勐省隧道周边孔聚能水压爆破试验研究

李兴全，蒋新闻，陈志伟，张丕云，柏克超

（云南交投公路建设第六工程有限公司，昆明 650034）

公路隧道作为一种基础交通设施，在改善公路路型、缩短骑车行驶距离、提高运输能力和减少交通事故等方面有重要作用[1]。目前，国内较为常用的隧道开挖方法为光面爆破法。但是传统的光面爆破法在进行钻孔作业时，由于围岩岩性情况、节理裂隙分布情况等问题，导致实际开挖的轮廓线与设计的轮廓线不能完全一致，其中超出设计轮廓线的部分被称为“超挖”，达不到设计轮廓线的部分被称为“欠挖”[2]。超欠挖现象的存在，一方面大大影响了隧道的安全性，过于严重的超欠挖可能会引起隧道的坍塌；另一方面，对于出现超欠挖现象的部分，常常需要支出更多的费用进行隧道支护和混凝土衬砌，提高了施工成本。而聚能爆破技术作为一门比较新颖的技术，一方面可以保护围岩，降低超欠挖，从而达到使轮廓线光滑平整以及保证围岩稳定性的目的[3]。20世纪90年代何广沂教授首次提出的水压爆破技术[4-6]，即在炮孔中一定位置放入若干水袋，然后利用爆破时水产生的“水楔”和“水雾化”作用破碎围岩，以及降低爆破粉尘[7]。若将水压爆破技术与聚能爆破技术结合使用，既可以利用“水楔”作用强化聚能射流，使爆破初始裂隙定向延伸，又可以利用“水雾化”作用控制爆破粉尘，降低施工对环境的污染及对工作人员身体健康的损伤[8]。目前，专家学者们已经在聚能水压爆破领域做出了不少研究[9-13]。

综上，专家学者们大多都是以聚能药包为基础开展的聚能水压爆破研究，但是在以切缝药包为基础的聚能水压爆破方面研究较少。因此本文于云南省临沧市沧源县勐省镇正在进行开挖的勐省隧道中开展了切缝药包聚能水压爆破试验，希望为类似的隧道掘进工程提供参考。

1 工程概况

勐省隧道位于云南省临沧市沧源县勐省镇境内，其进口端位于勐省镇金江水泥厂1 km处，出口端位于勐省镇芒阳村。该隧道底宽12.43 m、顶高7.41 m，采用非仰拱全断面开挖，断面面积76.35 m2，隧道按单幅计全长7 183 m。现场施工队施工时采用全断面开挖法。施工区域超欠挖现象较为严重，在围岩支护及混凝土衬砌时花费了较大的人力物力。且爆破后粉尘浓度较高，对施工人员的身体健康会造成损伤。施工队施工平台采用二衬台车，钻孔采用YT28汽腿式凿岩机，塑料导爆管毫秒雷管微差爆破开挖，周边轮廓采用光面爆破与预裂爆破相结合技术。当地施工队在隧道周边孔采用连续装药，段别15，单孔装药2~3卷，炮孔长短间隔，短孔孔深1.5 m，长孔孔深3 m，孔径40 mm，未采用炮泥填塞；炸药选用二号岩石乳化炸药；雷管选用毫秒管；掏槽方式为楔形掏槽，实际施工中无空孔。目前施工队组的炮孔布置方案如图1所示。

图1 全断面开挖炮孔布置图

隧道上断面共布置120~130个炮孔，实际炮孔数以现场施工情况为准，存在多打孔或少打孔的情况。

2 聚能水压爆破技术

2.1 切缝药包破岩机理

切缝药包爆破本质上是通过在炸药外壳上剖开具有不同角度、形状和数量的切缝，切缝可以控制爆炸应力场分布和爆生气体对围岩的准静态作用和劈裂作用，并以此控制被爆介质的开裂方向。切缝药包作用过程如图2所示。

图2 切缝药包爆破作用

炸药起爆后，爆轰产物首先会作用于切缝管内壁，爆轰波反射后形成反射冲击波，减小对非切缝方向孔壁的破坏作用。然后冲击再在作用在孔壁上形成爆炸应力波，该应力波强度大且集中于切缝处，导致切缝处孔壁出现剪切破裂面。初始定向裂隙会使孔壁产生应力松弛现象，又可以抑制一部分切缝方向外裂纹的产生。再加上切缝槽对能量的集中效果，更加强了对切缝方向孔壁的破坏作用。而爆生气体在切缝管的阻碍作用下也会集中于切缝处，很少部分的爆生气体转换为内能，多数爆生气体以动能形式射出，并行成“刀型”聚能射流，切割聚能方向岩体并控制裂隙的延展方向。

2.2 水压爆破原理

水压爆破是在炮孔中加入水介质，改变装药结构，用一定比例的水袋取代炸药，并且取代空气作为新的传能介质。水压爆破的本质在于利用水介质的储能作用来达到缓冲和进一步推进裂隙延展的目的。水介质一定程度上是不可压缩的，因此爆炸产生的冲击波和爆生气体在经过水段时，大量能量被转化为水的内能。由于水的密度大于空气且小于岩石，再加上水介质的传能作用，冲击波会以更加均匀且强度更低的方式作用于岩体，炮孔孔壁的破坏较小，所以水介质起到了缓冲的作用。同时在初始裂隙形成后，水介质会在爆生气体的作用下被挤压进裂隙中。水介质会使裂隙尖端应力集中，起到了“水楔”的作用，而水在高温作用下发生雾化反应，以此可以控制爆破粉尘的产生。

3 爆破试验

3.1 材料参数

3.1.1 切缝管参数

切缝管用PVC管材制作，制作时将PVC管材切下1 m的部分，剩余管材中留出0.3 m的部分不进行切割，再将2.3 m的部分对半剖开，切缝开口高度为3~4 mm。PVC管管材参数见表1。

表1 PVC管管材参数

3.1.2 其他材料参数

组装聚能药包的其他材料包括水袋、二号岩石乳化炸药、导爆管雷管和胶带等。其中水袋由注水机在长条状透明密封塑料袋中注满水后制成，炸药、雷管和胶带由施工现场提供。其他材料参数见表2、表3。

表2 炸药性能参数

表3 水袋参数

3.2 爆破参数

在隧道顶拱挑选20个炮孔作为试验组和对照组，其中左侧10炮孔为试验组，右侧10炮孔为对照组。考虑到切缝药包组装完成后直径较大，与施工队沟通后，施工队采用φ50 mm的钻头进行钻孔。两侧每2个长孔前均增设1短孔，增设短孔作为导向孔，用于增大补偿空间，因此短孔均不作为试验孔或对照孔。本次试验中试验组和对照组的每个长孔都装入3卷二号岩石乳化炸药和3个水袋，2组中的短孔都不进行装药。爆破参数见表4。

表4 爆破参数

3.3 周边孔装药

周边孔装药时，切缝药包应在现场加工。本次试验采用孔底起爆的方式。因此组装药包时，将切缝管开口端作为至于孔底的一端。在开口端以连续装药的方式装入3卷二号岩石乳化炸药，再在炸药后连续装入3个水袋，导爆管雷管安装在开口端第一卷炸药上，然后将药包用胶带捆绑进行固定后即可装入炮孔，且不使用炮泥进行填塞。炮孔内装药示意图及成品切缝药包如图3所示。

图3 装药示意图及成品切缝药包

3.4 连线方式

试验组和对照组使用的导爆管雷管段别均为15，2组脚线分开捆绑便于区分。

3.5 试验效果

爆破后效果如图4所示。试验组区域爆破后拱顶部分平整度相对较高，存在1个明显半孔残痕，无明显超欠挖现象；对照组区域爆破后，整体平整度较低，无明显半孔残痕，存在一定欠挖现象。

图4 爆破效果

4 结论

（1）含水袋切缝药包的组装过程简单，易于上手。仅需要在装药时，迅速将药卷、水袋、雷管按顺序装入切缝管中并固定好即可进行装药作业。经过试验后，现场施工队工人已基本掌握水间隔切缝药包的组装工艺以及装药方法，证明该技术可行性强。

（2）在装药量、孔距和孔深等爆破参数都相同的情况下，使用切缝药包聚能水压爆破技术进行爆破后，顶拱轮廓线平整，且顶拱围岩完全崩落，无明显超欠挖现象。这说明切缝装置首先可以有效地保护非切缝端处的围岩，同时，切缝端可以集中爆轰产物，形成聚能射流，同时起爆后水介质会形成“水楔”作用，二者叠加下可以提高炮孔内能量利用效率，并有效控制裂隙的扩展。