业发展的需要。而水压爆破即是在这种情况下因运而生[1]。
3.2.2 水压爆破
采用水压爆破有效解决了炸药能量消散的问题。所谓水压爆破即使在装药过程中，往炮眼中一定位置装入专用设备加工成的“水袋”，然后利用炮泥堵塞炮眼的一种爆破技术[2]。
水压爆破的原理是利用水的不可压缩性，使爆炸能量在几乎无衰减的情况下，通过水“钢性”传递到炮眼周围的岩体中，减少岩石的炸药消耗量。水在爆炸气体膨胀作用下产生大量的“水弹”，进一步击碎岩石。炮眼中的水在爆炸气体膨胀作用下产生雾化，捕捉粉尘，降低粉尘浓度。
图3 水压爆破炮眼装药结构
4 水压爆破在城关隧道斜井的运用
4.1 现场爆破设计
4.1.1 周边眼施工
(1)水压爆破与常规爆破的不同点仅仅是装药结构。炮眼的分布、炮眼数量、炮眼深度和起爆方式等与常规爆破一样。现场炮眼布置见图4
图4 炮眼布置图
图5 量具示意图
由于钻眼施工炮眼个数较多，现场测量时候，施工放样，放出开挖轮廓线，同时放出拱顶、两侧拱部、拱腰法线点。隧道中线点，及后方隧中法线点。同时，标明隧道底板标高线，以控制底板眼起钻位置。根据现场底板超欠挖情况，拱部钻眼施工作业时，加设平台，控制顶楼钻眼高度。
(2)钻眼施工作业时，钻工先从几个有法线点炮眼起钻。钻眼完毕后，插入炮杆指明炮眼角度及方向。采用铁丝制作量具。一人引眼，一人用量具，矫正炮杆角度。由于是量具两边都是90°角，可控制两炮杆之间的距离（即周边眼间距）和钻杆角度。 重复此，进行周边眼施工。量具见图5（周边眼40cm）。
(3)根据围岩不同，周边眼间距不一样，可根据量具单边长度，进行周边眼间距的调节。
4.1.2 底板眼施工
(1) 底板眼其作用是将隧道的底部爆破平整。底板眼的开挖质量对于底板的质量、经济效益起到很关键的作用。同时，其平整度的好坏决定了出渣的工序时间。
(2）底板眼起钻位置，应根据隧底的纵坡进行调整。因底板眼钻眼难度大，钻工站着钻眼，容易造成开挖出来的底板，呈波浪型，需找到一切实可行的方式方法进行底板眼控制。底板眼钻眼时候，应在加工蹬梯，气钻后腿有支撑位置，方可使气钻全部下亚，基本平齐底板眼进行钻眼施工。蹬梯长度根据循环进尺长度进行确定，现场3.5m左右为宜。
炮眼主要对周边眼及底板眼进行有效控制，就可实现周边爆破圆顺，炮眼半眼保存率高。底板开挖平顺，有效控制超欠挖。将渣石翻松，有利于现场出渣，减小工序时间。
钻眼完成后，现场管理人员对关键眼进行检查验收，检查合格后，方可进入装药工序。
4.2 水压爆破装药结构
水压爆破的操作顺序：根据围岩条件按常规爆破的钻爆设计计算出装药量，再进行装药量调整。水压爆破周边眼装药：底部先装1个水袋，然后按照爆破设计装药，眼口装入3个水袋，堵塞炮泥40厘米；其他眼装药、底部先装1个水袋，然后按照爆破设计装药，眼口装入3个水袋，堵塞炮泥20厘米。隧道有渗水大时底板眼可不装水袋，用炮泥堵眼即可。下表列出两种爆破方式，根据现场优化得出的爆破设计。
表1 常规爆破全断面装药参数表
表2 水压爆破全断面装药参数表
对比表1，表2可以看出，两种钻爆方案，眼位的布置，孔深，角度，所用雷管的段位都是一致的，唯一的不同点是就是每孔的装药量不一致。基本上每孔可以节约0.2kg炸药，可以有效的减小炸药的消耗。
4.3 现场两种爆破方式效能对比
表3 水压爆破各项指标对比表
为了更突出显示两种爆破方式的优劣，工区对两种爆破方式各进行8次工艺性试验，通过对爆破技术指标的收集分析其两种爆破方式存在的差异。
通过8个循环常规爆破与8个循环水压爆破数据对比。水压爆破在隧道施工五个主要指标上，相对于常规爆破得到了明显提高。水压爆破的运用有利于隧道施工工序时间衔接、施工环境的改善，爆破效果的提高，降低火工品的消耗。
4.4 水压爆破材料的加工
4.4.1炮泥的加工工艺
炮泥的加工材料为粘土、砂、水。人工将粘土(0.75)、砂(0.09) 、水(0.16) 拌合均匀，经炮泥机挤压成与炸药大小相当。且炮泥应在使用前2小时加工，以防止炮泥失水变硬。
4.4.2水袋的加工工艺
水袋采用聚乙烯塑料，厚0.8mm,长200mm,直径35mm。现场采用注水机进行加水。在水袋中插入导管，导管直径略小于水袋孔，导管另一端连接漏斗，向漏斗中灌水，水注入袋中，注意水袋不易注水过满，达到袋容量的90%即可，然后倒提水袋，袋口向下，加适当的挤压力而水不流出表示水袋合格。
5 城关隧道采用水压爆破的创新点
（1）由于城关隧道斜井较长，排烟难。采用水压爆破，有效的减少了粉尘浓度。通过现场工艺性试验比较，粉尘浓度由常规爆破的41.112mg/m³降低至水压爆破的7.52mg/m³。洞内粉尘浓度降低80%左右。常规爆破由于排烟效果差，往往需要30分钟后方可进入洞内，而采用水压爆破后10分钟后方可进入洞内进行施工。缩短了工序时间。水压爆破缓解了长、大隧道特别是大坡度斜井的排烟问题。有利于提高工效。同时爆破后，岩石较常规爆破后，粒径更小，更适合现场渣石二次加工使用。
（2）隧道断面大，产生的效益明显。根据现场数据整理，每循环爆破进尺比原来爆破进尺提高40cm左右，按照设计每延米105m³计算，每循环多出洞渣42m³，从而提高每循环洞内开挖效益。
（3） 节约炸药的使用量。每循环爆破炸药从264kg降至240kg。按照10元/kg计算，每循环节约炸材240元。
6 采用水压爆破效益
水压爆破与常规爆破相比，具有三提高一保护的显著效果 ：一是提高了炸药的能量利用率，炸药单耗明显降低；二是提高了施工效率，循环进尺明显加大； 三是提高了经济效益，成本明显减少，效益明显提升；四是保护了环境，爆破后粉尘浓度明显降低，改善了空气质量，保护了作业人员身体健康。
7 如何推行在现场推行水压爆破
相比于传统的爆破方式，水压爆破工序稍显复杂，工班落实较难，如何推行水压爆破，就需让工班长认识到水压爆破能为其创造利益。推行水压爆破前，可实行超前预报钻孔的方法，在边墙上钻眼，然后采用对比的方法。各眼的深度一样，炸药一样，常规爆破采用连续装药及不连续耦合装药共2种方式，水压爆破采用底眼水袋，是否连续装药，孔口水袋数量，是否堵塞炮眼等8种方式，现场参观比较。现场比较，采用设计水压爆破方案，对周边围岩的爆破效果最好。
8 爆破方案现场优化
根据测量每循环测量回来的断面图，对爆破方案进行优化，结合现场开挖人员钻眼过程，对爆破方案进行优化。围岩岩性多变，适当调整周边眼间距及装药药量。
同时，项目部各级包括项目部、架子队、施工班组都应制定超欠挖奖励措施。对每循环后的爆破效果，现场进行分析是地质原因引起的超挖，还是因为其他原因引起的超挖，对钻眼人员进行奖罚分明。
现场周边眼放样时，应对后一循环的欠挖进行标明，在当茬炮进行欠挖处理，同时，还需对前2循环的欠挖处理进行检查。使欠挖控制在掌子面，以免耽误后续工序施工。
参考文献：
[1]中铁二局集团有限公司.《铁路隧道工程施工质量验收标准》TB 10417—2018[J].国家铁路局，2019年2月1日
[2] 郑志强. 水压爆破技术在长, 大隧道施工中的应用[J].海峡科学，2010年第4期。
论文作者:段存霜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/1
标签：水压论文; 炮眼论文; 隧道论文; 炸药论文; 底板论文; 常规论文; 现场论文; 《基层建设》2019年第9期论文;