浅谈水压爆破在隧道施工中的应用

冯超　张汉文

【摘 要】随着我国经济的迅速发展，基础设施建设进程加快，隧道施工进入快速发展时期。在现在的隧道施工中，爆破施工技术已经被人们普遍的掌握应用，我项目在隧道施工中大胆使用了新工艺水压爆破。水压爆破的良好效果能够保证爆破轮廓线符合设计要求，临空面平整规则，是支撑新奥法原理的重要技术之一。同时加快了施工速度，降低了施工成本，减少环境的污染，从而提高了开挖质量和经济效益，兑现了业主合同承诺。若采用一般的爆破方法会使围岩受到一定程度的破坏，影响围岩稳定性，并产生严重的超欠挖。

【关键词】爆破技术 水压爆破 节能 环保

1.工程概况

1.1基本情况

七里店隧道位于留坝县马道镇仙人沟村西北侧，G316国道西侧。隧道按左、右线分离式设计，设计为双向六车道高速公路，净宽0.75+0.5+3×3.75+0.75+0.75m，隧道净宽为14.00，净高为5.00m，行车速度为80km/h，为高速公路隧道；地震烈度：Ⅶ度。左线隧道进口桩号ZK175+966，出口桩号ZK176+153，长187m；右线隧道进口桩号YK175+887，出口YK176+248，长358m，属短隧道。本隧道是宝汉高速公路11标工程的重点控制工程之一。

1.2工程地质、水文地质情况

隧址区位于秦岭南侧，地貌形态特征分为两种成因类型，即构造侵蚀堆积地貌和侵蚀构造地貌，五个形态类型，即阶地、河漫滩、丘陵、低山、中山和高山。地质岩层分区留坝-白河小区，根据勘察的钻孔揭示及工程地质调查结果，勘察区内出露的地层为志留系和泥盆系。秦岭以南是北亚热带湿润季风气候区，太阳辐射较少，气温较高，降水较多，气候湿润。区内气候湿润，降雨量较大，地下水资源丰富。

2.爆破原理

水压爆破是由我国著名的爆破专家何广沂教授研究出来的，其中的爆破设计与传统的隧道光面爆破设计方法是基本相同的，只是在炮孔堵眼和装药结构方法上进行了创新与改变。水压爆破原理是向爆破眼中注入一定量的水，然后用炮泥堵塞炮眼。从而达到利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到围岩中几乎无损失。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应，有利于岩石破碎，炮眼中的水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染。

3.水压爆破设计

水压爆破与传统的光面爆破设计方法基本相同，只是在装药结构和炮孔堵眼上进行了创新与调整。隧道爆破时产生的冲击波，在水中的衰减速度要远远小于在空气中衰减的速度。所以在炮孔底部加入适当的水袋，使炸药产生的冲击波通过水袋作用在岩石上，大大的减少了炸药能量的消耗，提高了炮孔的利用率。同时炮孔中的水袋，在炸药爆破的作用下，会产生“水楔”效应，有利于对围岩的进一步破碎，从而减少爆破产生的大块围岩不易运输。水袋在爆炸的作用下会产生雾化作用，能够大大的降低爆破后的粉尘浓度，减少爆后对现场施工环境的污染。

3.1爆破器材

根据施工中常用的爆破器材、现场设备的选用，以及水压爆破的特殊要求，爆破器材选用直径为32的防水乳化炸药、电雷管和导爆管雷管。爆破孔内所用水袋及堵眼材料都由专用机械加工而成，长度为20cm。

3.2水压爆破参数

3.2.1孔距

炮眼直径为d=40mm，所以周边孔间距a=（8～16）d=32～64㎝。

3.2.2不耦合系数

水压爆破的不耦合系数λ=d0/d（d0为炮眼装药直径），一般情况在0.8～1之间变化。当λ逐渐变小时，孔壁上的最大切向应力逐渐减小，爆炸波的作用时间就会延长，同时有利于应力叠加和应力相对集中，可以产生拉伸裂隙，从而不容易产生大量的粉碎。通过大量的生产实践表明，在不耦合系数加大，通过空气的间隔装药效果，可以减少压碎破坏，从而控制放射状裂隙的直接发生，提高了炮眼的残留率。根据最小抵抗线与炮孔间距的关系：光爆层厚度w=a/λ。

3.2.3周边眼装药量

周边眼装药量的计算：q1=cwa=0.06～0.15㎏/m

计算式中：c-爆破系数，一般情况下，c=0.2～0.5㎏/m3；

3.3钻爆设计示意图

3.4.装药方法、装药结构及炮孔堵塞

3.4.1 装药方法

人工用木制炮棍装药，由爆破人员将药卷逐个装入爆破孔，同时用炮棍轻轻捣实，注意避免药卷间隔过大，影响传爆。在装药过程中注意禁止过力用木棍捣实炸药，用力过猛后会使水袋破裂或使装药的密度过大，造成炸药压死不能爆破。

3.4.2 装药结构

（1）周边眼采用空气间隔、不耦合装药，采用导爆索起爆，将导爆索插入空底药卷内，炸药均匀分布装入炮孔内。为解决了底板眼的阻力，通常将底部药量加大。在装药的过程中，首先在炮眼的孔底处装入长约25cm的一节水带，然后在装药完成后，再装入2节同样的水袋，最后进行堵塞。

（2）掏槽眼、辅助眼、底边眼等要设计为连续耦合装药方法，雷管要埋入孔底药卷内，聚能穴朝孔口方向。在装药过程中，首先要在炮眼孔底装入长约25cm的一节水带，然后在装药完成后再装入2节同样的水袋，最后进行堵塞。

3.4.3 爆破网络设计和起爆方式

起爆网络采用簇连法，俗称一把抓起爆法。就是每个炮孔内装一发延期导爆管雷管，然后将导爆管连成一把后，用2发8号电雷管起爆。连接好网络后，等待其他施工人员撤离到警戒线以外后，由爆破员用起爆器在安全避炮点起爆。

3.4.4 起爆順序

为满足光面爆破的要求，先起爆掏槽眼，为其他炮孔提供临空面，然后再起爆辅助眼、扩槽眼，最后起爆周边眼、底眼。为了保证各类炮眼之间的起爆时差，增强起爆效果，在选用毫秒雷管时一般隔段使用，即选用1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#等。

4.传统隧道爆破与水压爆破的对比

当图4-1 中的炸药一旦被起爆，则在药卷中产生爆破应力波，爆破的应力波首先是沿炮眼径向方向扩散传播，应力波的强度不受炮眼堵塞的情况影响；当爆破应力波在炮眼无回填堵塞部位传播称为击波，由于这个部位充满了空气，击波部分能量被压缩而损失（损失气体能量45%），击波在炮眼围岩中传播部分称为应力波，所以这部分应力波的强 度受无回填堵塞而降低，结果削弱了对围岩的破碎，这是炮眼无回填堵塞存在的问题之一。 存在的问题之二，炸药爆炸在炮眼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，极大地削弱了膨胀气体进一步破碎岩石的作用。 综上分析，以往隧道掘进爆破炮眼无回填堵塞从根本上不能充分利用炸药的能量；目前，隧 道掘进爆破还普遍存在采用纸卷在炮眼口堵塞，在高温高压的击波的作用下纸卷变成灰烬， 对抑制膨胀气体冲出炮眼可以说无能为力，如同不堵一样。

采用水压爆破解决了炮眼无回填堵塞或利用纸卷回填堵塞所存在的问题（如图 4-2 所 示）。所谓水压爆破，就是在每个炮眼内的一定位置按一定比例装放药包和水袋，与常规爆破相比较，水压爆破的钻孔数量，布眼方式，起爆顺序，钻孔深度，周边眼装药量等都与常规爆破相同，不同的仅仅是增加了一些水袋，然后用专用设备加工成的“炮泥”回填。由于炮眼中有水，在水中传播的击波对水不可压缩，爆炸能量无损失地经过水传递到炮眼围岩中， 这种无能量损失的应力波十分有利于岩石破碎，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；由于炮泥的成分（土：砂：水=0.8：0.05：0.15）所决定，炮泥 晒后比纯土坚实，密度大，抑制爆炸气体膨胀冲出炮眼口要比纯土堵塞好得多，而且还会大 大降低了爆破粉尘对环境的污染，这对长、大断面隧道的开挖尤为重要。总而言之，由于炮 眼中有水，并用炮泥回填堵塞，能充分利用炸药能量，大大降低了粉尘对环境的污染，所以 水压爆破也被称为“绿色爆破”。

5.水压爆破的效益

5.1经济效益

根据常规爆破和水压爆破的现场统计数据对比，在相同开挖断面面积、炮眼布置和钻孔深度的前提下，水压爆破比普通爆破每个循环多开挖 0.2m，每循环节省炸药24.1kg，每爆破一立方岩石节省炸药0.08kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了30 分钟。

5.1.1使用水压爆破每延米所节省的费用

（1）火工品节省的费用

七里店隧道V级围岩断面尺寸是158.8m2，炸药的单价是每公斤14.5 元，每发雷管单价8.8元。普通爆破方法一循环用药量为217.3公斤，如果采用水压爆破方法一循环用药量为193.2公斤。 隧道每掘进一米节省炸药：

（217.3/3.4-193.2/3.6）×14.5=148.55元

隧道每掘进一米节省雷管（一循环用200 发）

（200/3.4-200/3.6）×8.8=28.76 元

合计每米可以节省炸药和雷管的费用为148.55+28.76=177.31 元。

（2）人工费用的节省

一循环施工作业可提高进尺0.2m，断面尺寸是158.8m2，一个循环施工作业可进尺3.6m，每开挖1m3 人工工资为20 元

0.2×158.8×20/3.6=176.4 元

（3）电费的节约

隧道每掘进一米节省电费

75Kw×2 台×1.0 元/度×0.5h/3.6=20.8 元

合计可节省的费用为177.31+176.4+20.8=374.51元

5.1.2采用水压爆破每米需另外支出的费用

（1）生产炮泥和水袋的人工费

生产炮泥和水袋需要两个人，每天每人按 100 元计算，2 个人，按每天 1.5 个循环计算，折合每米支出费用共为： 100×2/3.6/1.5=37.0 元

（2）水袋费用

水袋每循环施工使用580 個，每个0.1 元，每延米费用： 580×0.1/3.6=16.1 元

（3）制作炮泥的土砂费用

每方40 元，1 方可做1000 米，5000 根，可做10个施工循环，每延米费用 40/10/3.6=1.1 元

（4）电费

（4+0.68）kw×1h/3.6×1.0 元/度=1.3 元

采用水压爆破每米需另外支出的费用为： 37+16.1+1.1+1.3=55.5 元

5.1.3、经济效益分析

把以上每延米节省的火工品费用、人工费用和电费合计，再除去水袋、炮泥加工人工费，材料费、电费的支出费用后，应用水压爆破每延米可节省费用 374.51-55.5=319.01 元（没有包含管理费用等）。

七里店隧道单洞长度545米，按照水压爆破掘进每延米节省 319.01 元，贯通后可以节省费用 17.4万元；

如果按照水压爆破掘进120 米可少钻爆7个循环，那么七里店隧道的545米隧道，可少钻爆28 个循环，可以缩短工期18-19 天。

5.2 环保效益

通过现场试验比较，用水压爆破比通常隧道爆破产生的粉尘量要减少很多，爆破所产生的粉尘实测值为1.18mg/ m 3 ，隧道洞内粉尘要减少45%以上，可见度能够明显增强；常规的爆破至少需要30 多分钟的时间才能到掌子面进行排险，水压爆破仅10 分钟左右就可以到撑子面排险。

水压爆破解决了隧道由于爆破而产生的粉尘多，通风困难的压力，这样有利于提高工效。而且爆破后岩石较破碎，粒径小于80cm的岩石占总体积的70%～75%（比较接近做路基填料），爆破渣堆抛距 16m 左右，易于机械挖装，爆破产生的噪声为 58～82dB，采用 DSV-4C 振动测试仪监测爆破振动速度为0.52cm/s，均满足环保要求。

结束语

隧道掘进水压爆破技术是绿色环保的新技术，是我国隧道掘进技术从“湿法”钻孔代替“干法”钻孔、从非电起爆代替火爆和电爆以来的第三个质的飞跃和变化。隧道掘进水压爆破技术在宝汉十一标七里店隧道成功应用，提高提高了炸药能量利用率，提高施工效率，提高经济效益，保护洞内作业环境，经济和社会效益显著。

参考文献：

[1]公路隧道施工技术规范（JTGF60-2009）·人民交通出版社·2009年

[2]公路隧道施工技术细则（JTGTF60—2009）·人民交通出版社·2009年

[3]陕西定汉线坪坎至汉中（石门）高速公路施工图设计·中交第一公路勘察设计研究院·2013年

[4] 节能环保工程爆破·何广沂·中国铁道出版社·2007年

[5]爆破安全规程（GB6722-2003） ·中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局·2003年