隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)發(fā)展

何廣沂

(鐵道建筑研究設(shè)計(jì)院，北京 102600)

1 基本概念

隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破方法(以下簡稱常規(guī)爆破)的裝藥結(jié)構(gòu)是炮孔僅裝藥卷和起爆雷管，無回填填塞，如圖1所示。這種裝藥結(jié)構(gòu)存在著不能充分利用炸藥有效能量和嚴(yán)重污染環(huán)境兩大痼疾，為此筆者于20世紀(jì)末研發(fā)了隧道掘進(jìn)水壓爆破。

圖1 隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.1 The charge structure of conventional blasting blasthole in tunnel excavation

隧道掘進(jìn)水壓爆破系指在常規(guī)爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，往炮孔一定位置注入一定量的水(見圖2)。隧道爆破掘進(jìn)炮孔是水平的，炮孔有可能漏水，因此把水裝入復(fù)合材料的袋中，往炮孔注水就是把水袋填入炮孔中。

圖2 隧道掘進(jìn)水壓爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 The charge structure of hydraulic blasting blasthole in tunnel excavation

隧道掘進(jìn)水壓爆破與常規(guī)爆破，在開挖形式、掏槽種類、炮孔分布、炮孔數(shù)量、炮孔深度、起爆順序和起爆間隔方面的設(shè)計(jì)施工完全相同；唯一不同是水壓爆破的炮孔中增添了水袋。

隧道掘進(jìn)水壓爆破基本原理和優(yōu)勢：常規(guī)爆破的炮孔中只有藥卷和起爆雷管，炮孔中上部位是空的，充滿空氣，當(dāng)藥卷爆炸產(chǎn)生爆轟波傳播到炮孔中上部空氣，空氣被壓縮，導(dǎo)致爆轟波能量部分損失，而水壓爆破，炮孔中上部位被水充滿，爆轟波傳到水中，由于水的不可壓縮性，爆轟波能量不損失，這樣比常規(guī)爆破更有利于圍巖破碎。炮孔底端的定量水在爆破過程中產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，可延長對圍巖的作用時(shí)間防止巖爆，同時(shí)進(jìn)一步破碎圍巖，爆破效果比僅藥卷直接作用圍巖更好。炮孔中上部的炮孔填塞水，有效利用藥卷爆炸生成的膨脹氣體對圍巖再破碎。此外，爆破產(chǎn)生的“水霧”起到很好的降塵作用，還可以防止瓦斯爆炸。

隧道掘進(jìn)水壓爆破與常規(guī)爆破相比，具有極其顯著的“節(jié)能環(huán)?！弊饔?，即“三提高一保護(hù)”?！叭岣摺保阂皇翘岣哒ㄋ幱行芰坷寐?；二是提高施工效率，加快施工進(jìn)度；三是降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益?！耙槐Ｗo(hù)”：降低粉塵濃度，改善隧道施工環(huán)境，保護(hù)隧道施工作業(yè)人員身體健康。

2 研發(fā)歷程

隧道掘進(jìn)水壓爆破源于露天深孔水壓爆破。以往露天深孔爆破，使用潛孔鉆機(jī)鉆孔，炮孔采用巖屑或土回填填塞，不能充分利用炸藥有效能量并嚴(yán)重污染環(huán)境，為此筆者研發(fā)了露天深孔水壓爆破。所謂“露天深孔水壓爆破”，就是改變露天深孔爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，變土回填為水與土復(fù)合填塞炮孔，水與土的填塞深度為1∶1，先用水回填，再用土回填炮孔到炮孔口；炮孔最底部深約0.5 m不裝藥而注入水。

露天深孔水壓爆破于1995年開始研發(fā)，1997年通過了部級(jí)鑒定，并給予了高度評(píng)價(jià)——“國內(nèi)外首創(chuàng)”?；诼短焐羁姿畨罕?垂直大口徑技術(shù)，筆者于1998年開始研究隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)(水平小口徑炮孔)。

隧道掘進(jìn)水壓爆破研發(fā)伊始，為提供強(qiáng)有力的理論支撐，筆者與山西理工大學(xué)合作進(jìn)行模擬應(yīng)變測試，結(jié)果表明[1]：炮孔底部切向拉應(yīng)變水壓爆破比常規(guī)爆破增加13%，炮孔中、上部切向拉應(yīng)變分別增加7%和34%，切向拉應(yīng)變是破碎圍巖主要參數(shù)，即切向拉應(yīng)變越大越有利于圍巖破碎，水壓爆破切向拉應(yīng)變大，這是水壓爆破不留炮根或少留炮根和圍巖破碎率高、不出現(xiàn)大塊的原因所在。經(jīng)應(yīng)變測試，隧道掘進(jìn)水壓爆破在理論上有了支撐。于是2002年初在渝懷鐵路歌樂山隧道進(jìn)行了隧道掘進(jìn)水壓爆破應(yīng)用試驗(yàn)。

渝(重慶)懷(化)鐵路歌樂山隧道出口于2001年3月開始到2002年5月，隧道掘進(jìn)均采取常規(guī)爆破。III級(jí)圍巖全斷面(斷面59.4 m2)開挖，采取復(fù)式楔形掏槽，全斷面炮孔數(shù)為117個(gè)，炮孔分布和起爆順序如圖所3示，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度為3.8 m，總裝藥量248.9 kg，實(shí)際進(jìn)尺3.2～3.5 m，平均進(jìn)尺3.36 m，平均炮孔利用率為86.2%，單位耗藥量1.247 kg/m3。

圖3 炮孔分布及起爆順序Fig.3 Blasthole distribution and initiation sequence

從2002年6月開始至2002年12月16日隧道貫通，采取水壓爆破。水壓爆破炮孔分布及起爆順序與常規(guī)爆破一致，僅改變炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，從炮孔底至炮孔口依次為藥卷、水袋和炮泥(見圖4)，總裝藥量228.7 kg。

圖4 水壓爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 The charge structure of hydraulic blasthole

炮孔中水與炮泥長度比約1∶1，每袋水袋長30 cm，直徑3.5 cm，人工灌水和扎口，制作慢且費(fèi)力。自2002年6月以來到歌樂山隧道貫通，連續(xù)采取水壓爆破開挖整200個(gè)循環(huán)，共計(jì)掘進(jìn)740.1 m。在III級(jí)圍巖(灰?guī)r)地段，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度3.8 m，每循環(huán)實(shí)際進(jìn)尺3.5～3.8 m，平均每循環(huán)進(jìn)尺為3.7 m，平均炮孔利用率達(dá)97.4%，單位耗藥量1.041 kg/m3，爆破后粉塵濃度下降42.5%。如仍采取常規(guī)爆破則需220個(gè)循環(huán)，推遲隧道貫通10 d。

歌樂山隧道出口采取水壓爆破與原先常規(guī)爆破相比，每循環(huán)多掘進(jìn)0.34 m，并節(jié)省炸藥20.2 kg，每延米節(jié)省費(fèi)用400～500元。

綜上所述，水壓爆破在歌樂山隧道出口應(yīng)用試驗(yàn)，已凸顯水壓爆破“三提高一保護(hù)”的作用效果。

隧道掘進(jìn)水壓爆破在宜(昌)萬(州)鐵路馬鹿箐隧道和金沙江溪洛渡水電站(中國第二大水電站)對外交通工程大河灣公路隧道以及宜萬鐵路齊岳山特長大隧道和浙江臺(tái)(州)金(華)高速公路蒼山嶺隧道進(jìn)行技術(shù)推廣應(yīng)用。2座鐵路單線隧道斷面是60 m2，2座公路隧道斷面是80 m2。隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)為I～V級(jí)不等的巖石種類，其中石質(zhì)有灰?guī)r、沙巖等。

在4個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目中，對常規(guī)爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)和其他4種裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際爆破效果對比(見圖5)，得出炮孔底水袋與水袋炮泥回填填塞的爆破效果最佳，具有極其顯著的“三提高一保護(hù)”作用，即提高炸藥有效能量利用率，節(jié)省炸藥17%～24%；提高施工效率，每一循環(huán)提高進(jìn)尺0.30～0.60 cm，爆渣破碎，爆堆集中，加快裝渣速度；提高經(jīng)濟(jì)效益，每延米節(jié)約成本500～600元；粉塵濃度下降67%，改善隧道作業(yè)環(huán)境，保護(hù)施工人員身體健康。

圖5 炮孔5種不同裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Five different charge structures of blasthole

3 推廣歷程

隧道掘進(jìn)水壓爆破在示范工程基礎(chǔ)上，不斷變化發(fā)展提高，至今(2021年4月底)已經(jīng)歷3個(gè)階段。

3.1 第1階段

本階段隧道掘進(jìn)水壓爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)為：光爆炮孔在常規(guī)爆破光爆炮孔間隔裝藥前提下，往炮孔最底部裝填1袋水袋，在炮孔口頂部裝填1～2袋水袋，最后用炮泥回填填塞到炮孔口；光爆炮孔以內(nèi)的所有炮孔，包括掏槽孔、輔助孔和底板孔等，炮孔裝藥結(jié)構(gòu)分4步進(jìn)行：①往炮孔最底部裝1袋水袋；②裝藥卷，其藥卷數(shù)量比常規(guī)爆破少1卷；③裝水袋，采取1/2計(jì)算方法和四舍五入規(guī)則確定裝幾袋水袋，例如裝完藥卷之后，炮孔剩余長度為1.2 m，那么裝3袋水袋就可以，如剩余長度1.3 m，也裝3袋，如剩余長度1.4 m，那就裝4袋；④回填填塞炮泥到炮孔口。本階段實(shí)測水壓爆破比常規(guī)爆破粉塵濃度下降67%。

水壓爆破不僅在山嶺隧道廣泛應(yīng)用，而且推廣到城市地鐵暗挖隧道。自2011年10月至今，已在東莞、廣州、深圳、貴陽、重慶、青島和廈門等多個(gè)城市推廣。

地鐵暗挖隧道采用的水壓爆破與山嶺隧道一樣，除具有“三提高一保護(hù)”作用外，針對地鐵暗挖隧道的特殊環(huán)境，水壓爆破還能起到六個(gè)“有效控制”作用：有效控制爆破振動(dòng)在安全范圍以內(nèi)，確保房屋、樓房和各種設(shè)施安全；有效控制沖擊波強(qiáng)度，不影響人們正常工作與生活；有效控制粉塵濃度，不但改善作業(yè)環(huán)境，保護(hù)施工人員身體健康，而且確保地面環(huán)境不被污染；有效控制爆破后掌子面溫度，對夏季施工，尤其在重慶、廣州、深圳等城市，尤為有益；有效控制爆破后巖石粒徑，塊度小，破碎均勻，解決地鐵出碴困難、出碴不方便等問題；有效控制爆破后圍巖穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，不會(huì)滲水。

3.2 第2階段

長久以來，隧道爆破掘進(jìn)，光爆炮孔需密集設(shè)計(jì)，鉆孔數(shù)量多、鉆孔用時(shí)長。為減少光爆炮孔數(shù)量同時(shí)保證光爆質(zhì)量，經(jīng)過較長時(shí)間研究，成功制作了“聚能管裝置”代替光爆炮孔間隔裝藥。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，光爆炮孔間距由常規(guī)光面爆破40～50 cm增大到80～100 cm，光爆質(zhì)量也提高了。

3.2.1 聚能管裝置

聚能管裝置由聚能管、炸藥、導(dǎo)爆索和定位圈等4部分組成(見圖6)。聚能管分主體和蓋片，其截面如圖7所示，管主體兩側(cè)有一對稱凹槽，即“聚能槽”。聚能管壁厚2 mm，長度為光爆炮孔孔深70%左右，材料為PVC。聚能管裝置中的炸藥為常用乳化炸藥，導(dǎo)爆索為常用起爆器材。定位圈為塑料制品。

圖6 聚能管裝置Fig.6 Shaped tube device

圖7 聚能管截面尺寸Fig.7 Shaped tube device section dimensions

3.2.2 聚能水壓光面爆破基本原理

光爆炮孔裝藥結(jié)構(gòu)是：①往炮孔最底部裝1袋水袋；②裝填聚能管裝置，注意聚能槽要與輪廓面平行；③裝填1～2袋水袋；④回填炮泥填塞。筆者將這種光面爆破定義為“隧道掘進(jìn)聚能水壓光面爆破”。

聚能水壓爆破技術(shù)原理基于常規(guī)光面爆破技術(shù)原理。常規(guī)光面爆破技術(shù)原理是光爆炮孔中的藥卷爆炸在巖石中傳播應(yīng)力波產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力，由于光爆炮孔相鄰互為“空孔”，所以在光爆炮孔連線兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中度很大的拉應(yīng)力，超過巖石抗拉強(qiáng)度，于是炮孔之間的巖體形成的初始裂縫要比其他方向大得多;此外，由于藥卷爆炸生成的高壓氣體膨脹產(chǎn)生的靜力作用促使初始裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大延伸，最終形成光面。而聚能水壓爆破除上述應(yīng)力波作用外，聚能槽產(chǎn)生的高溫高壓高速射流以及光爆炮孔中的水在爆破作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)，促使巖石初始裂縫進(jìn)一步延伸擴(kuò)展，光爆炮孔水袋和炮泥復(fù)合回填填塞，有力地將藥卷爆炸生成的膨脹氣體控制在炮孔中，其膨脹氣體靜力作用要比常規(guī)光面爆破不填塞強(qiáng)得多，更有利于已形成的裂縫擴(kuò)展加大。聚能水壓光面爆破增添了高溫高壓高速射流和水楔作用以及增強(qiáng)膨脹氣體靜力作用，這3種因素共同作用，解決了常規(guī)光面爆破炮孔過密的問題。

光爆炮孔采取聚能水壓光面爆破，而光面炮孔以內(nèi)所有炮孔仍采取第1階段的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，這兩種炮孔裝藥結(jié)構(gòu)的爆破，定義為“隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破”。

3.2.3 隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破實(shí)際應(yīng)用

隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破于2015年5月實(shí)際應(yīng)用于新建成(都)蘭(州)高鐵金瓶巖隧道和新建寶(雞)漢(中)高速公路石門隧道，展現(xiàn)了水壓聚能爆破的“三提高一保護(hù)”作用，光面爆破質(zhì)量極優(yōu)，每延米節(jié)省成本上千元。

鑒于水壓聚能爆破實(shí)際爆破效果，2016年9月20日，中國鐵建股份有限公司主持進(jìn)行了鑒定，王建寧、王夢恕等國內(nèi)知名隧道專家院士參加鑒定。鑒定意見認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。鑒定過后，隧道掘進(jìn)水壓聚能爆破在高鐵隧道得到大力推廣，西南到拉(薩)林(芝)高鐵，東北到牡(丹江)佳(木斯)高鐵，華南到梅(州)汕(頭)高鐵、興(國)泉(州)高鐵。此外，在公路隧道和礦山的得到廣泛應(yīng)用。

3.3 第3階段

筆者研制出新型裝藥結(jié)構(gòu)于2019年4月16日，在珠海市興業(yè)快線石溪山隧道進(jìn)行了光爆炮孔新型裝藥結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。石溪山隧道常規(guī)爆破光爆炮孔深3.8 m，其裝藥結(jié)構(gòu)為①往炮孔最底部裝1袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；②裝10袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；③裝3袋水袋；④炮泥回填填塞到炮孔口。光爆炮孔采取新型裝藥結(jié)構(gòu)，光爆炮孔以內(nèi)所有炮孔仍采取第1、第2階段裝藥結(jié)構(gòu)。新型裝藥結(jié)構(gòu)的光爆質(zhì)量比常規(guī)光爆更好，光爆炮孔無需使用導(dǎo)爆索。對2種裝藥結(jié)構(gòu)的爆破粉塵濃度進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如表1所示。

表1 粉塵濃度監(jiān)測

光爆炮孔回填炮泥主要組分是黏土，在山嶺隧道地帶黏土甚至普通土非常短缺，此外加工炮泥以及往炮孔回填填塞費(fèi)時(shí)費(fèi)力，鉆爆作業(yè)人員極不愿意用。筆者進(jìn)一步研究出不用炮泥填塞炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)，并于2020年9月19日在云南省巧家縣復(fù)建等級(jí)公路新塘坪隧道應(yīng)用成功。新塘坪隧道光爆炮孔3.8 m深，裝藥結(jié)構(gòu)為①往炮孔最底部裝1袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；②裝11袋水袋，緊接著裝1卷藥卷；③裝4袋水袋到炮孔口，無須炮泥回填填塞。光爆炮孔以內(nèi)的所有炮孔裝藥結(jié)構(gòu)：①往炮孔最底部裝填1袋水袋；②比常規(guī)爆破每個(gè)炮孔少裝1卷藥卷③用水袋回填填塞到炮孔口。

隧道爆破掘進(jìn)，光爆炮孔一般最深3.8 m，如光爆炮孔深度3.6 m，那么光爆炮孔裝藥結(jié)構(gòu)第2步少裝1袋水袋即可，以此類推。

上述這種炮孔裝藥結(jié)構(gòu)的顯著特征是光爆炮孔不用導(dǎo)爆索，所有炮孔不用炮泥回填填塞，操作更簡單更快捷，“三提高一保護(hù)”作用更顯著，尤其是降塵效果提高，降塵濃度要超過88%(有待測試)。這對川藏高鐵隧道爆破開挖尤為重要，因?yàn)榇ú馗哞F地處高原，氧氣稀缺，隧道常規(guī)爆破后粉塵濃度大，等于“雪上加霜”，而采取水壓爆破不會(huì)出現(xiàn)“霜”了。

上述炮孔裝藥結(jié)構(gòu)使推廣隧道掘進(jìn)水壓爆破變化發(fā)展到了第3個(gè)階段，后陸續(xù)在杭(州)溫(州)高鐵香山嶺隧道和朱店隧道出口、沈(陽)白(山)高鐵吉林段楓葉嶺隧道和遼寧段新賓隧道、(四)川(西)藏高鐵康定2號(hào)隧道等擴(kuò)大推廣。在彭(水)酉(陽)高速公路中巴隧道取得很好爆破效果，設(shè)計(jì)每循環(huán)進(jìn)尺3.8 m，實(shí)際進(jìn)尺3.8 m，炮孔利用率100%；節(jié)省炸藥17%；光爆炮孔半孔痕保留率80%以上，無超欠挖；爆破后通風(fēng)時(shí)間大大縮短，可立即裝渣。在青島地鐵6號(hào)線項(xiàng)目中實(shí)施水壓爆破，在離爆破點(diǎn)最近居民樓上未感受到振感，實(shí)測振速僅為0.29 cm/s。

4 結(jié)語

依據(jù)“隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)變化發(fā)展”所取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，筆者預(yù)測，隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破將逐漸被水壓爆破取代，水壓爆破也將成為隧道爆破掘進(jìn)的主流施工方法。

雖然隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)已實(shí)際應(yīng)用近20年，變化發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，也上了3個(gè)臺(tái)階，但是還存在一些問題，例如聚能管裝置能不能委托炸藥廠加工制做；炮孔用水袋炮泥回填填塞與炮孔只用水袋回填填塞雖爆破效果無差別，理論支撐如何；為往炮孔快捷裝填水袋，水袋口徑和長度應(yīng)不應(yīng)改變等需進(jìn)一步研究，所以隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)有待進(jìn)一步變化發(fā)展提高。