浅谈隧道掘进中水压爆破的应用

1浅谈隧道掘进中水压爆破的应用摘要：爆破开挖因其施工速度快、价格低而得以广泛应用，但是当在土质较差或复杂环境中进行爆破施工时，必须有效控制爆破振动以减小对周边环境的影响。目前城市繁华区域的地下工程建设需求大，但其对爆破的技术要求很高，以往的常规爆破根本无法满足城市地下工程施工的高要求。因此，水压爆破因其“三提高一保护”的优势在城市地下施工中逐渐得到了推广。本文对水压爆破的发展和现状、水压爆破工艺及其技术的优势进行介绍，以期更多的工程人员掌握此技术，更加高效和环保的建设城市。关键词：隧道；水压爆破；节能环保；三提高一保护1引言水压爆破就是往炮眼中一定位置注入一定量的水并用专用设备制备的炮泥回填堵塞[1]，利用水作为传能介质传递炸药爆炸时所产生的能量和压力来破碎周围介质，可实现三提高一保护[2]即节省炸药、加快施工进度、节约成本和保护环境的目的。水压爆破最早用于城市拆除爆破[3]，由其实用性被广泛应用于地下工程的施工，如：煤矿隧道[4]、瓦斯隧道[5]、城市地铁隧道、城市地下建筑施工等。为了满足现代人对施工的高要求，水压爆破技术从最初的城市拆除爆破演变成了现在地下工程的爆破的技术指标[6]。从水压爆破较常规爆破的优势来看，水压爆破必将成为城市爆破工程的主流[7]。2水压爆破的发展与现状2.1水压爆破的应用发展水压爆破最初是用于城市拆除爆破。早在40年代末期，挪威、瑞典等国就在城市进行过水压爆破拆除建筑[3]的尝试，并取得成功。进入50年代，水压爆破技术迅速在世界各国得以推广。到70年代末，日本发明了所谓的ABS法，应用结果表明：水压爆破法能大大降低爆破公害和炸药消耗量，被称之为无公害爆破[8]。我国应用水压爆破技术始于50年代，大量应用则是70年代末80年代初。80年代初，山东莱芜铁矿将水压爆破技术应用于大块的二次破碎，大大减小了飞石的抛掷距离，成功地解决了一些离建筑物较近的露天矿由于安全距离不足而2影响安全生产的问题。中国科技大学于1984年采用水压爆破技术成功地将一幢三层大板楼原地炸塌。1984年铁道部工程指挥部科研所采用水压爆破拆除了某学院的85和131工事[9]。1995年，西安矿业学院爆破工程在西安钢厂永水压爆破拆除了一座容量为3000t的水塔，用水压爆破定向拆除高耸建筑物也已经取得成功。这些工程实例为我国水压爆破的发展奠定了良好的基础。2.2水压爆破的理论发展早在1948年库尔就研究总结了水压爆破的各种主要现象和变化规律；二战期间，库尔伍德和贝特提出了水中爆炸的近似理论[8]；泰勒提出了气泡振荡理论[10]；1945年后，高速摄影机和电子计算机技术的发展，促进了室内模拟试验、数值计算和数值模拟[11]的研究；1962年，霍顿用数值方法研究得出了水下爆破冲击波传播和衰减的理论解。国内对水压爆破理论起步较晚。1976年，铁道部第四勘测设计院开展了对水压爆破的实爆研究，于1979年6月成功地进行了一次实爆试验。80年代，北京科技大学工程爆破研究室对水压爆破的作用特征在室内砂浆模型上进行了试验和研究，得出了一些有价值的结论。3水压爆破工艺隧道掘进水压爆破技术可以有效地控制爆破的飞石、空气冲击波、爆破振动[11]、爆轰有毒气体。因为水是传递爆炸荷载的压实介质，其具有近似不可压缩、密度大、波的传播速度快、衰减速度较慢等特性。在爆炸瞬间充分利用爆炸能量产生的爆炸冲击动力，同时形成大量水幕吸收爆尘和爆烟。3.1水压爆破工艺流程水压爆破工艺与普通爆破基本相同，不同之处在于要事先加工好爆破所需要的炮泥及水袋，并在装药时按照设计的装药结构分次装入水袋、炸药、水袋后，用炮泥堵塞，水压爆破工艺流程图见图1。3图1水压爆破工艺流程图3.2水压爆破装药结构水压爆破装药结构和常规爆破也有所不同，常规爆破炮眼中只装炸药无回填堵塞，而水压爆破炮眼最底端装入水袋，随之装入炸药，再装入水袋，最后用炮泥回填堵塞。装药结构见图2。（a）水压爆破炮眼装药图（b）常规爆破炮眼装药图图2炮眼装药图水压爆破由于炮眼中有水，在水中传播的冲击波对水不可压缩，爆炸能量无损失地经过水传递到炮眼围岩中，这种无能量损失的应力波十分有利于岩石破碎。此外还会产生“水楔”效应[12]，更利于降尘和吸附有害有毒气体。特别提出的是，炮眼底部水袋水击波反射作用加强应力波强度更有利于围岩破碎炮眼而不留炮根。总而言之，由于炮眼中有水，并用炮泥回填堵塞，能充分利用炸药爆炸能量，而且又降低了粉尘对环境的污染。3.3炮泥加工4炮泥是用专用的设备PNJ-A型炮泥机制成（图3），制作方便，操作简单，最好在使用前1-2h制作好，不然会失水变硬影响降尘效果[13]。炮泥由黏土、细砂、水三种成分，具有规格统一、质地均匀、软硬适中、表面光滑等特点，能提高炮眼封堵质量，减少明火产生。图3成品炮泥3.4水袋加工水袋的原料即水和塑料袋，水袋的灌装机口见图4，成品水袋见图5。塑料袋为常用的聚乙烯塑料，水袋长200mm，直径为35mm，袋厚约0.8mm，水袋为厂制品直接购买，使用KPS-60塑料灌装封口机加工制作水袋。图4灌装封口机图5灌装好的水袋4水压爆破的优势水压爆破成功解决了工程爆破中多年存在的“不能充分利用炸药能量”和“爆破产生的粉尘严重污染环境”两大难题。同时也是我国隧道掘进技术从“湿法”钻孔代替“干法”钻孔、从非电起爆代替火爆和电爆以来的第三个质的飞越和变化。水压爆破具有明显的“三提高一保护”作用，详细介绍为：（1）提高炸药能量利用率（节省炸药）。爆炸能量的传递效率高，有利于介5质破坏，因而炸药单耗较低。（2）提高工作效率（加快施工进度）。药包个数少，故爆破网络简单；粉尘明显减少，炮泥和水袋可提前做好，故节约施工时间。（3）提高经济效益（节约成本）。虽然炮泥和水袋的制作及填装使成本略有增加，但平均每循环掘进深度增加，单位体积用药量减少。整个项目下来会节约很大的成本。（4）保护环境。爆炸时可有效降低飞石的距离，同时爆破地震、冲击波和噪音等诸方面的爆破公害较小；爆破粉尘和有毒气体的产生也显著降低，大大保护环境和工人身体健康。水压爆破技术的“三提高一保护”得益于它结构的两个显著原理[14]。第一个原理是利用水力压裂[15]和水对冲击波的传播速度快、消耗能量少的特性。将炸药爆炸时的爆轰波快速、高效、充分地传递到结构物表面，快速形成对结构物表面的冲击。在这个传递过程中，炸药的能量没有其它消耗，爆炸能得到充分利用。第二个原理是利用水的不可压缩性把炸药爆轰时产生的气体产物的膨胀压力均匀地传递给结构表面。炸药爆炸冲击波离开后，爆炸产物在水中以气泡的形式继续膨胀，形成气泡胀缩脉动或称气泡脉动。这种高压气团的膨胀力，即气泡的脉动作用和由其所形成的告诉水流作用于结构物的表面，这是继续爆炸冲击波之后的又一次对结构物的突跃加载，它加剧了结构物的破坏。同时在爆炸过程中形成大量的水幕，可吸收大量的粉尘和有毒气体。5茅坪山隧道实例分析以茅坪山隧道[2]为实例，通过对其技术指标及经济指标的分析，更形象具体的展现水压爆破技术较常规爆破技术的优势。5.1技术指标分析茅坪山隧道自采用水压爆破以来，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106m，围岩级别相同，都是III级白云岩，设计掘进进尺都是3.2m，常规爆破每循环平均进尺2.65m；水压爆破平均进尺3.05m。平均每循环提高进尺0.4m。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0.21kg，通风排烟由过去的40min缩短为10min。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。各项技术指标见表1。6表1茅坪山隧道常规/水压爆破主要技术参数对比表5.2经济指标分析根据常规爆破和水压爆破的现场统计数据对比，在相同开挖断面面积、炮眼布置和钻孔深度的前提下，水压爆破比常规爆破每个循环多开挖0.4m，每循环节省炸药23.1kg，每爆破一立方岩石节省炸药0.21kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了30min。结合这些数据，采用水压爆破每一延米火工品节省266.75元，人工费节省222.6元，节省电费25.82元，制作炮泥、水袋每延米需另外支出的费用60.38元。通过计算分析，应用水压爆破每延米可节省费用515.17—60.38=454.8元（没有包含管理费用等）。茅坪山隧道进口目前开挖剩余1300m，按照水压爆破掘进每延米节省454.8元，贯通后可以节省费用59.12万元。如果按照水压爆破掘进120m可少钻爆6个循环，那么茅坪山隧道进口剩余的1300m隧道，可以少钻爆65个循环，可以缩短工期40—60d。6结语通过人们长期对水压爆破技术的改进和推广，现在水压爆破在隧道掘进中的技术已经较为成熟。其“三提高一保护”的显著效果完全符合土木工程可持续发展的战略方针，水压爆破技术在今后的工程项目中会更加常见也是毋庸置疑的。特别是在城市土质条件差和周围环境复杂的区域施工，对周边的环境影响控制要求很高的情况下，水压爆破技术必定是优先选择的方案。参考文献［1］李庆斌,隧道掘进水压爆破技术应用分析［J］.铁道建筑设计,2013（4）:99-102.［2］张卫国.水压爆破技术在隧道掘进施工中的应用［J］.石家庄铁道大学学报:自然科学报,2013,26（2）:46-50.［3］何广沂,工程爆破新技术［M］.北京:中国铁道出版社,2000.7［4］国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］.北京:煤矿工业出版社,2004.［5］铁道部.TB10003.1-2005铁道隧道设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社,2005.［6］高速公路施工标准化技术指南.隧道工程［S］.北京:人民交通出版社,2013.［7］邵长青.水压爆破施工技术的节能分析［J］.能源与节能,2014,105（6）:91-93.［8］林大能,刘小春.水压爆破的发展与现状［J］.湖南:矿业研究与开发,1999,19:7-9.［9］朱忠节,何广沂.采用水压爆破拆除工事［J］.爆破,1984（2）.［10］高聚物熔体中的气泡震荡行为及应用研究［J］.北京化工大学学报:自然科学版,2003,30（4）:71-74.［11］NanJiang,ChuanboZhou,blastingvibrationsafetycriterionforatunnellinerstructure.Tunnelingandundergroundspacetechnology,volume32,November2012:pages52-57.［12］刘鹏舟,水压爆破技术在西秦岭隧道施工中的应用［J］.建筑设计,2013,42（10）:77-81.［13］于兆学,浅谈水压爆破在隧道掘进中的应用［J］.施工技术,2013.100-101.［14］顾毅成.爆破工程施工与安全［M］.北京:冶金工业出版社,2004.［15］BingxiangHuang,ChangyouLiu,JunhuiFu,Hydraulicfracturingafterwaterpressurecontrolblastingforincreasedfracturing.Internationaljournalofrockmechanicsandminingsciences,volume48,issue6,September2011,pages976-983.