• 隧道掘进聚能水压光面爆破新技术与应用
• 来源：原创 作者：原创 发布日期：2020-08-21 08:41:01

• 光面爆破在隧道开挖中得到了广泛的应用，相对于普通爆破来说，爆破成型质量及安全有较大改观，收到一定效果[1]。但常规光面爆破技术不足之处在于：炮孔间距为40～50 cm,布孔过密、打

光面爆破在隧道开挖中得到了广泛的应用，相对于普通爆破来说，爆破成型质量及安全有较大改观，收到一定效果[1]。但常规光面爆破技术不足之处在于：炮孔间距为40～50 cm,布孔过密、打孔过多、打孔作业占用时间过长；炮孔中有药卷部位极易造成围岩出现裂缝或洞穴,影响围岩稳定,甚至会造成塌方; 常常出现超挖,增加混凝土衬砌量，提高施工成本；隧道爆破开挖出现亏损,超挖是致命的“罪魁祸首”[2]。为此，在四川省成兰铁路11标金瓶岩隧道工程中，采用了一种新的爆破技术——聚能水压光面爆破技术，成功解决了常规光面爆破的不足，取得了良好的技术、经济效果。

金瓶岩隧道长12.77 km，穿越镇坪乡、镇江关2个乡镇，最大埋深791 m。处于青藏高原东部边缘，群山林立，坡陡沟深，隧道处于岷江断裂带与镇坪倒转复向倾斜复合部位。段内砂岩、板岩、千枚岩中小褶曲发育，产状发育较大，岩体破碎，节理发育，地质条件复杂，涉及黄龙国家级名胜区、大熊猫栖息地等环境敏感区，环境要求非常高；地处汶川地震带，地质条件复杂，围岩软弱破碎，千枚岩遇水成泥，并伴有有害气体、高地应力、泥石流、顺层偏压等不良地质条件，安全风险极高。施工中需要迫切解决2个问题，即减少围岩扰动，降低安全风险；减少隧道超挖，降低施工成本。

2．1 原理

聚能水压光面爆破就是炮孔中由聚能管装置替代了常规光面爆破炮孔中的药卷和传爆线,炮孔的最底部和上部有水袋, 用专用设备加工成的炮泥回填填塞。

常规光面爆破炮孔中的炸药爆炸后，在岩石传播应力波时产生径向压应力和切向拉应力, 由于光爆炮孔相邻互为“空孔”,所以在光爆炮孔连线两侧产生应力集中度很高的拉应力超过了岩石抗拉强度,于是使炮孔之间的岩体形成的初始裂缝要比其他方向厉害的多,除此之外,由于炸药爆炸生成的高压气体膨胀产生的静力作用促使初始裂缝进一步延伸扩大。而聚能水压爆破除上述应力波作用外,聚能槽产生的高温高压射流以及光爆孔中的水袋在爆炸作用下产生的“水楔”效应,促使岩石初始裂缝延伸扩展加大。聚能水压光爆炮孔由于水袋炮泥复合填塞,有力控制炸药爆炸生成的膨胀气体于炮孔中, 其膨胀气体静力作用要比常规光面爆破不填塞强的多, 更有利于已形成的裂缝再延伸扩展加大[3]。

聚能水压光面爆破技术由于聚能管的高温高压射流、“水楔”作用以及增强了膨胀气体的静力作用，解决了常规光面爆破的不足，同时由于在光爆炮孔中放置了水袋，在爆破过程中产生的水雾起到了降尘的效果，改善了作业环境，保护了施工人员的身体健康[4-5]。

2.2 聚能管装置装药技术

2.2.1 聚能管参数

聚能管采用一种抗静电阻燃的特种塑料管，形状为异形双槽，管长2、2.5、3 m不等。聚能管根据炮孔深度可长可短,是由两个相似半壁管组成,管壁厚2 mm,半壁管中央有一个凹进去的槽,叫做“聚能槽”。聚能管截面尺寸:聚能槽顶角70°,聚能槽顶部距离17.27 mm,半壁管宽度24.18 mm,两半壁管相扣成的聚能管宽度为28.35 mm。为调节聚能槽对准开挖轮廓面,两半壁管可调聚能方向8°～10°。聚能管裝置中的炸药为乳化炸药。聚能管内部尺寸形成的截面就是炸药的截面

2.2.2 聚能管装置的组装方法

聚能管装置中的传爆线和起爆雷管为施工现场通用的起爆器材，起爆雷管段别与常规光面爆破相同。往半壁管注药需要注药枪和空压机等设备，注药枪长45 cm，重0.8 kg；小型空压机功率800 W，重23 kg。往半壁管注药步骤：第一步把药卷一端和沿药卷纵向把包装皮切开，然后两药卷沿纵向切开面合并并装入注药枪筒中，最后拧紧旋转盖；第二步给注药枪加压，其压力为0～2个大气压；第三步手握注药枪沿半壁管从头至尾移动，炸药就从枪口连续不断流入半壁管中。注好炸药的两个半壁管相扣之前在其中一片半壁管中放置一根传爆线，然后合并装在一起，装上起爆雷管，聚能管基本组装好。

为保障聚能管装置中的聚能槽对准隧道轮廓面以防止转动，要在聚能管装置的两端套上塑料套圈，这样聚能管才完全组装好。要特别指出的是，为了安全，在聚能管装置组装房内最好不要安装起爆雷管，待运到掌子面时再安装。整个注药过程操作简便快捷, 一个循环光爆炮眼所需要聚能管装置数量可在1 h左右组装完毕

2.3 聚能水压光面爆破技术要点

2.3.1 周边孔参数的确定

聚能水压光面爆破技术布孔与常规光面爆破完全一样，凿岩工具和工艺均无变化。不同之处在于周边孔的间距，常规光面爆破40～50 cm，聚能水压光面爆破周边孔间距布置80～100 cm，起拱线、围岩节理发育处可根据现场情况适当缩小孔间距

2.3.2 装填操作步骤

装药之前，把加工后的聚能管运至施工掌子面，并准备绝缘胶带、孔内定位棉、夹条等辅助材料。装填的步骤：第一步，往炮孔最底部填装一个水袋，水

袋必须装到炮孔最底部，不能留有空隙；第二步装填聚能管装置，聚能管长2.5 m，是炮孔深度的70%，聚能管装置要紧挨着炮孔最底部水袋，聚能槽要与轮廓面一致，特别要注意千万不能装错；第三步，装填两袋水袋；最后一步，用专业设备加工成的炮泥回填填塞一直到炮孔口，用木质炮棍捣固炮泥才会坚实，起到填塞的作用(见图5)。所有炮孔填过后,像常规光面爆破那样连线起爆。

根据聚能水压光面爆破技术在金瓶岩隧道掘进(51 m)中的应用情况，针对不同的地质条件、机械设备、气候条件等，采取现场写实记录的方法，对钻孔装药、出渣、排险、支护、喷浆等耗费时间及喷射砼量进行记录，并对初支喷射混凝土的设计、实际消耗量进行对比分析，记录结果如表1所示。

表1 金瓶岩隧道聚能水压光面爆破记录

4.1 技术效果

将聚能水压光面爆破技术与常规光面爆破进行比较，技术效果如表2所示。

1)成型效果好。开挖轮廓线平顺整齐，超欠挖明显改善，有利于支护工序施工，同时混凝土回填成本大为降低。

2)造孔率减少50%，大大降低了爆破作业工班的劳动量,钻孔缩短30 min。打孔少，出渣量减少，节约炸药、雷管、钢钎等，降低了材料成本，减少工时消耗，劳动效率明显提高。

3)(光面)爆破成本降低30%以上。

4)半孔痕保留率达到85%以上。

项目常规光面爆破聚能水压光面爆破周边孔直径/mm4242周边孔间距/cm50100药卷直径/mm3232周边孔个数/个4223炮孔深度/m3.53.5炸药消耗/kg29.424.84雷管消耗/枚4223最大超挖/mm250165循环进尺/m33.3半孔痕保留率/%6085

4.2 经济效果

通过对常规爆破技术、聚能水压光面爆破技术应用取得的数据进行对比分析，聚能水压光面爆破经济效果显著

项目名称单价/元常规光面爆破聚能水压光面爆破消耗量合价/元消耗量合价/元成本节约/%钻孔(m/孔数)12.33155.4/421916.0885.1/231049.2845.20炸药/kg8.7029.4255.7824.84216.1015.55雷管/枚5.3742.0225.5423.00123.5145.20导爆线/m2.74189.0517.8659.80163.8568.36聚能管/m57.50402.50合计2915.261955.2432.90

1)节约爆破材料。聚能水压光面爆破具有明显的节约成本优势,尤其是周边孔造孔减少50%，炸药节约15.55%,导爆索约68.36%。唯一成本增加的就是聚能管的费用,每个循环402.5元,但总的来说，仅周边孔爆破成本降低32.9%。如考虑超挖减少出渣量、支护量，施工成本降低更多。

2)降低支护费用。由于成型质量较好，超挖得到

有效控制，喷射混凝土支护费用降低15%～20%。

3)提高劳动生产率。周边孔打孔时间减少30 min，循环时间缩短， 有利于加快施工进度。

1)聚能水压光面爆破技术集聚能爆破、水压爆破、光面爆破三者的优点于一身，充分利用了炸药聚能爆破产生集中爆破能的原理,较好控制聚能射流面与光爆面吻合，因此显著增大预裂光面爆破的孔距，即减少造孔工作量；聚能光爆还减少了围岩扰动，提高保留岩体的完整性和稳定性,保证开挖轮廓线的圆顺、整齐,残孔保留率高，超挖减少，支护砼成本降低。

2)施工进度快,且施工质量明显提高,降低生产成本显著，有效地提高了经济效益和社会效益。操作时严格按照施工方案布设周边孔、严格控制聚能管的开口方向，并使用水袋、炮泥填塞，达到了“定向断裂”的理想效果。

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