聚能水压光面爆破在隧道掘进中的实用技术.pdf

242023年7 月第38 卷第4 期铁路工程技术与经济聚能水压光面爆破在隧道掘进中的实用技术武兆弛，高远，陶山峰，张长飞（中铁上海工程局集团有限公司，上海。宝山2 0 1 30 8）摘要：为了解决隧道掘进超挖和超耗严重的问题，杭温铁路3标项目隧道施工创新采用了聚能水压爆破技术。实施过程中，根据聚能水压爆破技术原理，对炮孔布置及钻孔、炮孔装药及起爆连线等关键步骤进行了技术研究和创新，通过现场应用实践，取得了显著的效果，对类似工程具有一定的参考价值。关键词：聚能；水压；光面爆破；隧道掘进；实用技术中图分类号：U455.6文献标识码：A文章编号：1 0 0 7-9 8 9 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 5-0 6Practical technology of shaped water pressure smooth blastingin tunnelingWU Zhaochi,GAO Yuan,TAO Feng,ZHANG Fei(Shanghai Civill Engineering Group Co.LTD of crec,Zhe Jiang.Jin Hua 322300 China)Abstract:In order to achieve the efficiency of the tunnel construction of the third standard project ofHangzhou-Wenzhou railway,and solve the serious problems of over-excavation and over-consumptionin tunnel tunneling,the shaped charge water pressure blasting technology is adopted.In the process ofimplementation,according to the principle of shaped charge water pressure blasting technology,the keysteps of hole layout,hole drilling,hole charging and initiation line are studied and optimized.Through thefield application records,remarkable results are obtained,which has a certain reference value for similarprojects.Key words:shaped;the water pressure;smooth blasting;tunneling;practical technology0引言光面爆破技术在隧道掘进中得到了广泛应用，为减少围岩扰动，降低安全风险；控制隧道超挖超耗，降低施工成本；提高工效，加快施工进度，确保总体工期。杭温铁路3标项目成立了“长大隧道创新工作室”，结合现场实际情况和开挖揭示的地质条件，从传统爆破、水压爆破、聚能爆破等多种爆破方式进行优化创新，逐步探索出聚能水压爆破工艺和管理方法。通过两年的使用和总结，聚能水压光面爆破技术较传统光面爆破技术对隧道控制超挖超基金项目：中国中铁股份有限公司科技研究开发计划重点课题(2022-重点-4 1)作者简介：武兆弛，高级工程师，工学学士，现主要从事铁路、公路、市政等项目施工管理工作。E-mail:耗、施工进度和安全质量都有很大提升。笔者仅对聚能水压光面爆破实施过程中的关键技术和管理进行赞述。1工程概况杭温铁路为双线高速铁路，设计时速350 km/h，其中站前3标工程全长4 2.8 0 3km，包含7 座隧道，长达36.1 8 7 km，占标段长度的8 4.5%，其中、级围岩2 9.6 6 0 km，I V、V 级围岩6.4 2 7 km。隧道处于浙江中部的大盘山区，属中低山为主的纯山区地貌，地势起伏较大。地层以白垩系沉积岩、侏罗系火山岩和燕山期花岗岩类等组成；本区构造活动强烈，断裂发育，断裂构造与侵人岩接触带对隧道工程围岩等级、水文地质条件等有较大影响；区内崩塌岩堆、危岩落石等不良地质现象较发育；总体252023年7 月武兆弛，等毛水压光面爆破在隧道掘进中的实用技术第38 卷第4 期上本区工程地质条件较好。2聚能水压爆破基本原理聚能爆破就是利用“V”型聚能装置，在爆破时使爆破产物聚集起来，产生射流，提高能量密度，增强爆破破坏作用。不同装药及爆破聚能形成过程如图1 所示。(a)普通柱状装药裸眼井壁爆轰散射流爆轰聚能流爆轰金属流金属时(b)无罩聚能装药有罩聚能装药图1不同装药及爆破聚能形成过程在隧道掘进中采用聚能水压光面爆破就是在隧道周边孔中采用聚能管装置代替普通光爆装药结构，取消导爆索，在炮孔底部增设水袋，孔口增设水沙袋。（1)在周边孔中加人聚能管，利用线性聚能射流切割开挖轮廓线岩体，可以加大炮孔间距，减少周边孔数量，缩短钻孔时间，提高工效和光爆效果。详见图2 和图3。2017.8906图2C型聚能管及截面尺寸（单位：mm）图3“C型聚能管形状及安装姿态（2)在周边孔间隔装药的炸药端头加人聚能穴，利用聚能效应提高传爆距离，聚能穴代替导爆索，起到间隔装药的传爆和降低成本的作用。详见图4。图4聚能穴的安装（3）在炮孔底部放人水袋，在孔口放人水沙袋，利用“水楔”作用和爆破水雾，起到堵孔、降低炸药单耗和降尘的作用；同时利用水介质的近似不可压缩性及缓能效应，在减少爆破能量损失的同时降低孔壁上的爆破振动。详见图5。图5水袋、水沙袋的加工3主要施工工艺和操作要点聚能水压爆破操作工艺基本与传统光面爆破操作工艺相同，主要区别为加大了周边孔的间距，周边孔炸药增加了聚能管，取消了间隔装药导爆索，采用聚能穴传爆；所有炮孔装药前先放人一节水袋（长度2 5cm），孔口采用水带和水沙袋堵孔。其施工工艺如图6 所示杭温铁路站前3标是以人工钻孔为主，采用手持YT28型气腿式凿岩机，钻头直径4 0 mm，成孔直径4 2 mm,钻杆长度为4 m6m。本文以小岭隧道级围岩全断面开挖为例进行实操阐述。3.1炮孔布置及钻孔要点炮孔布置和钻孔是整个聚能水压光面爆破实施过程中的关键环节。炮孔布置重点是根据掌子面开挖断面、炮孔数量、炮孔间距等进行布孔，并综合考虑围岩情况、开挖工法、掌子面裂隙、台架高度和操作空间等。详见图7。钻孔要做到“准、直、平、齐”。即孔位要对准测量放样点，方向、角度要准；在开钻、钻进、退钻时要262023年7 月第38 卷第4 期铁路工程技术与经济施工准备测放开挖轮廊线及爆破孔位置水、电、压缩空气钻眼设备就位钻爆破孔、清理否检查炮孔质量处理是水袋、炮泥，装药及各段位雷管聚能管、聚能穴准备连接起爆网络检查起爆网络处理是起爆通风有处理检查有无瞎炮无出渣调整爆破参数处理开挖质量检查是结图6聚能水压爆破施工工艺流程图&13中小岭隧道II a 级围岩布孔方案33033070707085725图7爆破炮孔布置示意图使凿岩机、钻杆、炮孔成已直线；钻孔时要保证凿岩机平稳钻孔，防止上下、左右摆动；各部位的炮孔底应尽量平齐，在同一断面上。以下为各炮孔的操作要点：（1)掏槽孔：采用斜孔掏槽的方式，掏槽孔比辅助孔加深2 0 cm;掏槽孔打人掌子面成扇形布置,断面中线两内侧掏槽孔底距离控制在30 cm为宜。（2）中心破碎孔：为防止掏槽出现大块石头不便于装运，在掏槽范围、断面中心线中心钻一个炮孔，深度为掏槽孔深或循环开挖深度的一半。（3）扩槽孔：深度略小于掏槽孔，角度略大于掏槽孔。（4)辅助孔：间距和孔深按爆破设计和现场实际适当调整，钻孔角度由内向外逐步垂直掌子面。一般为孔距为8 0 1 2 0 cm,排距6 0 8 0 cm。(5）底板孔：孔距为1 0 0 1 50 cm，深度基本与掏槽孔平齐。（6)内圈孔：间距为1 0 0 1 30 cm；与其他辅助炮眼眼底在同一垂直面上，比周边孔深1 0 cm左右为宜。(7)周边孔：密集系数K=E/W，一般取0.8,采用聚能水压爆破可取0.9 1.0；周边孔间距取6 0 100cm，抵抗线为6 0 8 0 cm，对软弱破碎围岩适当减小，详见图8。小岭隧道采用聚能水压爆破技术，级围岩周边孔放样间距为8 0 cm，抵抗线7 0 cm。EE图8周边孔布置参数示意图3.2装药准备采用聚能水压爆破技术，在装药前除准备好炸药、雷管外，还需要进行聚能管、聚能穴准备，水袋、水沙袋的加工和制作。（1）聚能管装药：首先是将炸药从中间切成两段，然后轻捏聚能管端头插人炸药，再将聚能管全部推人，见图9。（2）聚能穴安装：首先将已安装聚能管的炸药端头切掉，然后将聚能穴安装在炸药上，轻按使炸药包满凸穴，最后安装保护套。如考虑两端传爆可在安装雷管的炸药两端均安装聚能穴。详见图1 0。272023年7 月武兆弛，等能水压光面爆破在隧道掘进中的实用技术第3 8 卷第4期第一步第二步第三步图9聚能管装药第一步第二步第三步单项传爆双项传爆图10聚能穴安装（3）水袋、水沙袋加工：用于孔底和堵孔的水袋和水沙袋为自密式塑料袋，水袋直接与水龙头连接充水即可；水沙袋需先将尾部剪开，灌人2/3 的砂，然后用封口机密封，最后与水龙头连接充水即可。详见图11。第一步第二步第三步水袋注水水袋、水沙袋第四步图11水袋、水沙袋加工3.3爆破参数设计及操作要点常规光面爆破设计总装药量计算公式见式Q=qu=qSLn(1)式中：L一炮眼的平均深度,取4.0 m；S-断面面积,取110 m；炮眼利用率，一般取0.8 5 0.9 5；单耗,硬岩取0.8 kg/m。则:0=0.8 110 40.9=3 5 6 kg采用聚能水压爆破，周边孔采用聚能管,其他炮孔装药量可比常规爆破少一节炸药（0.3 kg）。装药结构详见表1。表1小岭隧道出口爆破装药参数一览表装药量(kg)炮眼孔数雷管孔深序号药卷数单孔类别（个）段别(m)小计（节）用量1掏槽孔2014.8113.3662掏槽短孔212.551.533破碎孔13220.60.64扩槽孔1234.2103365辅助孔1253.992.732.46辅助孔1073.882.4247辅助孔593.882.4128底板孔573.682.4129底板孔293.692.75.410内圈孔21113.772.144.111周边孔33133.63.51.0534.6512底板孔2153.682.44.8合计1252751.级围岩上台开挖面积110 m，每循环进尺3.6 m，爆破方量396m;2.炸药单耗量约为0.6 9 kg/m，雷管140 发，聚能管140 个，聚能穴10 0 个；3.周边孔线装药系数约为0.2 9 kg/m。（1）掏槽孔：大断面隧道，一般采用楔形掏槽。掏槽孔总装药量按公式（2）计算Qi=N,:qi L,:+(2)式中:N一炮孔数量，取2 0；q1线炸药密度，直径3 2 mm乳化炸药，取1 kg/m;Li炮孔深度，取4.8 m；中装药系数，一般为0.7 0.9。则:Q1=20 1 4.8 0.75=72 kg单孔装药量比设计12 节少一节，为11节（即3.3kg），1段雷管；孔底水袋1支，孔口水袋1支+水沙袋1支。采用划破部分炸药间隔耦合装药结构，详见图12水象值管药水裂+水沙饺导爆管其他炮孔2060L（孔深）图12掏槽孔装药结构示意图（2）中心破碎孔：单孔装药一般安装1节炸药，3段雷管；孔底水袋1支，孔口水袋1支，水沙袋1支。（3）扩槽孔：装药量一般是掏槽眼的0.8 0.9，单孔装药取10 节炸药，3 段雷管；孔底水袋1支，孔口水袋2 支，水沙袋1支。（4）辅助孔：装药量一般是掏槽眼的0.7 0.9，单孔装药取8 9 节炸药，5-9 段雷管。二架单孔28勺U.ZJU.Ukg/m。衣约系数，2023年7 月第3 8 卷第4期铁路工程技术与经济装药9 节，三、四架单孔装药8 节；所有炮眼孔底水袋1支，孔口水袋2 支，水沙袋1支。（5）底板孔：装药量一般是掏槽眼的0.8 0.9，单孔装药取8 9 节炸药，9 段雷管；孔底水袋1支，孔口水袋2 支，水沙袋1支。（6)内圈孔：装药量一般是掏槽眼的0.7 0.8，单孔装药取7 节炸药，11段雷管；孔底水袋1支，孔口水袋2 节，水沙袋1支。(7)周边孔：周边孔装药量按公式（3）计算。Q2=N2:q2.Lt(3)式中：N2炮孔数量，取1；q2线炸药密度（直径3 2 mm乳化炸药，取1 kg/m;L2-炮孔深度,取3.8 m;则:Q2=13.80.27=1.03kg（取3.5 节,1.05kg），13、15 段雷管；孔底水袋1支，孔口水袋2支,水沙袋1支。采用聚能管、聚能穴间隔装药,其装药结构见图13水象健馆水沙导溪管一节+豪鱿火一节+聚能管+豪能光一节+聚能管+豪能饮1/2节+豪能管周边炮孔20304040604070115165380图13周边孔装药结构示意图（8）炮孔填塞：采用1支水带+2 支水沙袋，长度约为6 0 cm左右。（9）雷管连线：目前基本均采用数码雷，正常情况每个炮孔一发，沿传爆方向插入炸药。周边孔装药操作要点：1)聚能管两侧的聚能槽必须与开挖轮廓线一致。2）聚能穴的凹口必须对着传爆方向，一般由内向往传爆。3)底节炸药不需要安装聚能管，需安装聚能穴，孔口炸药不需要安装聚能穴。4）炸药人孔前需在炮棍上做好记号，同一人负责的炮孔、同一位置的炸药、应同一批送人炮孔，以放漏装或多装和便于控制间隔距离，3.4动态调整和施工管理要点3.4.1爆破参数的动态调整由于隧道爆破设计与围岩情况是对应的，爆破参数要随着围岩情况动态调整；采用人工钻孔时，炮孔布置要兼顾掌子面裂隙、开挖台架结构和操作空间；装药量、装药结构要考虑围岩强度、孔位布置、循环进尺等，总之，隧道爆破应一循环一设计，本循环的参数要以上循环的爆破结果为依据3.4.2施工管理要点要做好隧道的光面爆破，除掌握爆破技术外，在管理方面应做到以下几点：（1)组建专门的管理机构，主要领导要重视、要有检查，项目有专人管理。（2）制定各类管理办法，做到管理和奖惩有依据。（3）开展各种形式的学习培训和技术交底，做到管理人员掌握检查和现场控制要点，作业人员都掌握操作要点。（4）钻孔作业人员“七定”管理，“定人、定机、定位、定量、定时、定责、定奖罚”，做到奖惩分明。（5）严格掌子面和仰拱开挖循环断面扫描，加强现场操作指导和循环小结，不断调整爆破参数。（6)严格执行光爆周考核、周兑现，提高管理和作业人员积极性；（7）进行过程小结、月度总结、综合评比，对比光爆情况、混凝土消耗情况；（8）对现场不按要求操作、连续光爆较差和超耗较大的工点，约谈现场和队伍负责人，提出具体管理措施。4聚能水压光面爆破较传统光面爆破的优势通过两年的运用，并和各隧道开挖班组交流，聚能水压爆破比传统光面爆破有很多凸显优势。为更直观对比聚能水压爆破和传统光面爆破的优缺点，项目在小岭隧道进口级围岩同一个掌子面进行了周边孔传爆爆破和聚能水压爆破的对比测试，对比情况见图14和表2。总结如下：（1)工作量减少：采用聚能水压爆破周边孔间距由传统爆破的3 5 cm60cm，调整为6 0 10 0cm，减少了周边孔钻孔工作量40 5 0%。（2)安全、质量有保障：聚能控制爆破对围岩的损伤深度要小于传统爆破，光爆效果好，避免了初支及衬砌混凝土背后脱空，安全、质量可控。（3）环保有保障：采用水袋、水沙袋降尘、堵孔，降尘效果好，工人作业环境好，文明施工有保障。29下转第3 4页）2023年7 月武兆弛，等：聚能水压光面爆破在隧道掘进中的实用技术第3 8 卷第4期聚能爆破与传统爆破对比示意图项目：小岭健道进口工点：上台阶开挖（半径7.1）盟进线路：往大里程方向工段K187939-0K1879批柳R：18超久控单位：聚能爆破传统爆破量程：K187-940.00过刷拉布过别阿达设计断量：11周边孔间距：找路美生标：9 9 9 2 8 12 1周边孔间距：线路Y室标：3 2 141156080cm杨永东许光文40-45cm线路高程：2 8 6.40 8张李有志新量日期：2 0 2 2 年0 7 月2 9 日分实源#机：12 7.3 2 4m何孔胜万永明办号新#机：12 6.8 3 8实用周长：4.17 0 0鲁大超控：46 1最大火艳：2 一项光元锁光军平约热院：18 6平梅欠晚：8陈茂财韩新晶何维义冯三照祝河海项目：小岭疑通进口上台开楼半餐7.1）祥大星程方网DK187939-0K187943.项目：小轮随道进口工点：上台除开挖（半径7，1）捷进线路：往大里方间K187939-0K18794超火控单钱：#：0 18 7-440:0 0战路X室标：49 0 9 2 8 12 1找路7 2 栋：2 140 5 118找推尚程：2 0 6.40 8新量日阳：2 0 2 2 年0 月2 9 日禁量日：2 0 2 2 年47 月2 9 日火找丽聘：4.6 7 mEET火能面：46 2重大阳牌2 2 m早热超楼：15 3零约服挖：2 0 7 元孕约垫：3 8爱童记事图14聚能爆破与传统爆破对比示意图表2 聚能爆破与传统爆破对比一览表级围岩传统光爆与聚能水压光爆对比一览表（掌子面）单价传统光爆聚能水压光爆循环差量差额节超率序号项目单位备注（元）金额（聚-常）（元）%数量数量金额1周边孔间距cm45802炮孔个156125-3119.9%减少3 1个炮孔3循环装药Kg9.403313111.42752585.0-56526.416.9%减少5 6 Kg炸药4雷管发4.30175752.5140602.0-35150.520.0%减少3 5 发雷管5导爆索3.583001074.01-3001074.0100.0%取消导爆索6PVC管4.00240960.0-240取消PCV管720cm长炮泥条0.1528843.2-288取消炮泥8水袋条0.1512518.81259水沙袋条0.2025050.0250增加水沙袋1016cm长聚能管个1.7099168.399-168.3增加聚能管11聚能穴个1.8099178.299-178.2增加聚能穴合计5941.13602.32338.939.4%1、I级围岩上台开挖面积110 m，每循环进尺3.8 m，爆破方量418 m；炸药单耗由0.7 9 Kg/m降低至0.6 6 Kg/m2、聚能爆破比常规爆破每循环可节约成本约为2 3 3 9 元，节超率3 9.4%；3、II、II级围岩，全断面开挖，每公里约为2 7 0 循环，预计可节省成本6 3 149 0 元（仅为爆破材料费）：4、每循环周边孔少3 1个炮孔，周边孔作业12 人，每人少打2 个孔，约节省时间40 分钟。34上接第2 9 页）2023年7 月铁路工程技术与经济第3 8 卷第4期省2 10 0 元；2)单延米因超挖造成出渣量增加约4m，运输成本节省6 0 元；3）单延米因超挖造成的炸药增加约2 6 kg，炸药成本节省3 9 0 元；在进行大机推进梁改装及支护措施调整后直接成本大幅降低，在不考虑功效提高、工期缩短后节约的项目管理成本的情况下，相对传统大机开挖节约直接成本2 5 5 0 元/单延米。5结语本文通过对推进梁改进，可将施工效率提升6%；通过调整掌子面与第一榻拱架间距，可降低喷射混凝土超耗量约7 0%，炸药单耗量降低至0.89kg/m，同时平均提升单循环所需时间约1.5h，节约直接成本约2 5 5 0 元/延米，显著提升了三臂凿岩台车的使用功效，同时控制了喷射混凝（4)增加循环进尺：采用聚能水压爆破每循环比普通爆破可多进尺2 0 cm左右，提高了炮孔利用率。（5)循环时间减少：以全断面为例,采用聚能水压爆破每循环比普通爆破每循环可减少时间6 0 分钟左右，其中钻孔节余40 分钟，装药、连线、通风降尘时间减少2 0 分钟，提高了工效，工期得到保障。（6）成本可控：与传统光爆相比，炸药可降低10 20%，聚能穴仅为导爆索的2 0%，火工品单耗低、超挖和混凝土超耗低、工效高、工期有保障，成本更可控。5结论聚能水压光面爆破技术较传统的光面爆破，在土超耗量。隧道工程施工环境复杂，在现代化铁路建设的大环境下，大机取代人工是不可逆的趋势，大机运用功效与超欠挖控制已成为隧道工程施工成败的关键因素。当然，隧道施工是一个系统化工程,方案的合理性、组织的科学性、设备材料的合理利用以及地质等客观因素均对于成本控制影响巨大，文章通过对三臂凿岩台车推进梁调整进而提升施工功效及钻杆施作周边眼外插角对超挖影响上分析，有一定的局限及片面，仅供参考。参考文献：1赵福成三臂液压凿岩台车的应用J.水利科技与经济,2 0 13.3.2于亚伦工程爆破理论与技术M.北京：冶金工业出版社,2 0 0 3.3陈锋临近既有线隧道悬臂式掘进机施工技术经济分析 J.工程造价管理,2 0 2 1(6)：8 2-8 8.施工安全、质量、环水保、进度、成本等各方面均有明显的优势，尤其是在隧道超挖和混凝土超耗方面得到了有效的控制，可在钻爆法施工铁路隧道掘进中进行不断总结、提升、推广应用。参考文献：1于亚伦.工程爆破理论与技术.【M.北京：冶金工业出版社,2 0 0 4.2中国铁路总公司.高速铁路隧道工程施工技术规程：Q/CR96042015S.北京：中国铁道出版社,2 0 15.32008年爆破工程设计施工常用数据与技术标准规范速用速查手册M.北京：中国知识出版社，2 0 0 8.4肖汉甫，吴立，陈刚，李春军，等.实用爆破技术M.北京：中国地质大学出版社，2 0 0 9.