探究復(fù)雜條件下隧道爆破施工技術(shù)方案

王軍章

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司，成都610000）

1 引言

在瓦斯?jié)舛容^大的情況下，隧道爆破施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)較高，采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工不僅無法精準(zhǔn)控制爆破對隧道周圍巖層造成的振動(dòng)，還可能因爆破引爆瓦斯，從而釀成安全事故。水壓爆破技術(shù)是以水作為能量傳播介質(zhì)，利用炸藥產(chǎn)生的能量與壓力完成巖體爆破，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于對炸藥能量利用率較高、施工效率較高，并且由于爆炸會(huì)產(chǎn)生水霧，可以消除導(dǎo)致瓦斯爆炸的誘因，相較于傳統(tǒng)爆破施工法安全性較好。

2 工程概況

某鐵路隧道全長9.956 km，設(shè)計(jì)為雙線隧道，隧道起點(diǎn)里程D1K906+323，終點(diǎn)里程D1K916+279。設(shè)計(jì)左右線間距為5 m，設(shè)計(jì)縱坡為人字坡，隧道進(jìn)口段設(shè)計(jì)為上坡，坡度為25‰，長度為5.777 km；隧道出口段設(shè)計(jì)為下坡，坡度為3‰，長度為4 179 km；隧道洞身最大埋深為485 m。地質(zhì)勘測結(jié)果顯示，該隧道D1K908+317～D1K909+600段穿越二疊系含煤20層以上屬于瓦斯突出段，根據(jù)專業(yè)瓦斯測算，該段瓦斯壓力梯度為0.004 MPa/m，估算瓦斯含量在6.90～21.59 m3/t，瓦斯相對涌出量在17.5～47.21 m3/t。在施工過程中要求必須做好防突措施，同時(shí)制定相應(yīng)安全措施，以避免引爆瓦斯。

3 水壓爆破技術(shù)原理與作用分析

3.1 技術(shù)原理

水壓爆破技術(shù)在藥量計(jì)算、參數(shù)控制、炮眼設(shè)計(jì)以及引爆方式等方面與一般意義上的工程爆破基本一致，主要區(qū)別是炮眼的裝藥結(jié)構(gòu)不同[1]。在隧道爆破施工方面，水壓爆破在炮眼布置、掏槽形式、炮眼深度、炮眼數(shù)量、爆炸時(shí)間間隔以及引爆順序等方面與傳統(tǒng)隧道爆破施工方法一致，不同的是水壓爆破技術(shù)在炮眼中增加了炮泥與水袋。水壓爆破需要在炮眼中注水，以起到水楔以及降塵作用[2]，在炮眼位置采用專門制備的炮泥堵塞回填，使爆炸氣體充分膨脹，并以水作為爆炸能量和壓力傳播介質(zhì)，從而達(dá)到強(qiáng)化爆破效果的作用。

3.2 作用分析

相較于傳統(tǒng)的鉆爆法，水壓爆破技術(shù)的作用可以總結(jié)為“三提高一保護(hù)”，所謂“三提高”指的是：可以提高對爆炸能量的利用效率，這意味著可以節(jié)約部分炸藥，有助于控制隧道爆破施工成本[3]；可以提高爆破施工效率，這意味著可以加快施工進(jìn)度，從而保障項(xiàng)目如期交付；可以提高經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，水壓爆破技術(shù)雖然增加了兩道工序，但整體成本較低，有助于提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)水壓爆破施工過程中對周圍環(huán)境造成的影響較小，有助于提高項(xiàng)目社會(huì)效益?！耙槐Ｗo(hù)”指的是水壓爆破技術(shù)可以有效降低爆破施工過程中產(chǎn)生的粉塵，凈化爆炸后產(chǎn)生的有害氣體，這不僅能避免造成環(huán)境污染，同時(shí)也有助于保護(hù)施工人員身體健康[4]。整體而言，水壓爆破技術(shù)施工效果較為理想，可適用于鐵路隧道、公路隧道、水電工程、礦山隧道、導(dǎo)流洞以及地下巷道等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于高瓦斯等復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道爆破施工，可以取得良好效果。

4 隧道爆破施工技術(shù)方案

本項(xiàng)目中，采用傳統(tǒng)鉆爆法雖然也可以完成隧道開挖施工，但考慮到該隧道D1K908+317～D1K909+600段屬于瓦斯突出段，傳統(tǒng)鉆爆法施工效果不夠理想，對炸藥能量利用率過低，同時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，還可能會(huì)造成一定的環(huán)境污染，因此，決定采用水壓爆破技術(shù)完成隧道開挖施工。

4.1 施工工藝流程

水壓爆破施工工藝流程為：（1）設(shè)計(jì)施工技術(shù)方案，包括掏槽形式、炮眼設(shè)計(jì)、藥量計(jì)算以及起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；（2）協(xié)調(diào)組織各工種施工人員，安排施工材料以及機(jī)械設(shè)備進(jìn)場；（3）按照炮眼設(shè)計(jì)方開鑿炮眼；（4）清理炮眼，確認(rèn)其中無雜物，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；（5）裝填炸藥、水袋，使用炮泥將炮眼回填堵塞；（6）連接起爆網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行測試，檢查是否存在異常；（7）施工現(xiàn)場作業(yè)人員以及機(jī)械設(shè)備撤離至安全距離；（8）按照爆破施工技術(shù)方案設(shè)計(jì)按時(shí)起爆；（9）進(jìn)行排煙以及噴水降塵等工作；（10）檢查爆炸區(qū)域，及時(shí)處理危石；（11）機(jī)械設(shè)備進(jìn)場開始清理隧道；（12）測量人員進(jìn)場測量掘進(jìn)進(jìn)尺；（13）技術(shù)人員分析現(xiàn)場爆破效果，以便對施工方案進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)。

4.2 前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

由于水壓爆破技術(shù)與傳統(tǒng)鉆爆法的主要區(qū)別在于增加了水袋與炮泥，因此，本文重點(diǎn)介紹前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的炮眼注水工藝、水袋制作方法以及炮泥制作方法。

4.2.1 水袋制作以及炮眼注水工藝

目前的爆破水袋僅放置于聚能管兩端，沒有包裹在聚能管上，不能很好地形成水楔作用，爆破效果不佳，并且水袋質(zhì)量不好，容易在裝填過程中被損壞。本項(xiàng)目中制作水袋采用TPR材料（熱塑性橡膠材料），增加了水袋的耐磨性能，同時(shí)在水袋和水球中添加活性炭，使水袋吸附灰塵的能力增大，并且可以固定聚能管使其不與洞壁接觸。制作水袋所需材料包括水袋主體、聚能管、導(dǎo)爆索、水球、注水口、套筒水袋、通水孔、雙面膠以及水袋柱。裝填時(shí)，需要按照水袋、炸藥、水袋、炮泥的順序進(jìn)行裝填，注意各部分間需要緊密連接；裝填水袋時(shí)利用炮棍將水袋一一捅至炮眼中指定位置；使用炮泥回填堵塞炮眼時(shí)除了炮泥和水袋接觸的區(qū)域，其余部分需要使用炮棍進(jìn)行搗鼓，以確保堵塞效果。

4.2.2 炮泥制作方法

炮泥的制作方法相對比較簡單，按照要求使用專門的設(shè)備制作即可。要求炮泥必須保持順直，以便于回填堵塞，節(jié)省堵塞炮眼時(shí)間，提高施工效率，因此，需要在施工現(xiàn)場專門開辟一個(gè)炮泥制作場地。制作好炮泥后要妥善保存，不能長時(shí)間在陽光下暴曬，以避免炮泥水分蒸發(fā)變干、變硬，建議在使用前1～2 h內(nèi)制作好即可，使用塑料袋進(jìn)行分裝，每袋20根，這樣不僅便于運(yùn)輸，還能避免水分蒸發(fā)。

4.3 施工環(huán)節(jié)

本項(xiàng)目中，根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇兩種水壓爆破施工工藝，分別是有導(dǎo)爆索的光面水壓爆破與無導(dǎo)爆索的光面水壓爆破。

4.3.1 有導(dǎo)爆索的光面水壓爆破施工

目前，在隧道掘進(jìn)光面爆破方面，最為常用的就是有導(dǎo)爆索的光面水壓爆破技術(shù)，其炮眼結(jié)構(gòu)基本上采用以空氣為間隔的間隔裝藥結(jié)構(gòu)。藥卷直徑主要有兩種規(guī)格，分別是25 mm和32 mm，采用紙殼卷堵塞炮眼口[5]。引爆方法如下：（1）在光爆炮眼深度基礎(chǔ)上延伸50 cm切斷導(dǎo)爆索；（2）將切斷后的導(dǎo)爆索裝填至炮眼中；（3）炮眼外使用導(dǎo)爆索將炮眼導(dǎo)爆索串聯(lián)，6個(gè)炮眼為1組；（4）使用毫秒雷管引導(dǎo)導(dǎo)爆索。這種施工工藝的優(yōu)勢在于裝填炸藥比較簡便，但也存在明顯缺陷，即需要使用大量導(dǎo)爆索，整體成本較高，而且出現(xiàn)拒爆的可能性較高，一般來說，出現(xiàn)拒爆的情況主要是由于炮眼外導(dǎo)爆索的連接處理不當(dāng)造成的。

在本項(xiàng)目中，基于施工現(xiàn)場實(shí)際情況，對有導(dǎo)爆索的光面水壓爆破工藝進(jìn)行了部分改進(jìn)和優(yōu)化。在實(shí)際施工過程中仍采用原來的以空氣為間隔的間隔裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥量與導(dǎo)爆索布置也基本一致，主要區(qū)別表現(xiàn)在3個(gè)方面：（1）在炮眼底部裝填1個(gè)水袋；（2）移動(dòng)距離炮眼口最近的藥卷，將藥卷與炮眼口的距離控制在1 cm；（3）采用水袋和炮泥對炮眼口進(jìn)行回填堵塞。經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化的有導(dǎo)爆索的光面水壓爆破工藝雖然無法起到節(jié)省施工費(fèi)用的作用，但是可以有效強(qiáng)化降塵作用與防巖爆作用，施工效果較為理想。

4.3.2 無導(dǎo)爆索的光面水壓爆破施工

無導(dǎo)爆索的光面水壓爆破施工相較于常規(guī)光面爆破施工工藝，主要進(jìn)行了以下幾方面的優(yōu)化改進(jìn)：（1）改變以空氣為間隔的間隔裝藥法，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)；（2）藥卷直徑均采用25 mm；（3）改變以導(dǎo)爆索引爆炸藥的方式，以雷管起爆炸藥代替；（4）改變以紙殼卷堵塞炮眼口的方式，采用水袋+炮泥的方式回填堵塞炮眼口[6]。該工藝的主要優(yōu)勢在于不必使用導(dǎo)爆索，可以有效降低爆破施工費(fèi)用，而且爆破質(zhì)量以及降塵作用也得到了顯著提升。

本項(xiàng)目中，采用無導(dǎo)爆索的光面水壓爆破工藝。設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度為3.8 m，炮眼結(jié)構(gòu)由底部至炮眼口依次為2個(gè)水袋、8節(jié)25 mm藥卷、5個(gè)水袋，最后用炮泥將炮眼口回填堵塞。由于在炮眼底部裝填了2個(gè)水袋，爆炸后現(xiàn)場粉塵約下降了65%，降塵作用顯著提升，有效縮短了通風(fēng)時(shí)間，并且現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境也得到明顯改善。

4.4 技術(shù)要求

4.4.1 合理控制炮眼間距

目前，普遍認(rèn)為光面形成是爆炸氣體與應(yīng)力波峰疊加共同作用下的結(jié)果，這就要求合理控制炮眼間距[7]。若炮眼間距合理，則在爆炸氣體作用下，炮眼沿線會(huì)形成應(yīng)力集中，進(jìn)而使巖石斷裂形成光面。反之，則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分散，無法取得良好的爆破效果。一般來說，光面水壓爆破建議將炮眼間距控制在40～50 cm，本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)炮眼間距為42 cm，從實(shí)際施工情況來看，爆破效果良好。

4.4.2 合理控制光爆層厚度

光爆層厚度指的是內(nèi)泉眼至炮眼間的距離。一般認(rèn)為光爆層厚度應(yīng)大于光爆炮眼間距，否則在采用以空氣為間隔的間隔裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，很容易導(dǎo)致光面坑坑洼洼，難以有效保障光面爆破質(zhì)量。本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)光爆層厚度為46 cm，從實(shí)際情況來看，光面整齊平順，爆破效果良好。

4.4.3 打炮眼要準(zhǔn)、直、平、齊

打炮眼時(shí)要遵循“準(zhǔn)、直、平、齊”原則?！皽?zhǔn)”即準(zhǔn)確定位炮眼位置，做好標(biāo)記，同時(shí)要測量好各炮眼間距以及光爆層厚度，確保炮眼位置準(zhǔn)確；“直”即炮眼要按照設(shè)計(jì)方向垂直掘進(jìn)，不能出現(xiàn)偏差，打炮眼時(shí)可以采用半圓儀對釬桿角度進(jìn)行校核；“平”即炮眼內(nèi)部要平順、光滑，炮眼內(nèi)部表面不能出現(xiàn)坑坑洼洼的情況，以免影響爆破效果；“齊”即所有炮眼必須處于同一個(gè)垂直面上，同時(shí)深度要保持一致，不能出現(xiàn)偏差。

5 結(jié)語

本文主要研究了高瓦斯復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道爆破施工，提出了水壓爆破施工技術(shù)方案，有效克服了傳統(tǒng)鉆爆法的缺陷，雖然施工工藝相對復(fù)雜，但從實(shí)際效果來看，爆破質(zhì)量以及施工效率得到有效提升，也節(jié)省了部分施工費(fèi)用，綜合效益良好。