1、水压爆破技术在隧道掘进中的应用摘要：水压爆破技术特点,是以水作为传爆介质，利用水的不可压缩性质，能量传播损失小，炸药爆炸瞬间水传播冲击波到作用面，并产生反射作用形成二次加载，加剧作用面的破坏，达到预爆效果，同时水压爆破技术既有效地控制了爆破震动，又可以防毒降烟，同时破碎围岩较均匀，大块率降低，有利于机械化施工，显著提高了经济效益。 关键词：隧道开挖；水压爆破 Abstract: water pressure blasting technology characteristics, based on water as a booster medium, use water incompressi
2、ble properties, energy propagation loss is small, the explosive instant waterborne shock wave to the plane of action, and generate reflection effect form secondary loading, aggravate the damage effect, to advance blasting effect, and water pressure blasting technique is effective to control the blas
3、ting vibration and antivirus drop smoke, and broken surrounding rock is more homogeneous and large rate lower, which is beneficial to mechanical construction, improve the economic benefit. Keywords: tunnel excavation; Water pressure blasting 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 1.引言 水压爆破是由我国著名的爆破
4、专家何广沂教授在上世纪九十年代提出来的，他发现绝大部分隧道的掘进都是采取不回填堵塞炮眼的装药结构，或者仅用炸药箱纸壳浸水堵塞，不但违背科学、浪费炸药、而且在放炮时地动山摇，爆破后效果很差。 “隧道掘进水压爆破” ，采用在炮眼中先“注水” ，再装炸药，再“注水” ，后用“炮泥”回填堵塞的新技术，来变革隧道掘进爆破技术的。它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，几乎无能量损失，十分有利于岩石破碎。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应有利于岩石进一步破碎，炮眼中有水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染，改善了洞内空气质量。同时隧道掘进水压
5、爆破技术具有三提高一保护的作用。即提高提高了炸药的能量利用率，即节省炸药；提高了施工效率，即加快了施工进度；提高经济与社会效益。一保护大大降低粉尘含量对环境的污染，保护了施工人员的身体健康。 2.工程概况 新建沪昆客专贵州段茅坪山隧道起讫里程为DK593+867DK601+580，全长 7713m。级围岩 3230 米，占 41.9%，级围岩 3500，占 45.4%，级围岩 920 米，占 11.9%，不良地质为岩溶及岩溶水、断层破碎带、页岩风化剥落及软质岩、软弱夹层等，隆昌断层与隧道夹角汇聚于 DK595+930 处，交角 89，断层上下盘均为寒武系高台组白云岩，主要影响段落为 DK595
6、+890940；后山断裂与隧道轴线交于 DK597+050，交角 66，断层处为寒武系高台组白云岩，主要影响段落为 DK597+020090；茅坪山断层与隧道轴线交于 DK599+807 处，交角6，断层上下盘均为寒武系高台组白云岩，主要影响段落为DK599+820880；鱼冲断裂与隧道轴线交于 DK599+980 处，交角 58，断层上下盘均为寒武系高台组白云岩，主要影响段落为DK599+955DK600+020。 3.工艺介绍 3.1.水压爆破使用的设备 加工制作炮泥的“炮泥机”和自动注水、封口生产水袋的“水袋机” ，是实施隧道掘进水压爆破的基本保障设备。 3.1.1.炮泥机及操作工艺流程
7、 3.1.1.1.炮泥机 主要结构 炮泥采用河南郑州五星机械厂炮泥机 PNJ-A 型炮泥机制作而成，现场炮孔直径 40mm,炮泥加工直径一般取 35mm。主要结构是由电动机?料斗?料斗架?卧式螺旋输送成形系统等组成，由一台电动机带动。 使用方法 炮泥原料的准备：炮泥中的主要成分是“泥” ，以选用黏土为宜。炮泥另一成分是细砂。无论是黏土(或普通的土)还是砂，其中掺杂小碎石块时，应过筛孔为好，过筛的筛孔尺寸为 5mm*5mm 左右，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
8、和的柔韧性更好。 炮泥机操作方法：开机前，在料斗中加入已预拌和的泥砂料约20kg，然后打开电源，在转动螺旋的推压下，泥料边向前输送边挤压密实，最后在卧式螺旋输送成形器端头源源不断地挤压出来；炮泥挤出到一定的长度 20-30cm 为宜。如炮泥容易断裂，则是由于炮泥中含砂量偏高，应调整配比，即增加黏土含量。 3.1.1.2.炮泥机操作工艺流程 炮泥中的砂子如果过多，会造成炮泥形成太差，容易破裂；水是炮泥“粘合剂” ，过少起不到粘合的作用，过多则炮泥过软，堵塞不严实。制作好的炮泥放置时间不要太长，最好在使用前 12 小时制作好，不然会失水变硬，堵塞后影响降尘效果。制好的炮泥以表面光滑、不断裂，用手略
9、微捏一捏可以变形为宜。制作工艺流程如下图所示。 炮泥加工现场成品炮泥 3.1.2水袋自动封装机及操作工艺流程 3.1.2.1.水袋机 工作原理 水袋是采用温州鑫瑞包装机械有限公司产 KPS-160 塑袋灌装封口机生产而成。KPS-160 型自动灌水、自动热合封口，简称“封口机” ， 塑料袋为常用的聚乙烯塑料，水袋长 200mm，直径为 35mm，袋厚约为0.8mm。水袋加工封口机，封口使用前，排空水管内空气，然后将袋子分别安装在喷嘴上，水袋灌满后压口塑封，水袋灌装应尽可能饱满。 其工作原理：采用高压泵式容积法计量方式进行灌装，由凸轮机构完成水袋自动热合封口。 使用方法 封口机在开动之前，要进行
10、定量调节；打开机器后门，松开泵连杆端头螺母，调节移位蝶形螺母即可通过调节泵连杆滑块左右位置得到所需灌装容量。顺时针减少，逆时针增大。调整好后拧紧端头螺母，以防松动移位，影响灌装容量，损坏调整杆。封口机定量调节好了之后，其具体操作是：打开电源，指示灯亮，调节温控调节器到适当封口温度由绿灯变为红灯时，即达到所调解封口温度(初始温度应设定为 130为宜，再逐步调节升高)。在开始灌注封口前，把主令开关拔上，等机器运转两次，使计量泵内吸满水，将空气排出后，把主令开关拔下，塑料袋由人工用双手拇指和食指夹住套在出料管口上，按启动开关，即完成自动灌注和封口。 3.1.2.2.水袋自动封装机及操作工艺流程 水袋
11、制作水袋加工成品 3.1.3 炮棍 对于“隧道掘进水压爆破” ，用炮泥回填堵塞，要边回填炮泥边捣固密实，所以需要一定材质和一定规格的炮棍。经实践比较理想的炮棍应是木质的，其一根炮棍规格为直径 30mm?长度 1.5m 左右即可，每捆 20 根。一捆木质炮棍 3.1.4成品水袋、炮泥的加工、验收 制作炮泥原材料必须使用红性粘土。水袋是指定厂家发货；炮泥质量:长度为 200-300mm，误差2mm、直径为 35mm、硬度适中。水袋厚度 0.8mm,长度 20cm,直径 35mm，水装满后袋子充满水；包装质量：为保持炮泥湿度，成品炮泥必须采用专用塑料袋均匀包装、封口、装箱，每箱装 2 袋；水袋的封口
12、封好，不漏水。 3.2.水压爆破工艺介绍 3.2.1 爆破参数设计 炮孔数量 N 由公式 N=KSMG 确定，其中 S 为断面面积，M 为单个药卷长度，G 为单个药卷质量， 炮孔平均装药系数。根据施工经验，K实际取值为 2.28kgm3。 茅坪山隧道 2#横洞主要以白云岩为主，次坚石，上台阶开挖断面为84.85m2，围岩为 III 级围岩，常规钻爆设计采用垂直楔形掏槽，总的炮孔数为 166 个，炮眼设计深如下表一。 表一:茅坪山隧道 2#横洞级围岩常规/水压爆破参数表 注：表中斜线左侧为常规爆破装药参数，右侧为水压爆破装药参数。3.2.2.炮眼布置、数目和角度 图三：水压爆破炮眼分布示意图（单
13、位：cm） （1）掏槽眼：采用大断面楔形掏槽，从左右两个方向各三排掏槽，掏槽孔与轴线夹角、孔深见表一，孔口间距见图三，掏槽孔数 40 个。 （2）辅助眼，按照疏密有度、排列规整的原则布孔。孔间距 0.75m左右，孔深 3.2m，炮孔数为 65 个，最外层辅助眼逐渐接近开挖断面形状，为周边孔创造有利的爆破条件。 （3）周边眼：沿设计断面幅员平行于轴线布置，间 0.45m，孔深3.2m，炮孔数 50 个。 （4）底板眼：按照间距 1.0m 水平布置，孔深 3.2m，炮孔数 11 个 3.2.3 隧道掘进水压爆破的炮孔装药结构 对于水压爆破的主爆孔装药，每个炮眼装药量一般为常规爆破每个炮眼所装药卷长
14、度的 80%左右的，少装的药卷空间用水袋代替。掏槽眼和辅助眼的装药次序是，先在炮眼底部装 1 个水袋，然后装所需的药卷，再装 2 个水袋，最后用炮泥回填堵塞。水袋、药卷、炮泥要挨得紧密，并适当捣固。孔口的水袋的长度要小于炮泥长度，两者的最佳长度比值一般为 3：4；周边眼装药比常规爆破减一卷药的办法装药，先在孔底装入一个水袋，然后装炸药，再装 4 个水袋，最后剩余空间装炮泥堵塞密实。 装药结构图 炮眼中装水袋 炮眼中装炮泥 3.2.4 起爆网路与顺序 为了安全、准爆，所有炮孔均采用微差非电导爆管雷管起爆，共采用 7 段导爆管雷管，周边孔间隔装药采用导爆索连接双向起爆，掏槽孔第 1 排正向起爆，其
15、余各孔均采用反向起爆。 经过试验确定，茅坪山隧道 2#横洞水压爆破的装药结构与常规爆破相比，掏槽眼 1 组和 2 组每孔减少装药 0.15kg；辅助眼每孔减少装药0.15kg,底板眼每孔少装 0.15kg；周边眼每孔减少装药 0.15kg；每循环总共节省炸药 25kg。 3.3.爆破效果对比表 经过数个循环的统计，总结得出如下数据，见下表。 茅坪山隧道 2#横洞常规爆破和水压爆破效果对比表 4. 水压爆破实施效果分析 4. 1.技术指标 目前茅坪山隧道 2#横洞自使用水压爆破以来，共施工了 40 个循环，总共掘进了 122m，为了比较两个方法的效果，常规爆破也间隔施工了 40个循环，掘进 10
16、6m，围岩级别相同，都是级白云岩，设计掘进进尺都是 3.2m。常规爆破每循环实际进尺为 2.62.7m，平均进尺 2.65m；水压爆破进尺为 3.03.1m，平均进尺为 3.05m,提高进尺 0.4 米,减少开挖 6个循环。 常规爆破的炮眼利用率为 83%，而水压爆破的利用率达到了 95%，单位耗药量降低了 0.23kg，通风排烟由过去 40 分钟缩短为 10 分钟。由此可见，水压爆破在节省炸药、加快进度、缩短通风时间、改善洞内施工环境方面的优势是十分明显的。 常规爆破放炮后 水压爆破放炮后 茅坪山隧道 2#横洞掘进常规/水压爆破主要技术参数对比表 4.2.经济指标 根据常规爆破和水压爆破的现
17、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 0.4m，每循环节省炸药 25kg，每爆破一立方岩石节省炸药 0.23kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了 30 分钟，下面我就根据这些数据，做一个经济分析。 4.2.1.使用水压爆破每延米所节省的费用 火工品节省的费用 茅坪山隧道 2#横洞主洞开挖面积是 84.85m2，每爆破一立方岩石节省炸药 0.23kg，炸药的单价是每公斤 12 元，每发雷管单价 6 元。 隧道每开挖一米节省炸药：（241.35/2.65216.3/3.05）=20.16kg12=241.92 元 隧道每开挖一米节省雷管,
18、一循环用 160 发：（160/3.05160/2.65）6=47.5 元 合计下来火工品每延米节省 241.92+47.5=289.42 元。 而且，按照级围岩每月正常进度 120m 计算，常规爆破施工每循环进尺 2.65m 需要开挖 45 个循环，水压爆破施工每循环进尺是 3.05m 需要39 个循环，这样一个月还节省 6 个循环，节约火工品费用 23137 元。 人工费节省费用 隧道每开挖一米节省人工费 一个循环提高进尺 0.4m，开挖断面是 84.85m2,一个循环进尺 3.05m,每开挖 1m3 班组工资为 23 元：0.484.8523/3.05=255.94 元 节约电费 隧道每开挖一米节省电费 75KW2 台1.05 元/度0.5h/3.05=25.82 元 把以上每延米节省的火工品费用、人工费用和电费合计为：289.42+255.9425.82=571.18 元 制作炮泥、水袋的支出 制作炮泥、水袋需要两人，每工天按 100 元计算，2 个人，折合每
