聚能光面爆破在隧道施工中的应用研究

唐云峰，何文岩，熊小军，廖孙念

（广西工程技术研究院有限公司，广西 南宁 530200）

0 引言

现阶段，为了能够更好地挖掘隧道，在挖掘过程中要进行爆破处理，根据施工技术人员的实践经验，在进行爆破处理的过程中通常采用传统的钻爆法进行施工，但这种传统的施工方式受外界因素影响较大，导致隧道挖掘过程中的精度较低，同时会增大施工企业的经济成本。根据相关部门的调查研究显示，在隧道挖掘过程中采用传统的施工方式，容易出现超挖和欠挖现象，这在一定程度上增加了施工人员的工作压力和工作量。随着科学技术水平的不断提升，为最大限度地弥补传统施工模式的不足，专业人士提出在隧道挖掘过程中采用光面爆破技术，该项技术具有施工效率高且精准度高的优势。近年来，施工单位的研究人员在现有光面爆破技术的基础之上，又研制出聚能光面爆破技术，并且取得了较为理想的施工效果。相比传统光面爆破技术，聚能光面爆破技术的爆破原理和处理措施比较特殊，发生爆破安全事故的概率小，这符合新时代安全施工的有关要求。这种新型爆破施工技术能够更好地利用炸药的能量，提高爆破施工效率和降低爆破施工成本，在工程建设领域具有不可估量的应用价值。在这种情况下，本文以实际案例为基础对聚能光面爆破在隧道施工中的具体应用及其效果进行分析，具有重要的现实意义。

1 工程概况

天峨至北海高速公路项目（巴马至平果段）二分部堆角隧道项目位于榜圩镇春德村堆角屯东南侧，出口端位于榜圩镇常星村陇浪屯南侧，为双洞分离式长隧道。右线设计长度为1 295 m，巴马侧洞口路基设计高程为294.208 m，平果侧洞口路基设计高程为 283.968 m，最大埋深约142.94 m；左线设计长度为1 310 m，巴马侧洞口路基设计高程为292.928 m，平果侧洞口路基设计高程为283.828 m，最大埋深约 134.8 m。拟从进出口双向对打施工，其中左洞Ⅳ级围岩为550 m，V级围岩为760 m；右洞Ⅳ级围岩为430 m，V级围岩为865 m。围岩开挖后易坍塌，浅埋段易冒顶，经项目施工人员研究决定采用聚能光爆技术对传统爆破施工技术进行改进，最终取得了较好的施工效果。

2 聚能光面爆破在隧道施工中的应用原理

聚能光面爆破技术在隧道工程中的应用，能够有效地提升隧道施工效率和质量，该技术是利用爆破的聚能效应，使炸药爆破时所产生的冲击力处于同一轴线之上，最大限度地提高炸药爆破所产生的局部破坏作用。普通的炸药爆破后，爆炸碎片会向四周分散发射，但如果在爆破过程运用聚能装药结构，则炸药爆炸之后产生较大的冲击力会形成具有高能量的聚能流，快速切割金属及岩石等物体。聚能药包具有操作简单、爆破性强等特点，因此受到各类施工企业的广泛关注，同时在各类工程中的应用空间也不断扩大［1］。

线性聚能爆破的成缝过程大致分为5个阶段。①产生射流阶段：爆轰波作用于聚能罩，所产生冲击波按照一定规律运动，一段时间之后于某处相聚并产生射流；②形成切槽阶段： 线性射流按照某种规律聚集于岩体之上，通过对岩体的切割形成沟槽；③形成切槽阶段：通过爆破应力切割岩石体上产生的沟槽或向前拓展；④裂缝扩展阶段：裂缝形成聚能射流作用后，高温高压的爆生气体楔入切槽裂缝并使之贯穿；⑤掩体分离、崩落阶段：由于岩石体形状与炸药性质不相同，因此在爆破之后，岩石体向前推移的距离也不相同［1-2］。

3 聚能光面爆破在隧道施工中的应用要点

隧道施工相比其他工程施工，具有更高的危险性和复杂性。近年来，随着聚能光面爆破技术逐渐成熟，我国隧道施工效率和安全性得到整体提升，这种爆破技术具有爆破效果突出、炸药能量利用率高、环保且经济等优势，因此得到了施工单位的一致认可。作为光面爆破技术的一种，聚能光面爆破技术同样具有不可忽视的应用价值，其具体的应用要点如下。

3.1 周边孔参数的确定

应用聚能光面爆破技术过程中，周边孔布设时使用工具与传统施工方式无差异，但施工人员需要注意周边孔的距离，聚能光面爆破的周边孔间距一般布置为80 cm左右，施工人员可以根据施工现场的具体情况适当缩小周边孔的间距，第一个周边孔距底角孔的距离为50 cm。孔底外插的深度为12 cm左右，周边孔距辅助孔的距离不超过60 cm，辅助孔与周边孔采用梅花形布孔，具体参数如下：①孔距a=80～100 cm；②排距b≥50 cm；③孔径D=42 cm。

3.2 钻孔

聚能光面爆破施工包括多个步骤，而钻孔是施工过程的重要环节之一，工作人员要结合隧道工程的爆破需求及周边地质结构特征，确定最佳的钻孔位置，并进一步确认钻孔位置与施工方案是否相符，确认完毕后必须由专业钻孔技术人员进行施工。为确保万无一失，还需要在钻孔过程中反复进行测算和校验，以便在第一时间发现钻孔位置的偏差，并且要对孔洞的平行度、深度等进行有效的控制。在钻孔施工整体结束后，必须安排工作人员进行收尾检查，发现问题第一时间纠正，以免影响后续施工［3］。

3.3 装药

装药分为聚能药卷制作和炸药装填两个步骤。①聚能药卷制作：第一步，取1节 32 mm的药卷，用小刀把药卷从中间切成2节；第二步，把聚能管两端分别插入切好的药卷中；第三步，用小刀把药卷一端的金属环切掉并装上聚能罩。②炸药装填：第一步，将对应雷管反向插入聚能管最底部药卷内并反向起爆；第二步，按照1节聚能药卷、1节空气间隔袋的顺序装填保证聚能药卷的聚能罩朝向孔口，聚能管开口沿隧道轮廓切线指向隧道中心，即拱顶装药聚能管开口朝向圆心，同时边墙装药聚能管开口朝向隧道中心线；第三步，在距离孔口30 cm处，根据围岩情况装填水袋和炮泥。

3.4 连线

运用光面聚能爆破技术的过程中，爆破人员要根据施工现场的实际情况对各类设备进行组装，建立完整的爆破网络。与此同时，要对爆破工具的性能进行反复的检查，保障现场施工人员的安全。爆破作业过程中需要设置爆破孔，爆破孔需要运用特制的炮泥进行封堵，由于特制的炮泥成本较高，因此为了节约施成本，天峨至北海高速公路项目（巴马至平果段）二分部堆角隧道工程的爆破施工单位自主研发封堵爆破孔的炮泥，选择性能较高的PVC材料对爆破孔进行封堵，该材料属于非牛顿液体，具有较好的封堵效果且操作过程简单方便［4-5］。

3.5 炮后检查

在爆破工作结束后，相关人员要等待15 min后方可进入爆破现场，进入爆破现场要进行全面的检查，确保爆破过程达到有关标准，同时进行现场清扫工作和开展统计作业，统计作业数据可以为下一次爆破决策工作提供重要的参考依据。

3.6 隧道出渣

相比传统的隧道工程爆破技术，利用聚能光面爆破技术能在炸药爆炸的过程中产生大量水雾，将爆炸中形成的扬尘快速携带到地面，避免对周边环境造成污染，更为重要的是在钻孔深度合理的情况下，爆炸基本不会对隧道掌子面的工作环境造成影响，爆炸后的岩石渣块大小均匀，便于运输。

4 聚能光面爆破技术的应用效果

天峨至北海高速公路项目（巴马至平果段）二分部堆角隧道工程应用聚能光面爆破技术进行爆破施工，取得较好的爆破效果，施工质量、效率及安全性得到了施工各方的一致认可。第一，由于增大了周边孔孔距，所以在隧道掌子面施工中减少了10%的钻孔量，减少了爆破作业班组的工作量，如果采用间隔装药方式则能进一步减少循环装药量，进而降低施工成本。聚能光面爆破使用的药量与常规爆破装对比见表1。第二，聚能光面爆破技术能够在一定程度上降低对围岩的扰动和影响，爆破后形成的岩石断面具有光滑平整、岩面无裂缝的特点，能够规避不必要安全风险。在本工程案例当中，爆破后的原始岩石结构基本没有发生变化，利用加固技术进行处理后，能够保持较强的支撑能力［6］。第三，聚能光面爆破技术的合理应用有助于控制超挖和欠挖问题，该工程的半壁孔率从35%提高至83%，聚能光面爆破施工技术解决了传统爆破技术爆破深度不稳定、支护喷射混凝土用量不固定的问题，有效地降低了隧道施工成本。与常规的爆破方式相比，聚能光面爆破技术的超挖方量更加合理，具体的数据对比情况见表2。第四，聚能光面爆破技术能视现场环境采用水袋保证爆破效果的同时避免爆炸造成的扬尘污染，在案例工程中，洞内通风时间大幅度缩减在一定程度上提升了隧道工程的施工效率，同时避免了环境污染问题［7］。

表1 聚能光面爆破与常规爆破装药量对比

表2 聚能光面爆破与常规爆破超挖情况对比 （单位：m3）

5 结语

相关人员通过现场爆破实验并对聚能水压光面爆破的技术原理进行分析，并在对比传统爆破工艺的基础之上得出以下结论。

5.1 聚能光面爆破技术重点在于装药结构

运用新型技术的过程中炮眼之间距离宜控制在90 cm左右，突破了常规光面爆破炮眼间40～50 cm的界限，同时通过采用新型的结构弥补了传统爆破技术的不足，还能够避免打眼耗时过长等问题，对提高爆破效果和效率具有重要意义。

5.2 聚能光面爆破可减少围岩扰动

受到传统爆破理念的影响，部分技术人员认为在隧道施工过程中对坚硬岩石体进行爆破宜采用光面爆破技术，对硬度较小的岩石体进行爆破则可以采用其他技术。事实上，光面爆破技术可以应用于任何岩石体，聚能光面爆破技术应用的聚能管能通过聚能槽产生能量密度较大的射流，通过射流将岩石体快速切开，在一定程度上也能够提升岩石体的平整性。采用光面爆破技术对岩石体的扰动程度较低，能够有效保证岩石稳定和防止超挖现象，也能提升施工现场的安全性。施工企业应当结合现场的实际情况对光面爆破技术进行不断改进和升级，不断拓展该项技术的应用空间。

5.3 聚能光面爆破具有较好的经济效益

运用聚能光面爆破技术能够大大减少周边孔炮孔数量，同时缩短钻孔作业时间，提高炮眼利用率和半壁孔率，减少循环炸药使用量也能够较好地控制超欠挖现象，降低隧道施工工期，提高施工效率和节约人工成本。

通过实践证明，运用聚能水压光面爆破技术能明显提高炸药能量利用率、施工效率，能够达到保护环境、降低施工成本的最终目的，为施工企业获得可观的经济效益和良好的社会效益奠定坚实的基础。

6 展望

聚能光面爆破技术是目前比较具有代表性的爆破技术之一，在隧道工程中科学合理地应用该项技术，能提升施工效率和控制施工成本，还能够降低安全事故的发生率，在公路工程隧道施工中发挥着重要作用。在今后的工作中，工作人员需要结合隧道工程施工需求，对聚能光面爆破在隧道施工中的应用进行不断完善。