高鐵隧道水壓爆破施工技術應用

譚嘉洲

中鐵十六局集團第一工程有限公司

1 引言

目前國內高鐵隧道鉆爆掘進施工大部分采用常規鉆爆法作業，傳統鉆爆法施工，操作簡單，但圍巖超欠挖較大，總體施工進度滯后，作業環境差、經濟效益流失嚴重。近年來由于質量要求的不斷提高，以人為本理念越來越深化，加之“強基達標，提質增效”工作主題的全面落實，迫切地需要我們尋求一種高效、綠色環保的鉆爆施工工藝?；谝陨媳尘?，本文結合某高鐵隧水壓光面爆破技術在Ⅱ、Ⅲ級圍巖中的成功應用，通過現場實測，采用數據分析就常規爆破和水壓光面爆破進行對比，探討了水壓光面爆破通過優化裝藥結構形式，在高效化、精細化、綠色環保施工等方面取得的顯著效果。

2 工程概況

某高鐵隧道位于莆田市涵江區江口鎮，隧道全長8434m，隧道最大埋深約232m，最淺埋深約28m。其中Ⅱ級圍巖4040m，Ⅲ級圍巖2655m，所占比例為79%。隧址區地層巖性主要為侏羅系上統南園組晶屑凝灰巖。隧道Ⅱ、Ⅲ圍巖主要為弱風化晶屑凝灰巖，塊狀構造，巖體完整。由于隧道斷面大、開挖掘近距離長，選擇合理的開挖工藝，在保障施工質量安全、加快施工進度、確保經濟效益、保障工人職業健康等方面具有決定性作用。

3 施工難點

（1）隧道洞身山頂存在多臺風力發電機組，進口處最近直線距離為186m，需降低爆破振動對風力發電機組的影響。

（2）隧道為長隧，通風距離長，排煙困難，常規爆破巖石在爆破壓力作用下伴隨裂隙的出現而產生大量粉塵，施工作業環境差，職業健康危害較大。

（3）常規爆破爆炸能因壓縮炮眼中的空氣而損失，造成應力波強度下降，同時由于炮眼未堵塞，爆炸生成的膨脹氣體未對圍巖形成二次破碎而直接沖出炮眼變成沖擊波損失掉，導致圍巖破碎大塊過多，超挖過大。

4 水壓爆破機理

隧道水壓爆破，采用水袋-炸藥-水袋一炮泥的裝藥方式進行爆破，由于沖擊波在水中傳播對水不可壓縮，爆破能量幾乎無損地傳遞到圍巖中，這種“剛性”的應力傳遞十分有利于巖石破碎，此外由于水的高壓射流產生“水楔”效應和水霧作用，利于圍巖破碎及降塵。

5 水壓爆破鉆爆設計及施工

5.1 總體設計

根據隧道工程地質、水文和和圍巖情況，采用能有效減小爆破振動速度峰值、降低粉塵濃度、縮短排煙時間、減少炸藥單耗、巖石破碎均勻、縮短出渣時間、減少超挖的全斷面水壓爆破施工方法。

5.2 鉆爆設計基本參數

（1）炮眼布置。II、Ⅲ級圍巖采用全斷面水壓光面爆破。以Ⅲ級圍巖為例，設計每循環進尺3m，爆破參數如下：鉆孔直徑d=40mm，周邊眼間距E=（8～18）d，抵抗線W=(1.0～1.5)E。經試爆確定E=50cm，W=60cm，炮孔深度3.2m（常規開挖需3.4m）。掏槽眼采用三級復式楔形掏槽，掏槽眼垂直深度為3.4m，其余炮眼垂直深度均為3.2m。內圈眼孔間距80cm，抵抗線85cm；輔助眼孔間距為80cm～90cm，抵抗線為80cm～85cm；底板眼和二臺眼孔間距及抵抗線均為80cm。詳細炮眼布置圖見圖1。

圖1 全斷面光面爆破炮眼布置示意圖

（2）裝藥參數。隧道炸藥采用2號巖石乳化炸藥，φ32藥卷，長20cm，每節重0.2kg，根據試爆，線裝藥密度周邊眼取0.25kg/m；內圈眼、二臺孔及底板孔取0.3kg/m；輔助眼取0.4kg/m；掏槽眼取0.5kg/m。Ⅲ級圍巖全斷面面積為139.31m2，炮孔總數257 個，每循環總裝藥量277.5kg，炸藥單耗0.66kg/m3。

（3）裝藥結構。水壓爆破與常規爆破相比，炮眼長度縮短，裝藥量減少并在炮眼中增添了水袋，堵塞了炮泥。水袋采用封口機制作，長200mm，直徑35mm,需有一定的強度。炮泥采用炮泥機加工而成，按照土：砂：水=0.75:0.10:0.15 進行拌制，成品炮泥長約200mm。具體裝藥結構見圖2。

圖2 炮眼裝藥結構圖

5.3 水壓光面爆破控制要點

（1）水袋封口要嚴密，不得有空氣，且應有一定的強度，避免裝送水袋時水袋破裂。

（2）炮泥最好在使用前2h～3h 內加工，避免放置時間過長，炮泥失水變硬。炮泥應軟硬適中，過軟搗固易把炮泥擠出炮眼，過硬不易搗碎，堵塞不嚴，影響爆破效果。

表1 施工進度分析

表2 爆破振動測試結果匯總表

表3 噴射混凝土經濟效益分析表

（3）炮孔底部水袋必須裝填到底，炸藥爆炸水袋對沖擊波的反射作用加強了應力波強度和作用時間，并直接作用于巖面，更有利于圍巖破碎。

（4）炮泥堵塞長度不宜小于40cm，同時不宜小于最小抵抗線。堵塞端水袋應根據實際情況填塞1～3 個水袋，炮泥堵塞應用木質炮桿搗固嚴實。

6 水壓爆破施工效果及經濟效益分析

選取進口DK52+678-DK52+687 段采用常規爆破，DK52+687-DK52+696 段采用水壓爆破，對比分析水壓爆破在施工進度、振動效應、經濟效益、炸藥能耗利用、環境保護等方面的作用與效果。

6.1 施工進度

水壓光面爆破相比于常規光面爆破，產生的有害氣體及粉塵少，縮短了通風排煙及出渣時間。由于鉆孔深度及超挖減少，鉆孔時間和噴錨時間均有所減少。具體分析見表1。

6.2 爆破震動監測

根據GB 6722—2014《爆破安全規程》，運行中的水電站及發電站中心控制室設備允許安全振動速度為：0.6cm/s～0.7cm/s（10Hz～50Hz）。采取TC-4850 爆破測振儀檢測分析常規光爆和水壓光爆對山頂風力發電機組造成的振動影響。振動速度峰值匯總見表2。

由匯總表可知，二者皆低于規范規定的爆破振動安全允許標準，但常規光爆振速已接近允許最大振動峰值上限，水壓光爆對風車機組的振動影響更小，安全性更高。

6.3 噴錨噴射混凝土用量

通過斷面掃描，常規光爆平局斷面面積為143.65m2，平均超挖面積為4.34m2，平均線性超挖0.14m；水壓光爆實測平局斷面面積為141.96m2，平均超挖面積為2.65m2，平均線性超挖為0.09m。超挖的減少，斷面平整性的增加降低了噴射混凝土用量及回彈量，Ⅲ級圍巖共計2655m，可節省318 萬元。每米費用對比分析見表3。

6.4 炸藥消耗

水壓光爆裝藥，每孔炮眼均減少一節炸藥，每循環減少炸藥51.4kg，炸藥能耗利用率提高。2 號巖石乳化炸藥每噸9500 元，每循環節省488.3 元。Ⅲ級圍巖共計2655m，885 循環，可節省41.7萬元。

6.5 粉塵濃度檢測

隧道爆破粉塵，易導致塵肺病，一般允許的最大粉塵濃度不超過3mg/m3。通過對DK52+678-DK52+696 段每循環爆破后5min，不通風進行粉塵濃度檢測，得出常規爆破粉塵濃度在4.1mg/m3～4.6mg/m3之間，水壓爆破粉塵濃度在2.9mg/m3～3.3mg/m3。對比檢測結果顯示，水壓光爆產生粉塵濃度明顯低于常規光爆，有效解決了長隧通風排煙難得難題，改善了作業人員施工作業環境。

7 結論

水壓光面爆破對比常規光爆得具有“三提高一保護一減振”的作用與效果：即提高炸藥有效能量利用率，節省炸藥；提高施工效率，加快施工進度；提高經濟效益，降低成本；降低粉塵濃度，改善作業環境，保護施工人員身體健康；控制爆破振動，降低爆破振動對周圍結構物的振動影響。