研究水压爆破技术在隧道掘进施工中的应用

2015-12-25丁国森中国人民解放军96531部队河南洛阳471031

江西建材 2015年3期

■丁国森 ■中国人民解放军96531部队，河南洛阳 471031

在隧道掘进工程中，水压爆破技术可谓是极为先进的绿色环保技术，促使掘进工程施工技术完成了多次质的超越。

1 水压爆破技术概述

水压爆破技术最先提出于上个世纪的九十年代，提出人为著名爆破专家何广沂教授［1］。此项先进技术的提出充分结合了当时隧道工程施工现状。何广沂教授在观察研究中发现，大部分的隧道工程在进行掘进施工时，所采取的爆破方式为不回填堵塞炮眼或是对炸药箱纸进行浸水应用。诸如此类的技术在应用中不仅是完全缺乏科学合理性，浪费资源，加大成本投入，同时在爆破中威震力极大，对施工环境保护极为不利。为了解决这一问题，何广沂教授在1995年提出了一个露天深孔水压爆破的研究课题，而在2002年又结合隧道掘进工程提出了相关研究课题，对深、浅孔、隧道掘进等水压型爆破技术应用的装药结构进行了较为全面细致的分析研究。

2 水压爆破技术在隧道掘进工程中的应用

2．1 应用施工流程及原理

2．1．1 水压爆破技术应用流程

在工程施工中，水压爆破技术的应用流程主要如图1所示。

图1 水压爆破应用施工流程环节

2．1．2 水压爆破技术应用原理

水压爆破原理:在水压爆破技术应用中，其设计方案与传统方案并无什么不同，只是在装药及炮孔堵塞操作中进行了科学调整。此项技术的主要应用原理为:在炮眼内部的具体位置加入定量水分，运用所制作好的炮泥对炮眼进行回填堵塞。对水中传播具有的一定爆破冲击力给予水的不可压缩性充分利用，从而使得在爆炸力从水传达至围岩处时不会产生较大损失。与此同时，当爆炸气体在水中膨胀后，将会产生一定的“水楔”效应，能够为岩石粉碎提供加大助力。炮眼内部水分还可对整个环境起到极佳的雾化降尘效能，避免造成严重的环境污染。

2．1．3 水压爆破技术与普通爆破对比

(1)与普通爆破相比，水压爆破技术应用中在水中爆轰产物的膨胀速度较慢，其所产生的爆炸作用强度明显比普通爆破强，其持续时间也要长于普通爆破。

(2)水压爆破在炮孔周围岩石周边所产生的爆炸强度远远高于普通爆破，而衰减速度又要慢于普通爆破。水压爆破的压力峰值极大，破坏力极强。

(3)与普通爆破相比，水压爆破技术应用中能够使得孔壁岩面的冲击压力得以减小，进一步提升预裂爆破的成型质量。

(4)普通爆破方式在空中的初始冲击波压力值范围主要为80～130MPa，而水压爆破技术在其应用中主要的爆破区域为水中，初始冲击波压力至少在1万MPa以上。

与普通爆破方式相比，水压爆破技术的爆炸强度更大，持续时间更长，压力峰值更大，破坏力更强，衰减力更小，初始爆破冲击波压力更大。

2．2 水袋的制作

水袋制作主要采用的是PSP-1型的炮孔水袋自动注水风口设备加工而成，水袋的加入制作只需用到2～3名工作人员，1人负责进行水袋自动注水设备的启动关闭操作，1～2人负责进行水袋的拿取操作。将水袋放置于铁框或是木箱之中，注意水袋的袋口应向上，竖直方向放置。倾斜角度为85℃。对水袋进行焊缝时，需及时对其焊头处的温度进行调节。通常情况下的温度应为125℃左右。在水袋制作中应注意这么几点:(1)相关塑料袋制作材料为聚乙烯，厚度值为0．8mm，直径则为35mm，具体长度值为200mm，通过相关加工单位加工制作而成，运用封口机进行水袋的制作，水袋制作中灌水、风口均采用自动化。(2)水袋中必须灌满水，确保水袋风口密实，避免出现漏水、渗水等问题。真正符合标准的水袋应能够做到坚实挺拔，且能够方便顺利的放置于炮眼之中。(3)将封口设备的后门打开，将其泵连杆端头处的螺母进行松开处理，对蝶形螺母进行调节移位处理便可得到灌装所需容量。通常情况下是顺时针为逐渐减小，逆时针则为逐渐增大。(4)在进行灌注封口操作时，需将主命令开关拔上，待机器运作次数达到两次时，促使计量泵中充满水，待内部空气完全排空之后，再将开关作拔下处理。相关工作人员运用两手的拇指、食指将塑料袋固定于出料关口，按下开关开启设备，便可进行自动化的灌注及封口操作。

2．3 炮泥的制作

炮泥制作中所应用到的原料主要有:砂粘土、黄粘土，在炮泥制作原料中应避免出现石子、杂物等。采用专业炮泥机进行炮泥制作，制作中所需用到的人力数量为2～3人，具体操作:一名工作人员将相关原料放置于制作机械中，一至两名工作人员将制作好的物品取出。取出后的炮泥应放置于专属的炮泥箱或框中。炮泥制作示意图如图2所示。

图2 炮泥制作示意图

在炮泥的制作中应着重注意的是这么几点:第一，炮泥的主要原料应为黏土及细砂。在将原料与水进行混合搅动之前，如存在石块等杂物，则应及时将其取出。如存在大量的小石子则应进行筛检操作，筛眼的大小应为5mm×5mm左右为宜。真正符合标准的炮泥其表面应较为光滑，用手指进行触摸、轻捏时应能够留下痕迹。这样的炮泥才能在具有充分水量的同时又能在捣固中便于操作。

第二，在炮泥的制作中，应注意对相关比例进行有效控制。如果在制作中存在用砂过多的情况，那么对于整个成品的成型将会产生极为不利的影响;而如果存在用砂过少的问题，那么成品的比重将会较小。用水量也应科学控制，过多或过少都会出现问题，如粘合性较差或是过于柔软等，极不利于后期的捣固。相关的土砂水比例应为0．75∶0．1∶0．15，只有这样才能够保证制作出的成品具有较好的塑性及强度，能够便于进行回填堵塞施工。

第三，制作完成后的成品应避免充分暴露于阳光之下或是放置极长的一段时间，避免其内部水分逐渐流失，致使炮泥极硬。通常对于炮泥的制作应为使用前的2～3小时。

2．4 科学的装药操作

在进行装药施工时，需运用人工木制炮棍。相关工作人员在炮孔中一一放入药卷，运用炮棍进行捣实处理。从而达到有效缩短各药卷之间距离，确保传爆效果的目的［2］。装药操作中应注意对捣实力道进行控制，不宜过大，避免用力过猛造成水袋完全破裂或是密度偏大等问题的出现，致使炸药无法成功爆破。

装药的组成结构由底至口应为水袋—药卷—水袋—炮泥，(示意图如图3所示)。确保各结构的连接紧密度。在装药之前，应准确测量整个炮孔的具体深度，依照其数据值进行药量及水袋、炮泥长度的准确计算。依照顺序将将所有物品放置于炮孔之中。注意在水袋的放置时，应运用炮棍将水袋一一捅入炮眼中。在进行炮泥的回填时，除却与水袋完全接触的炮泥之外，其余炮泥应全部坚实捣固。

图3 装药组成结构示意图

3 水压爆破技术在隧道掘进工程中的应用效果

3．1 技术效果

在对某个隧道掘进工程进行施工时，分别采用常规型及水压爆破技术时相关指标值对比如表1所示。

表1 两种爆破技术技术指标对比

3．2 经济效益

在此工程中，水压爆破技术应用中节省人工费用约为119100元，节省炸药费用约为89920元，节省材料费约为137820元，节省机械费用约为66256元，节省电费约为61986元，应用促使此工程施工工期得以有效缩短，缩短时长为15d，共计节省施工费用475082元。由此能够充分表明，在此项先进环保技术的应用中，技术、经济、社会效益均能够得到有效提升［3］。