关键字：高原隧道 光面 水压 节能 爆破
一、工程概况
中铁十七局集团承建的新建川藏铁路拉萨至林芝段站前工程LLZQ-11标，线路长38.3公里，其中隧道4.5座，隧道长度34.335公里，占线路长度的89.6%，为了加快隧道掘进速度，降低成本，提高施工质量，增加效益，改善作业环境，保护施工人员身体健康等多方面因素，在布喀木隧道横洞实施光面水压爆破。
布喀木横洞全长1695m，横洞与隧道小里程方向平面夹角90°,单车道断面净空尺寸为5.0m×6.5m(宽×高)，错车道断面净空尺寸为7.5m×6.2m(宽×高)。横洞HDK0+000-HDK1+410段埋深大，可能发生轻微-中等程度的岩爆，隧道Ⅱ级围岩1450m、Ⅲ级围岩170m、Ⅳ级围岩70m、Ⅴ级围岩5m。轻微岩爆1200m，中等岩爆210m。
二、常规爆破原理及存在问题
1、常规爆破原理
炸药被起爆，则在药卷部位的周边围岩中传播爆轰波，一是沿炮眼径向传播，称为应力波，该应力波的强度不受炮眼堵塞与否的影响；二是向沿炮眼方向传播，当在炮眼无回填堵塞部位传播，称为击波。 产生的爆轰波对周围围岩进行挤压，使得周围围岩强行发生位移，实现爆破围岩破碎的目的。
2、常规爆破存在问题
问题一：由于钻孔内充满了空气，击波部分能量因压缩空气而损失，击波在炮眼周围围岩中传播也称为应力波，所以应力波的强度因无回填堵塞而降低，结果削弱了对围岩的破碎。
问题二：炸药爆炸时在炮眼周围围岩中除产生应力波作用之外，还有爆炸气体膨胀作用，由于无堵塞，膨胀气体很迅速从炮眼口冲出，极大的消弱了膨胀气体进一步破碎岩石的作用，极容易留下炮根
三、光面水压爆破定义及原理
1、水压爆破定义
水压爆破是将炸药置于受约束的有限水域内，当炸药爆炸时，利用水的能量传递性和不可压缩性，将压力均匀的作用于介质上，使介质达到破碎的一种爆破技术。
2、水压爆破原理
水压爆破由于炮眼中有水，在水中传播的冲击波对水不可压缩，爆炸能量无损失的经过水传递到炮眼围岩中，这种无能量损失的应力波十分利于岩石破碎，此外还会产生“水楔”效应，更利于岩石破碎，水雾作用有利于降尘和吸附有毒有害气体。特别提出的是，炮眼底部水袋水击波反射作用加强应力波强度更有利于围岩破碎炮眼而不留炮根。
四、光面水压爆破施工工艺
1、光面水压爆破施工工艺流程图
光面水压爆破工艺流程与普通爆破基本相同，不同之处在于要事先加工好爆破所需的炮泥及水袋，并在装药时按照设计的装药结构分次序装入水袋、炸药、水袋后，用炮泥堵塞。
2、炮泥的加工工艺
原材料
炮泥主要采用黏土、砂和水三种材料。黏土采用干净的普通黏土，含水量控制在8%以下。最大颗粒不超过10mm，不得有草根等杂物，大颗粒要人工破碎。砂采用干净的细砂，最好使用河砂，含水量控制在3%以下。黏土和砂掺杂小碎石块时，应过筛处理，不得将石块投入料斗中，以防止小碎石卡叶片或成形器中的转动螺旋发生故障；加工炮泥的前一天，应把已筛好的泥（土）、砂和水按重量配比人工拌合好，这样第二天制作成的炮泥比临时拌合的柔韧性更好。
炮泥中三种成分的重量比例为：
黏土：砂：水=0.75:0.1:0.15
开机前，在料斗中加入已预拌合的泥砂料约20kg，然后打开电源，在转动螺旋的推压下，泥料边向前输送边挤压密实，最后在卧式螺旋输送成型器端头源源不断地挤压出来，生产出来的炮泥按照20cm-30cm的长度切割。制作好的炮泥放置时间不要太长，最好在使用前1-2小时制作好，不然会失水变硬，堵塞后影响降尘效果，如果放置时间较长，可在加工好的炮泥外包裹塑料薄膜，或放置在阴凉处，用湿土工布完全覆盖保存，制作好的炮泥以表面光滑、不断裂，用手微捏一捏可以变形为宜。
3、水袋的加工工艺
原材料
水袋的原材料即水和塑料袋。 塑料袋材质为呢绒，水袋长200mm，直径为35mm，袋厚约为0.8mm。
水袋制作
机器开动之前，进行定量调节；打开机器后门，松开泵连杆端头螺母，调节位移蝶形螺母即可通过调节泵连杆滑块左右位置得到所需灌装容量。顺时针减少，反之增大。调整好后拧紧端头螺母，以防松动移位，影响灌装容量，损坏调整杆。封口机定量调节好之后，打开电源，指示灯亮，调节温控调节器到适当封口温度由绿灯变为红灯时，即达到所调解封口温度（初始温度应设定为130?C为宜，再逐步调节升高。）在开始灌注封口前，把主开关拨上，等机器运转两次，使计量泵内吸满水，将空气排除后，把主开关拨下，塑料袋由人工用双手拇指和食指夹住套在出水管口上，按启动开关，即完成自动灌注和封口。
4、装药与起爆
装药作业
光面水压爆破在现场实际装填顺序根据炮眼作用不同分别为：
辅助眼：首先往炮眼最底部装填一袋水袋，必须把水袋捅到底，随后装填药卷，药卷数量要比常规爆破少1卷，药卷必须与最底部水袋靠紧，然后用PVC管量测炮眼还有多深，其深度的二分之一为装填水袋的累计长度，例如剩余深度1.2米，二分之一为0.6米，那么往炮眼装填3个水袋就可以了，如果计算出现3.5条以上的装填4条水袋，小于3.5条的装填3袋，最后用炮泥边回填边捣固直至炮眼口。
掏槽眼：装药顺序与辅助眼装药顺序一致，只是在装药卷的数量上比常规爆破少2卷。
周边眼：先在炮眼底部装入1条水袋，随后装入1卷药卷，然后间隔60--70cm装入半节药卷，距炮眼口80cm停止装药，装入2条水袋2节炮泥封口。
起爆作业
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。联结时要注意：导爆索的连接方向和连接点的牢固性；导爆管不能打结和拉细；引爆雷管用黑胶布紧紧包扎在离一簇导爆管自由端10cm以上处，网络联好后，要有专人负责检查，确认无误后，方准起爆。
起爆顺序：从掏槽眼开始，一层一层的向外辅助眼进行，最后是周边眼、底板眼。 起爆前应按要求做好各项安全防护措施。
5、光面水压爆破设计实例
布喀木隧道横洞主要以片麻岩为主，围岩等级以Ⅱ级围岩为主，施工采用全段面开挖，全断面为42.72m2，常规钻爆采用垂直楔形掏槽，总的炮眼数量为115个，周边眼、辅助眼设计深度为3.5m，掏槽眼设计深度为4m。
常规钻爆全断面每循环装药144.8Kg，炮眼无堵塞。采用光面水压爆破的掏槽形式、炮眼布置、炮眼数量、炮眼深度、起爆顺序、时间间隔等设计与隧道常规钻爆全部一样，不同的是装药结构，炮眼中增加了水袋和炮泥。
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试验结论
经试验确定，布喀木隧道横洞光面水压爆破的装药结构与常规爆破相比，掏槽眼每孔减少装药0.4kg，辅助眼每孔减少装药0.2kg，周边眼每孔减少装药0.1kg，底板眼每孔减少装药0.2kg，每循环节省炸药21.5kg。
五、实施效果分析
1、技术指标分析
布喀木隧道横洞使用光面水压爆破技术之前，常规爆破平均每循环掘进3.1米。自2016年3月16日使用光面水压爆破技术至2016年5月1日，共施工47天，已掘进了389米共计118循环，平均每日掘进8.28米，每循环掘进约3.3米。与常规爆破相比，每循环提高进尺0.2米。
常规爆破的炮眼利用率为88%,光面水压爆破的利用率达到95%,单位耗药量降低了20%，通风时间由过去的40分钟缩短为10分钟，由此可见光面水压爆破在节省炸药、加快施工进度、缩短通风时间、改善洞内施工环境等方面具有突出的优势。
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布喀木隧道横洞常规/水压爆破主要技术参数对比表
2、经济指标分析
根据常规爆破和光面水压爆破的现场统计数据对比，在相同的开挖断面尺寸、相同的炮眼布置、相同的钻孔深度的条件下，光面水压爆破比常规爆破每循环多进尺0.2m，每循环节省炸药21.5kg，爆破每立方岩石节省炸药0.22kg，由于通风时间减少，爆渣集中，出渣时间相应也减少，提高了施工进度。
使用光面水压爆破每延米所节省的费用
（1）火工品节省的费用
布喀木隧道开挖断面面积为42.72m2。炸药的单价为14.8元，每循环使用118个雷管，共计1865.49元。
隧道每开挖一米节省炸药：
（144.8÷3.1-123.3÷3.3）×14.8=138.32元
隧道每开挖一米节省雷管：
1865.49 ÷3.1- 1865.49 ÷3.3=36.47元
合计开挖每延米节省火工品费用：
138.32+36.47=174.79元
（2）人工费节省的费用
每循环进尺提高0.2m，开挖断面42.72m2，每开挖一方开挖班组工资为55元。
0.2 ×42.72 ×55÷3.3=142.4元
（3）施工用电节省的费用
隧道开挖使用三台功率为132KW的空压机，每循环钻孔时间为3.5小时；一台通风机功率为264KW，采用水压爆破前后的通风时间分别为40分钟和10分钟，电费为1.2元/度，每开挖一米节省费用：
132 ×3 ×3.5 ×1.2÷3.1- 132 ×3 ×3.5 ×1.2÷3.3+264 ×2/3 ×1.2÷3.1- 264 ×1/6 ×1.2÷3.3=84.6元
合计节省费用为174.79+142.4+84.6=401.79元
使用光面水压爆破每延米另外支出的费用
光面水压爆破设备的一次性投入为炮泥制作机和封口机的费用很低，炮泥机到场费用为5000多元，封口机6000多元，可以长期使用，转场便捷，损耗低，平均摊销费用后可忽略不计。
（1）制作炮泥、水袋的人工费用
制作炮泥需要3人，制作水袋需要1人，每天按每人150元的工资计算，每天是可以施作6个循环使用的炮泥和水袋，折合每延米支出费用：
150×4 ÷3.3 ÷6=30.3元
（2）水袋费用
水袋每个0.2元，每延米费用：
(13×5+61×6+41×5) ×0.2 ÷ 3.3=38.5元
（3）制作炮泥的土砂费用
土砂每方40元，每方土砂可制作炮泥1200米，合计6000根，每循环使用521根，可使用11.5个循环，每延米增加费用：
40 ÷11.5 ÷ 3.3=1.1元
（4）封袋机、炮泥机的电费
每天工作平均工作4小时即可满足施工需求，炮泥机功率为4KW,封袋机功率为0.68KW,电费1.2元/度，每天施工水袋、炮泥的电费：
（4+0.68）×4 ÷3.6 ×1.2=4.9元
使用光面水压爆破每延米需另外支出的费用合计为：
30.3+38.5+1.1+4.9=74.8元
经济效益分析
根据以上汇总数据分析，将以上每延米节省的火工品费用、人工费用、电费合计，再去除制作炮泥、水袋的材料费用、人工费用、电费的支出费用后，采用光面水压爆破每延米可节省费用:401.79-74.8=326.99元
布喀木隧道横洞已施工1000米，还剩余695米，按照光面水压爆破每延米节省费用326.99元计算，布喀木隧道横洞施工完毕后，可节省费用约为227258.05元。每循环增加进尺0.2m，相比常规爆破，待横洞施工完毕可缩短工期约5天。
3、社会及环境效益分析
当今社会提倡低炭、节能、环保，隧道掘进采用水压爆破有明显的“三提高一保护”作用，及提高了炸药能量利用率、提高了施工进度、提高了经济效益、保护了作业环境。
其降低粉尘含量减少了对环境的污染、保护施工人员的身体健康的优势十分明显，社会、环境效益显著。
论文作者:郑小斌
论文发表刊物:《建筑实践》2019年 24期
论文发表时间:2020/4/26
标签：炮眼论文; 水压论文; 光面论文; 围岩论文; 隧道论文; 费用论文; 炸药论文; 《建筑实践》2019年 24期论文;