高地应力隧道中水压爆破的研究和使用

高地应力隧道中水压爆破的研究和使用

吴小鹏

郑州市轨道交通有限公司河南省郑州市454000

摘要：高地应力隧道开挖施工中易发生岩爆，极大地威胁着现场施工人员和设备的安全，通过对隧道施工中采用的水压爆破技术进行研究和改进，从实践中总结出在高地应力隧道中预防和治理岩爆的方法，减少了隧道开挖中的安全隐患并提高了开挖效果。

关键词：高地应力隧道；岩爆；水压爆破

随着国家高速铁路客运专线的发展，铁路隧道呈现出“长、大、深、群”的特点，而它们所处的地质条件等易于形成高地应力现象，并经常引发岩爆、大变形等严重的相关施工地质灾害问题，所以高地应力与岩爆以及大变形对地下工程围岩稳定性的影响问题，已引起广泛重视。

岩爆是在高地应力隧道开挖过程或完毕后，围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害，它对作业人员和设备安全产生威胁，对工程安全和进度造成影响。岩爆的复杂性增加了其防治工作的困难，根据以往防治岩爆的经验，深埋长大隧道开挖中常用的防治岩爆的措施，主要有光面爆破，喷洒或注高压水，做好围岩量测，加强初期支护，增设临时防护设施等，而采用光面水压爆破，可以提高光面爆破效果，湿润岩面，对岩爆进行有效防范。

本文以京福铁路客运专线古田隧道为背景，对在隧道开挖中采用的水压爆破技术进行研究改进，并采取其他措施，对高地应力隧道中岩爆的预防和治理有一定的借签和指导作用

1高地应力隧道中水压爆破的使用原理及特点

目前大部分隧道掘进爆破采用炮眼无回填堵塞，如图1所示。因炮眼无回填堵塞而被空气充满，一旦炸药爆炸，压缩空气大大损失了击波的能量，这就相应地削弱了在围岩中传播的应力波能量，降低了应力波的强度，从而造成炸药能量利用率不高，且在控制炸药用量方面很难把握，极易造成大面积超欠挖。

隧道水压爆破如图2所示，其原理是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炮眼围岩中几乎无损失，在高地应力隧道使用的特点主要有：一是由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸药能量的外泄，炸药能量充分利用在爆破岩石上，使得爆破效率提高，减少了炸药的消耗，提高了隧道开挖的经济效益；二是炸药在爆炸时产生的冲击波，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一定量的水袋，使炸药产生的冲击波通过水袋直接作用在岩石上，大大的减少了炸药能量的消耗，提高了炮眼利用率和围岩的光面效果；三是炮眼中的水袋，在炸药爆炸的作用下，会产生“水楔”效应，有利于围岩的进一步破碎，减少爆破产生的大块率。堵塞水袋在爆炸的作用下会产生雾化作用，可以吸收粉尘，降低爆破后的粉尘浓度，减少了爆后对环境的污染，并增加岩面湿润。

2工程实例

2.1工程及地质概况

京福铁路客运专线古田隧道为双线隧道，隧道全长10632米，最大埋深约611m，采用钻爆法施工，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，全断面开挖。隧道在DK734+000~DK734+955段围岩岩体应力量级为高地应力区；在DK734+955~DK735+150段围岩岩体应力量级为极高地应力区。

2.2水压爆破方案

根据本隧道围岩情况，为了能有效地减小对围岩扰动，避免出现超欠挖现象，减少岩爆的发生造成安全隐患，在施工至高地应力区时对爆破方案进行调整，由普通掘进常规爆破改为水压光面爆破。

2.2.1爆破器材的选择

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，并采用电雷管和导爆管雷管作为起爆器材。炮孔内依设计装填水袋和炮泥。

水袋加工：水袋的原材料即水和塑料袋。水袋长200mm，直径为35mm，袋厚约为0.8mm，采用KPS-60塑袋灌装封口机进行自动灌装封口，水袋具有规格统一、质地均匀、自动灌水封口等特点，提高了环境保护和作业人员的身体健康，减少粉尘和炸药等异味；制作速度快，减少了劳动人员，提高了工作效率；制作水袋方便，操作简单。

炮泥加工：炮泥采用PNJ-A型炮泥机制作而成，炮泥主要采用黏土、砂和饮用水三种材料，三种成分的重量比例为黏土：砂：水=0.75：0.09：0.16，按照配合比例人工拌匀，生产出的炮泥按照20cm～30cm的长度切割。黏土和砂掺杂小碎石块时，应过筛处理，不得将石块投入料斗中，以防止小碎块卡叶片或成形器中的转动螺旋发生故障；加工炮泥的前一天，应把已筛好的泥（土）﹑砂和水按重量配比人工拌和好，这样第二天制作成的炮泥比临时拌和的柔韧性更好。制作好的炮泥放置时间不要太长，最好在使用前1～2小时制作好，不然会失水变硬，堵塞后影响降尘效果，如放置时间较长，可在加工好的炮泥外包裹塑料薄膜，或放置在阴凉处，用湿土工布完全覆盖保存。制好的炮泥以表面光滑、不断裂，用手略微捏一捏可以变形为宜。

2.2.2爆破参数的确定

根据工期要求和现有开挖设备情况，该段隧道采用全断面光面爆破开挖；采用风动凿岩机钻眼，非电毫秒雷管微差起爆。主要爆破参数包括单位炸药消耗量、炮眼直径、装药直径、炮眼数目、炮眼深度和炮眼间距等与原爆破方案一致，在开挖过程中根据爆破效果进行调整。

2.2.3装药方法、装药结构及炮孔堵塞

（1）装药方法

该段隧道水压爆破采用人工装药，由爆破人员用木制炮棍逐个装入水袋、药卷和炮泥，并进行捣实，以免影响传爆，但严禁大力捣实，防治水袋破裂或装药密度较大，造成拒爆。炮眼底部装的水袋一定要到位，必须装在炮眼的最底部，不得有间隙。水袋与药卷、药卷与水袋、水袋与炮泥必须紧密连接。

（2）装药结构

周边眼爆破为减轻对围岩损伤，采用不耦合装药，空气柱间隔方式，在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水袋，然后装药，将导爆索插入孔底的药卷内，药卷在炮孔内均匀布置，并将底部药量稍微加大，在全部装药结束后再装入2节水袋，再用炮泥进行堵塞。

掏槽眼、辅助眼、底边眼等为提高炮眼利用率和块度均匀性采用连续耦合装药，起爆药包位于孔底装药位置，并将雷管聚能穴朝孔口方向，水袋和炮泥装填方式同周边眼堵塞方式一致，注意装填密实度。

（3）起爆网络及起爆方法

水压爆破起爆网络采取孔内延期微差和孔外簇联的起爆方式，雷管之间采取并联的方式，以便于保证起爆网络的可靠性和准确性。在起爆网络联好后，由爆破负责人检查，经确认无误后，方准起爆。

（4）起爆顺序

起爆首先从掏槽眼开始，按掏槽眼、辅助眼、崩落眼的先后顺序放置段发雷管，并依此起爆，为了增强起爆效果并保证各类炮眼之间的起爆时差，毫秒雷管隔段使用。

2.2.4其它岩爆预防控制措施

（1）地质预报

根据该段隧道地质情况，为避免岩爆造成安全隐患，在开挖施工过程中严格遵循预防为主，防治结合的原则，采用地质雷达、超前钻孔等措施进行预测、预报，对开挖面前方的围岩特性、地质状况以及水文地质情况等情况及时掌握了解，并研究施工对策措施，及时作好各项施工准备。

（2）提前注水

为了降低隧道岩体的强度，增加其塑性，并减少脆性，除利用水袋爆破后湿润岩壁外，在爆破前通过炮孔和锚杆孔向岩体深处注水，该措施除了可以降低隧道岩爆的强烈程度外，同时起到了降温除尘的作用。

2.3岩爆的处理效果分析及改进

该隧道于2012年8月进入高地应力区隧道开挖施工，在采用水压光面爆破技术后，从开挖爆破效果来看，一方面水压爆破单孔装药量相对常规装药量少，但由于堵塞密实，降低了爆破振动，保护了围岩稳定性，从而增加了成孔率，使得拱部炮眼孔痕保存率达到80%，边墙达到70%以上，整个隧道断面开挖轮廓面平整圆顺，另外爆破后水袋中的水被炸药能量抛撒空中，达到了降温除尘和湿润岩面效果，一定程度提高了围岩塑性。水压光面爆破应用于高地应力区隧道开挖施工，不仅提高了炸药利用率和施工效率，而且减少了施工过程中的岩爆现象。在水压光面爆破施工过程中需要继续做好动员和教育培训工作，轮流召集架子队、爆破工班讲解水压爆破的理论知识，提高认识，换上节能环保的新思维，并要充分发挥架子队的主观能动性，主动改善和发扬水压爆破技术。

3结语

通过对古田隧道高地应力隧道中水压爆破技术的研究和使用，在施工过程中顺利通过高地应力区段，未发生人员伤亡事故。经该段隧道施工过后观察，洞壁未再产生岩爆，喷射混凝土未发生开裂、剥落，钢拱架也未产生明显的变形，围岩收敛变形基本稳定。下一步我们将不断的总结经验，继续学习借鉴并推广。

参考文献：

[1]何广沂，徐风奎．节能环保工程爆破．北京，中国铁道出版社

[2]刘正雄、张儒林等，隧道爆破现代技术北京，中国铁道出版社

[3]赵崇科，洞室法松动控制爆破技术，铁道标准设计，2004（12）

作者简介：

吴小鹏（1979年11月），性别男，民族汉族，籍贯河南省洛阳市，职务/现职称工程师。研究方向：城市轨道交通。