牛 昊，张春生

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

水压爆破技术在七峰山隧道开挖中的应用

牛 昊，张春生

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

结合郑万铁路南阳段七峰山隧道爆破开挖工程，采用现场测试方法，对水压爆破和常规爆破的循环进尺及粉尘浓度等数据进行了对比分析研究。研究结果表明：在水压爆破相比常规爆破减少23.6 kg药量的条件下，采用水压爆破每循环进尺比常规爆破多0.3 m，且水压爆破相比常规爆破平均粉尘浓度降低了67.6%，改善了洞内环境。另外，通过成本与效益分析计算，凸显出水压爆破技术在隧道爆破开挖过程中对施工成本控制起到较大作用。现场试验结论充分体现出水压爆破的优势及良好经济效益，为今后类似的隧道爆破施工提供借鉴。

水压爆破；隧道开挖；粉尘浓度；爆破参数

随着山岭隧道施工技术的发展，采用无堵塞炮孔装药爆破结构是最有效的施工方法之一。然而在爆破施工过程中，这种装药结构爆破炮孔无回填堵塞炮眼，爆破后产生的粉尘较大[1]，污染洞内环境[2]，同时爆生气体逸出时温度很高，能量没有得到充分利用[3]。因此，不回填堵塞炮眼装药结构存在着粉尘浓度高，能量利用率低等问题。

水介质装药爆破作为一种新的爆破方法[4]，主要依靠水作为爆炸能量的传递介质[5]，利用水作为炮眼填充介质，水在爆生气体膨胀做功情况下逐渐展现为“水楔”[6]，其对岩石造成更多的破碎[7]。爆破后产生应力波把水冲成散雾状，粘结粉尘快速降落，能够降低空气中的粉尘浓度[8]，提高隧道内的空气质量[9]。

本文依托郑万铁路南阳段七峰山隧道爆破工程进行了水压爆破现场试验。在依据爆破参数进行水压爆破试验的基础上，对水压爆破和常规爆破的爆破参数及粉尘浓度进行了对比分析研究。

1 工程概况

七峰山隧道由中铁五局承建，处于河南省南阳市方城县杨集和拐河镇交汇处，为单洞双线铁路隧道。起止里程：DK205+883—DK211+040，隧道全长5 157 m，隧道围岩级别为Ⅱ级—Ⅴ级。Ⅱ级围岩长度910 m，占隧道总长度18.0%，Ⅲ级围岩长度2 795 m，占隧道总长度54.0%，Ⅳ级围岩长度745 m，占隧道总长度14.0%，Ⅴ级围岩长度707 m，占隧道总长度14.0%。

本次试验段位于七峰山隧道进口段。Ⅲ级围岩是365 m，Ⅳ级围岩长度160 m和Ⅴ级围岩长度为60 m。洞身围岩为花岗岩，弱风化，岩体较完整，质地坚硬。隧道地表水发育不充分，地下水大部分为基岩裂隙水，发育不强，重要补给来源是大气降水，隧道进口采取上下台阶开挖，开挖面积125.7 m2。

2 隧道水压爆破设计与施工

2.1 水压爆破设计原则

水压爆破和光面爆破设计方法通常是基本吻合，只是相对调整装药方式和炮眼填堵[10]，才能减小岩石表面的初始冲击压力[11]。以七峰山隧道施工为例，施工采用两台阶开挖法，上台阶开挖断面为102.1 m2，岩石节理较发育[12]。钻孔爆破参数的确定在一定程度上决定了隧道掌子面爆破的质量。除钻孔方式及其参数外，重要爆破参数还有：单位炸药消耗量、孔深、孔直径、药卷直径、孔数等。恰当的运用爆破参数时，不但要思考开挖岩石地质及断裂带等条件，并且还要考虑到爆破参数互相联系及爆破效果的干扰(如炮孔利用率、岩石破碎程度等)。

2.2 爆破设计参数

(1) 周边孔间距E。炮孔直径D为40 mm时，周边孔每两个孔之间的距离E是(10～16)D，Ⅲ级围岩周边孔之间的间距为400 mm～600 mm比较符合，隧道Ⅲ级围岩周边眼间距取500 mm。

(2) 光爆层厚度w。光爆层厚度和隧道爆破掘进掌子面有关。断面越大，光爆孔受到夹制力越小，岩石容易崩开，光爆层厚度可适当变大；断面越小，夹持力越大，光爆层厚度就会小些。隧道光爆层厚度w为500 mm。

(3) 周边眼密集系数K。周边眼密集系数K为光爆层厚度w和周边孔间距E比值的倒数，是爆破效果的关键因素。K=E/w，取值为0.8左右。

(4) 孔深L。掏槽孔和角眼取值为4.5 m～5.0 m，其他炮眼深度取4.0 m～4.3 m。在现场实际掌子面爆破开挖过程中，应根据爆破完掌子面的破碎程度，适当调整炮孔打钻深度，让炮孔孔眼眼底在一个垂直面处。

(5) 炮孔数量N。炮孔数量和开挖掌子面面积、炸药类型等有很大联系。炮眼数太少将造成局部大石块增多，周壁不顺滑，甚至会出现爆破不开裂情况；炮孔数过多会使打钻工作时间增长。炮孔数量计算公式如式(1)所示：

N=0.0012qS/(ad2)

(1)

式中：N为炮孔数量；q为炸药单耗量，1.0 kg/m3；S为开挖断面面积(上断面S=102.1 m2)；a为炮眼装填系数，取0.62；d为药卷直径,d=32 mm。可求得全断面炮孔数量N=192(现场实际钻孔201个)。

(6) 炸药类型。2号乳化炸药，药卷直径32 mm，长度20 cm。

(7) 炮孔布置图。基本遵照目前班组熟悉的既有钻孔方案，上台阶炮孔布置图及A-A截面段位示意图如图1所示，后续视情况进行优化调整。

图1上台阶炮孔布置及段位示意图

2.3 装药

(1) 单眼装药量的计算。掌子面爆破开挖，炮孔所分布在掌子面位置不同，发挥的作用也不一样。掏槽孔需要抛出；掘进孔仅要求松动，而在掏槽孔部位四周的炮眼分布要求又不一样。周边孔需预裂爆破，底板孔要求炸药药量。否则，该底板爆破效果不理想。所以掌子面各部位炮孔装药量都是不一样的。除了周边孔外，爆炸药量公式为：

Q=kawLλ

(2)

式中：Q单眼装药量，kg；k平均炸药单耗，kg/m3，取值1.0 kg/m3；a炮孔间距，m；w光爆层厚度，m；L炮眼深度，m；λ炮孔部位系数(见表1)。

表1 隧道炮孔部位系数

七峰山隧道上台阶水压爆破不同部位炮孔装药量与原来的爆破方案相比，降低了常规爆破中掘进眼、辅助眼、内圈眼和底板眼装药量，每个炮眼装药量平均减少约0.2 kg，周边眼药量不变。爆破参数改变量见表2。

表2 参数改进 单位：kg

(2) 装药结构。混合装药结构采用药卷与水袋[13]。按爆破设计装药量和装药结构进行，孔内使用非电导爆管雷管制作起爆药包。装药前应认真排查有无堵孔等现象，及时调整光爆层厚度发生改变的炮孔装药量。装药过程中应注意炮孔深度，防止炸药超过预计装药量或装不到位产生相邻段隔爆。如果已装过量，用塑料柔性工具或高压水冲洗多余的孔。

水袋由水袋自动包装机加工而成，具体装药结构如图2所示。

(3) 填塞。堵塞作用使炸药在爆破作用下作充足爆炸应力提高能量使用率，因此堵塞距离不小于50 cm，以炮泥封堵材料组成(黏土∶砂∶水=13∶1∶2.7)[14]。每节炮泥塞入后，应立即用微力轻轻振动，要求致密，不应有空隙和间断[15]。为防止炮泥搬运拿捏过程中脆断，炮泥制作时长度不宜过长，建议炮泥长度为(18 cm～22 cm)。

图2装药结构示意图

2.4 起爆

光面爆破分区起爆顺序与常规光面爆破相同：掏槽眼—辅助眼—底板眼—周边眼。爆炸由非毫秒导爆管引发。网路设计思路清晰，一般不使用孔内推迟引爆方式。仅要求每一捆粘结牢固，簇联时一捆导爆管数量不大于25根。起爆网络如图3所示。

图3起爆网络示意图

2.5 爆破实施注意事项

(1) 施工必须注意周边眼和周边辅助眼的施工质量。

(2) 炮孔应采用炮泥填塞，填塞长度一般不少于50 cm。

(3) 水袋制作过程中，应保证装水量占水袋容积90%左右，同时水袋内不应有气泡出现，在用水袋制作设备装水过程中应用手捏紧水袋头部以保证水袋充分鼓起。封口处要再次检查，以免出现漏水现象，造成爆破效果不佳。

(4) 炮泥制备应选用适度湿润的黏土，在爆破前2 h～3 h制作炮泥为宜， 加工好的炮泥应水平放在塑料筐内。

(5) 本设计适用于围岩等级为Ⅲ级的围岩段。

3 成本与效益分析

在该测试段Ⅲ级围岩地段，设计掘进深度4 m。常规爆破实际进尺3.5 m，水压爆破实际进尺3.8 m。每循环上台阶爆破炸药量节省约23.4 kg。爆破后隧道粉尘浓度显著下降，降低了通风除尘的成本和时间。总体而言，水压爆破应用于隧道施工中在增加开挖进尺、降尘、节省药量等方面，具有一定工程实用价值。

3.1 技术指标分析

常规与水压爆破技术指标分析结果见表3。

表3 两种爆破平均指标对比

3.2 经济指标分析

根据常规爆破与水压爆破实际数据对比情况，在相同爆破掌子面面积、炮孔分布及炮眼深度条件下，每爆破一立方岩石节约药卷0.06 kg，通风降尘时间缩短了16 min。使用水压爆破每延米所节省的费用如下：

(1) 火工品节省费用。七峰山隧道上台阶开挖面积102.1 m2，药卷单价是12 元/kg，雷管单价6元/发。隧道每掘进一米节省药卷费172元。

(2) 人工费节省费用。每循环增加进尺0.3 m，开挖面积102.1 m2，每循环进尺3.8 m，开挖班队工资20 元/m3。节省费用161.2元。

(3) 节约电费。隧道每开挖1 m节省电费14.4元。

(4) 其他费。

① 制作炮泥、水袋人工费：

现场制作的炮泥和水袋需要3人，每人100元/d，按每天2个周期计算，折合每米费用39.4元。

② 水袋费用：每周期水袋使用773个，每个0.1元。每延米费用20.34元。

③ 制作炮泥土砂费用：40元/m3，1 m3做1 000 m，5 000 根，可以做10个周期，每延米成本1.05元。

④ 电费1.78元。

使用水压爆破每米额外费用的使用量为62.57元。

合计节省费用为：

172+161.2+14.4-62.57=285.03元

3.3 粉尘浓度测试

粉尘检测采用JCF-1000直读式粉尘浓度测量仪，在爆破后10 min未通风情况下，监测距掌子面50 m位置处粉尘浓度。常规爆破与水压爆破对粉尘浓度影响统计表如表4所示。

表4 常规爆破和水封爆破对粉尘浓度的影响统计对比表

表4的结果显示，通过对3个循环常规与水压爆破进行现场粉尘浓度监测得出：常规爆破后平均粉尘浓度55.2 mg/m3；水压爆破，平均粉尘浓度17.9 mg/m3。水压爆破对比常规爆破平均粉尘浓度降低了67.6%，说明水压爆破具有良好降尘作用。

4 结 论

依托七峰山隧道水压爆破试验得到以下结论：

(1) 通过与常规爆破的指标对比，认为水压爆破相比常规爆破在减少23.4 kg药量的条件下，每循环提高进尺0.3 m。

(2) 通过爆破后对粉尘浓度的采集，水压爆破相比常规爆破爆破后平均粉尘浓度降低了67.6%，改善工作环境等方面具有明显的实用价值。

(3) 通过对水压爆破和常规爆破各项指标的对比计算和分析，发现水压爆破在加快进度和降低成本具有显著效果，对水压爆破具有良好的推广意义。

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ApplicationofHydraulicBlastingTechnologyinQifengshanTunnelExcavation

NIU Hao, ZHANG Chunsheng

(CivilEngineeringofHe'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China)

Based on the blasting excavation construction of Qifengshan tunnel in Nanyang section of Zhengwan railway, round and dust concentration data of water pressure blasting and controlled blasting was analyzed with the field test method. The results showed that hydraulic blasting compared to conventional blasting under the reduce 23.6 kilograms explosive charge conditions, the hydraulic blasting each blasting footage more than 0.3 meters compared to conventional blasting, and the average dust concentration of hydraulic blasting decreased by 67.6% as well, which is very helpful in terms of improving the environment in tunnel. In addition, through analysis calculation costs and benefits, it is shown that hydraulic blasting technology plays an important role in the construction cost control during the tunnel blasting excavation. The results of field test fully reflected the superiority of hydraulic blasting, and obtained good economic benefits, thus can provid reference for similar tunnel blasting construction in the future.

hydraulicblasting;tunnelexcavation;dustconcentration;blastingparameters

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.022

2017-07-21

2017-08-19

国家自然科学基金项目(53178505)

牛 昊(1990—)，男，河南郑州人，硕士研究生，研究方向为隧道与地下工程。 E-mail：hhnsun@qq.com

张春生(1974—)，男，河南临颍人，副教授，主要从事结构工程、施工技术与现代管理研究。E-mail:420355950@qq.com

U455.6

A

1672—1144(2017)06—0112—04