1、聚能 水压 爆破 技术 在水 平岩 层隧 道施 工中 的应 用刘 云 龙【摘 要】水 平 岩 层 的 超 欠 挖 控 制 一 直 是 隧 道 爆 破 施 工 的 难 题。为 解 决 凤 凰 隧 道 开挖 过 程 中 的 超 欠 挖 问 题，分 析 了 水 平 岩 层 变 形 破 环 的 原 因 和 聚 能 水 压 光 面 爆 破 的 原 理，进行 了 聚 能 水 压 光 面 爆 破 试 验。现 场 爆 破 试 验 表 明，在 水 平 岩 层 中 采 用 聚 能 水 压 光 面 爆 破 技术，施 工 进 度 快，爆 破 质 量 好，生 产 成 本 降 低 显 著，经 济 效 益 和 社 会 效
2、益 均 有 了 明 显 提高。【A b s t r a c t】T h e c o n t r o l o f o v e r a n d u n d e r e x c a v a t i o n o f h o r i z o n t a l s t r a t ai s a l w a y s a d i f f i c u l t p r o b l e m i n t u n n e l b l a s t i n g c o n s t r u c t i o n.I n o r d e r t os o l v e t h e p r o b l e m o f o v e r
3、a n d u n d e r e x c a v a t i o n i n F e n g h u a n g t u n n e l，t h i sp a p e r a n a l y z e s t h e c a u s e s o f h o r i z o n t a l s t r a t a d e f o r m a t i o n a n d b r e a k a g e a n dt h e p r i n c i p l e o f c o n c e n t r a t e d e n e r g y h y d r a u l i c s m o o t h
4、b l a s t i n g，a n d c a r r i e so u t t h e c o n c e n t r a t e d e n e r g y h y d r a u l i c s m o o t h b l a s t i n g t e s t.T h e f i e l d b l a s t i n gt e s t s h o w s t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f t h e c o n c e n t r a t e d e n e r g y h y d r a u l i c s m o o t hb l
5、 a s t i n g t e c h n o l o g y i n t h e h o r i z o n t a l s t r a t a h a s t h e a d v a n t a g e s o f f a s tc o n s t r u c t i o n p r o g r e s s，g o o d b l a s t i n g q u a l i t y，s i g n i f i c a n t r e d u c t i o n i np r o d u c t i o n c o s t，a n d s i g n i f i c a n t i m p
6、 r o v e m e n t i n e c o n o m i c a n d s o c i a l b e n e f i t s.【关 键 词】聚 能 爆 破;水 平 岩 层;超 欠 挖【K e y w o r d s】c o n c e n t r a t e d e n e r g y b l a s t i n g;h o r i z o n t a l s t r a t a;o v e r a n du n d e r e x c a v a t i o n【中 图 分 类 号】U 4 5 5.7【文 献标 志 码】A【文 章 编 号】1 6 7 3-1 0 6 9（2
7、0 2 0）0 2-0 1 8 2-0 31 引 言超 欠 挖 控 制 一 直 是 影 响 隧 道 施 工 成 本、工 期 的 关 键 环 节。水 平 岩 层 是 隧 道 工 程 施 工 经常 遇 到 的 一 种 地 质 构 造，水 平 岩 层 的 超 欠 挖 控 制 相 较 于 其 他 岩 层 更 为 复 杂 和 困 难，如 果 处理 不 好，隧 道 拱 顶 会 出 现 大 面 积 平 顶、落 石、冒 顶 等 现 象，造 成 大 量 超 挖 增 加 回 填 混 凝 土用 量，还 会 影 响 围 岩 的 稳 定 性，从 而 影 响 施 工 作 业 人 员 和 机 械 安 全，所 以 水 平 岩
8、 层 的 光 面爆 破 超 欠 挖 控 制 对 于 隧 道 施 工 意 义 重 大。通 过 研 究 新 奥 法 施 工 的 基 本 原 理 以 及 水 平 岩 层 对爆 破 的 影 响 特 点，在 张 吉 怀 铁 路 凤 凰 隧 道 使 用 了 聚 能 水 压 爆 破 技 术，取 得 了 较 好 效 果。本文 对 此 技 术 在 水 层 岩 层 的 光 面 爆 破 施 工 技 术 作 一 介 绍。2 工 程 概 况凤 凰 隧 道 位 于 湖 南 省 湘 西 州 凤 凰 县 沱 江 镇 关 岩 层 村 境 内，全 长 4 3 7 5 m，为 时 速 3 5 0 k m单 洞 双 线 隧 道，最
9、大 埋 深 约 2 2 0 m。隧 道 分 进 口、横 洞 和 出 口 3 个 工 区 平 行 组 织 施 工。隧 道围 岩 为 K 1 泥 质 粉 砂 岩，局 部 夹 泥 粉 质 砂 岩，含 砾 砂 岩，石 英 砂 岩，红 色，综 红 色，强 风化 弱 风 化。洞 身 弱 风 化 层，粉 砂 岩，泥 质 胶 结，中 厚 层 状 构，节 理 较 发 育，岩 体 较 破碎，层 厚 1 3 m。岩 层 产 状：1 0 0 1 4 0 8 2 5。岩 层 取 样，实 测 饱 和 单 轴 抗 压 强度 2 8 M P a，属 软 软 岩。全 隧 地 下 水 不 發 育，主 要 为 基 层 裂 隙 水。
10、隧 道 最 大 开 挖 宽 度1 4.7 m，隧 底 至 拱 顶 开 挖 高 度 1 2.3 8 m，爆 破 开 挖 断 面 1 4 8.9 1 m 2。其 中 进 口 工 区 采 用 全 电 脑三 臂 凿 岩 台 车 全 断 面 法 开 挖 施 工，横 同 工 区 采 用 传 人 工 钻 眼 爆 破 台 阶 法 施 工。3 水 平 岩 层 变 形 破 坏 机 理在 薄 水 平 岩 层 地 段，爆 破 时 岩 体 也 极 易 沿 着 拱 部 某 一 层 理 面 整 体 脱 落，形 成 平 如 桌 面的 平 顶 现 象。此 时 隧 道 顶 板 呈 悬 露 状 态，顶 板 以 梁（或 板）的 形
11、式 支 撑 着 上 覆 岩 体 的 重 力作 用，保 持 着 应 力 场 的 平 衡，此 时 覆 岩 的 力 学 结 构 属 于 典 型 的 梁（或 板）式 平 街 结 构。当此 跨 度 达 到 岩 梁 的 极 限 长 度 时，顶 板 在 上 部 荷 载 的 作 用 下，造 成 断 裂、垮 落 破 坏，顶 板 岩层 在 第 一 次 断 裂 后，应 力 转 移 到 两 侧，使 得 上 面 的 岩 层 又 成 为 梁（或 板）式 平 衡 结 构，其两 侧 分 别 位 于 隧 道 两 侧 悬 臂 岩 层 的 上 方。当 作 用 力 足 够 大 时，隧 道 两 侧 岩 层 悬 臂 梁 不 断 发生 破
12、 断，其 上 方 的 岩 梁 超 过 极 限 跨 距 后 再 次 造 成 断 裂 和 垮 落。此 时 上 覆 岩 层 的 重 量 将 沿 主应 力 线 方 向 向 隧 道 两 侧 传 递，主 应 力 线 方 向 为 一 拱 形，即 形 成 应 力 平 衡 拱 1。爆 破 后 应 力 波 如 果 遇 到 节 理、夹 层 等 结 构 面，将 发 生 复 杂 的 透 射、反 射 现 象，使 应 力波 能 量 在 结 构 面 中 消 耗 衰 减。由 于 结 构 面 对 应 力 波 传 播 的 阻 隔 作 用，对 于 隧 道 光 面 爆 破 而言，周 边 眼 边 连 心 线 上 的 应 力 波 叠 加
13、受 到 影 响。在 拱 顶、周 边 眼 之 间 的 裂 缝 往 往 沿 着 结 构面 形 成，因 此，容 易 形 成 平 板 状 轮 廓。在 边 墙 部 位，周 边 眼 连 心 线 垂 直 于 夹 层 面，边 心 线上 很 难 形 成 应 力 叠 加，相 当 于 单 个 炮 眼 独 自 作 用。层 状 节 理 对 爆 破 的 影 响 可 归 纳 为 应 力 集中 作 用、应 力 波 的 反 射 增 强 作 用、能 量 吸 收 作 用、泄 能 作 用、楔 入 作 用 和 改 变 破 裂 线 等 作用，软 弱 夹 层 使 爆 破 后 应 力 波 传 播 以 及 衰 减 规 律 发 生 变 化，同
14、时 也 影 响 了 爆 生 气 体 对 岩 石破 碎 作 用。因 此，爆 破 产 生 的 能 量 得 不 到 预 期 的 组 织 与 分 配 而 在 炮 眼 周 围 以 及 夹 层 中 大 盘消 耗，造 成 爆 破 后 难 以 形 成 设 计 要 求 的 拱 形 轮 廓，大 块 率 高，超 欠 挖 现 象 严 重 2。4 聚 能 水 压 爆 破 技 术 基 本 原 理已 有 研 究 表 明 3，聚 能 爆 破 的 炸 药 爆 炸 产 生 的 爆 轰 波 通 过 聚 能 管 的 聚 能 槽，将 炸 药的 动 能 和 势 能 转 换 成 高 压、高 速、高 能 的 射 流，切 割 岩 石 成 缝，
15、形 成 1 2 c m 深 缝。射 流在 孔 壁 产 生 射 流 压 力 达 7 0 0 0 M P a，岩 石 动 载 抗 压 强 度 为 2 0 0 M P a，抗 拉 强 度 与 抗 压 强 度 之 比为 1/8 1/1 0，相 邻 两 炮 孔 间 互 为 临 空 面，叠 加 后 的 压 缩 波 变 为 稀 疏 波，在 两 炮 孔 连 线 上使 岩 石 分 子 结 构 断 裂，形 成 裂 纹。准 静 态 气 体 膨 胀，静 态 压 力 在 两 孔 最 短 边 线 两 侧 产 生 拉应 力，使 岩 石 裂 缝 进 一 步 扩 展。根 据 爆 破 应 力 集 中“气 刃”作 用 原 则，爆
16、破 气 体 沿 裂 缝 并进 一 步 扩 大 贯 通，抛 落 岩 石。通 过 上 述 爆 破 理 论 总 结 发 现，为 提 高 水 平 软 弱 岩 层 的 爆 破 效 果，从 爆 破 理 论 方 面，我们 可 以 从 以 下 两 个 方 面 来 努 力：一 是，减 少 爆 生 气 体 的“气 楔 效 应”对 洞 身 径 向 方 向 影响，减 少 对 基 层 的 破 坏 程 度，从 而 降 低 爆 破 后 自 然 掉 块，特 别 是 拱 部 平 板 掉 块 超 挖;二是，在 不 增 加 炸 药 单 耗 的 前 提 下，尽 可 能 让 应 力 波 和 爆 生 气 体 能 量 沿 轮 廓 线 有
17、效 传 播，降低 结 构 面 对 能 量 的 衰 减 作 用。综 合 考 虑 聚 能 水 压 爆 破 理 论 上 能 够 起 到 上 述 作 用。故 在 凤 凰隧 道 D K 1 8 0+9 6 0 9 9 5 段 进 行 试 验 对 比 研 究，D K 1 8 0+8 6 0 9 6 0 段 采 用 传 统 光 面 爆 破 技 术，两 段 均 为 I V 级 围 岩，岩 性 一 致。5 爆 破 试 验 方 案影 响 光 面 爆 破 效 果 的 因 素 有 很 多，主 要 有 钻 眼 精 度、装 药 结 构 及 装 药 量、隧 道 断 面 大小、地 质 条 件、测 量 放 线 精 度、施 工
18、管 理 等 方 面，该 试 验 为 排 除 其 他 因 素 的 影 响，选 取 凤凰 隧 道 进 口 作 试 验 点，其 优 势 主 要 有 以 下 几 方 面：一 是，全 电 脑 三 臂 台 车 可 以 实 现 自 动 定位 寻 眼 钻 眼，可 以 排 除 人 为 因 素 干 扰;二 是，同 一 工 点 同 一 工 法 可 以 排 除 管 理 和 工 法 差 异上 的 干 扰。5.1 爆 破 设 计聚 能 水 压 爆 破 与 传 统 光 面 爆 破 技 术 最 大 的 区 别 是 周 边 眼 间 距 和 周 边 眼 装 药 量，具 体 如表 1 和 图 1 所 示。从 上 述 对 比 来 看
19、，聚 能 水 压 爆 破 虽 然 增 加 了 单 孔 装 药 量，但 总 体 装 药 量 小 于 传 统 光 面爆 破 技 术 装 药 量。5.2 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 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 设 备，注 药 枪 长 4 5 c m，重 0.8 k g。小 型 空 压机 功 率 8 0 0 W，重 2 3 k g。往 半 壁 管 注 药 步 骤：第 一 步，把 药 卷 一 端 和 沿 药
20、 卷 纵 向 把 包 装 皮切 开，然 后 将 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 注 入，炸 药 就 从 枪口 不 断 流 入 半 壁 管 中。注 好 炸 药 的 2 个 半 壁 管 相 扣 之 前 在 其 中 1 片 半 壁 管 中 放 置 1 根 传 爆线，然 后 合 并 装 在 一 起，装 上 起 爆 雷 管。为 保 障 聚 能 管 装 置 中 的 聚 能 槽 对 准 隧 道 轮 廓 面 以防
21、止 转 动，聚 能 管 装 置 的 两 端 套 上 塑 料 套 圏，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 装 藥 过 程 2 个 工 人 作 业 时 长 约 1 h。注 意 聚 能 管 的 长 度 可 以 根 据 进 尺 定 制。5.3 装 药 结 构装 药 之 前，把 加 工 好 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
22、 一 步，往 炮 孔 最 底 部 填 装 1 个 水 袋，水 袋 必 须 装 到 炮 孔 底部，不 能 留 有 空 隙;第 二 步，装 聚 能 管 装 置，聚 能 管 长 约 2.2 m，约 为 炮 孔 深 度 的 7 0%，聚能 管 要 紧 挨 着 炮 孔 最 底 部 水 袋，聚 能 槽 方 向 对 准 相 邻 炮 孔 中 心，不 可 弄 错;第 三 步，装 填 2袋 水 袋;第 四 步，用 专 业 设 备 加 的 炮 泥 回 填 到 炮 孔 口，用 木 质 炮 棍 捣 固 坚 实，起 到 填 塞 的作 用。所 有 炮 孔 填 过 后，像 常 规 光 面 爆 破 起 爆。6 爆 破 效 果
23、统 计 与 分 析统 计 1 3 个 试 验 循 环 的 爆 破 效 果 数 据，拱 部 平 均 线 性 超 挖 值 为 1 5.9 c m，边 墙 为1 2.8 c m，拱 部 炮 眼 痕 迹 率 为 5 2.9%，边 墙 为 6 9.8%，后 期 爆 破 参 数 稳 定 后，拱 部 平 均 线 性超 挖 值 为 1 4.7 c m，边 墙 为 1 2.1 c m，拱 部 炮 眼 痕 迹 率 为 5 7.2%，边 墙 为 7 1%。与D K 1 8 0+8 6 0 9 6 0 对 照 段 爆 破 效 果 对 比 发 现，聚 能 水 压 爆 破 技 术 拱 部 线 性 超 挖 值 降 低3.2
24、 c m，边 墙 降 低 3.4 c m，炮 眼 痕 迹 率 增 加 2 0%以 上，具 体 情 况 如 表 2 所 示。7 爆 破 技 术 经 济 比 较采 用 聚 能 水 压 爆 破 增 加 了 聚 能 管 费 用，但 减 少 了 钻 孔 数 量、炸 材 用 量 和 混 凝 土 用 量，综 合 分 析 每 循 环 节 约 直 接 成 本 5 1 7 元，平 均 每 米 1 7 2 元，具 体 计 算 如 表 3 所 示。同 时 每 循环 节 约 循 环 时 间 约 1 h，每 施 工 1 k m 隧 道 可 节 约 工 期 1 4 天 左 右。8 结 论 聚 能 水 压 光 面 爆 破 技
25、 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 地 控 制 聚 能 射 流 面 与 光 爆 面 吻 合，因此，显 著 増 大 了 周 边 眼 孔 距，即 减 少 钻 孔 工 作 量。聚 能 爆 破 还 减 少 了 围 岩 扰 动，有 利 于 保持 基 岩 的 稳 定 性，保 持 开 挖 轮 廓 圆 顺、整 齐，残 孔 保 留 率 高，超 挖 减 少，提 高 了 施 工 安 全保 障。施 工 进 度 快，且 施 工 质 量 明 显 提 高，降 低 生 产 成 本 显
26、 著，有 效 提 高 了 经 济 效 益 和社 会 效 益。操 作 时 要 严 格 按 照 爆 破 设 计 钻 眼 装 药，特 别 是 聚 能 槽 的 方 向，不 得 弄 错。在试 验 过 程 中 发 现，爆 破 后 效 果 较 好，随 着 时 间 的 推 移，新 鲜 岩 层 接 触 空 气 不 断 风 化，光 爆破 效 果 无 法 维 护 到 初 期 支 护 完 成 前，从 而 造 成 二 次 超 挖，在 后 续 施 工 中，坚 持 爆 破 后 立 即进 行 初 喷 封 闭 岩 面 起 到 了 较 好 效 果。试 验 过 程 中 我 们 也 发 现，在 一 定 时 间 段 之 内 爆 破 效果 是 趋 于 稳 定 的，在 围 岩 未 发 生 变 化 前，可 适 当 缩 小 炮 眼 开 孔 轮 廓，缩 小 值 为 平 均 超 挖 值的 1/3 左 右。【参 考 文 献】【1】孙 广 忠.岩 体 结 构 力 学 M.北 京：科 学 出 版 社，1 9 8 8.【2】黄 金 旺.近 水 平 红 砂 岩 隧 道 钻 爆 法 施 工 超 欠 挖 控 制 技 术 研 究 D.长 沙：中 南 大学，2 0 1 0.【3】何 广 沂.聚 能 爆 破 的 研 究 与 实 践 A.第 七 届 工 程 爆 破 学 术 会 议 论 文 集 C.2 0 0 1.
