新型气体膨胀技术在隧洞开挖工程中初步应用分析.pdf

Tunnel Excavation EngineeringLI Guo-liang炸药爆破方法施工。当环境复杂，主管部门不许可使用民爆物品爆破施工时，只能采取机械法破新型气体膨胀技术在隧洞开挖工程中初步应用分析李国良（广东宏凯气能技术有限公司，广东深圳518 0 0 0摘要：为了在不许可使用炸药爆破的条件下进行隧洞开挖，本文首次将新型气体膨胀技术应用到隧洞开挖工程中，探索出了一套适用于隧洞开挖的掏槽、扩槽、辅助、周边膨胀破岩的方法，初步总结出的钻孔、充气、堵塞、点火、防护等技术参数，在广东某隧洞开挖工程的现场应用中得到了验证。应用研究表明，新型气体膨胀技术可以在坚硬岩体中进行水平掘进，具有操作安全、破岩效率高、不产生爆炸冲击波、气体膨胀破岩产生的振动幅值较低，不涉及民爆物品等优点，可有效解决复杂环境下不许可使用民爆物品，而使用机械劈裂法开挖进度太慢的问题，具有广阔的工程应用前景。关键词：气体膨胀；致裂管；孔内充气；液氧；隧洞掘进中图分类号：TD235.39文献标志码：APreliminary Application Analysis of New Gas Expansion Technology in(Guangdong HarmonyK Gas Energy Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,Guangdong)Abstract:In order to solve the problem of tunnel excavation without the permission of using explosives forblasting,this article applied the new gas expansion technology to tunnel excavation engineering for the first time,exploring a set of cutting,expanding,auxiliary,and peripheral expansion rock breaking methods suitable for tunnelexcavation,and preliminarily summarized technical parameters such as drilling,inflation,blockage,ignition,andprotection.After on-site application research on a tunnel excavation project in Guangdong,it has been verified.Applied research has shown that the new gas expansion technology can perform horizontal excavation in hard rockmasses,with advantages such as safe operation,high rock breaking efficiency,no generation of explosive shockwaves,and low vibration amplitude generated by gas expansion rock breaking,no involvement of civilian explosives.It can effectively solve the problem of not allowing the use of civil explosives in complex environments and usingmechanical splitting method to excavate too slowly,and has broad engineering application prospects.Key words:gas expansion;cracking tube;inflation in the hole;liquid oxygen;tunnel excavation1引言目前，在隧洞（巷道)开挖工程中，主要采用岩施工。常用的机械法主要是液压劈裂法。由收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 82024年第1期安装机械艺幼琪53凿岩机械气动工具（总第19 4期）于液压劈裂法施工效率低、成本高、劳动强度大，严重影响国家重点工程的建设进度。2问题提出2.1工程背景某单位在隧洞开挖施工中,遇到岩石坚硬，炮机用不了,液压劈裂设备施工进尺很慢，不能满足工程施工速度的要求。尝试将气体膨胀破岩技术I-2应用到该隧洞开挖工程中,通过几个循环的试验研究，成功探索出一套适用于一般隧洞开挖时掏槽、扩槽、辅助、周边气体膨胀破岩施工方法，并初步取得气体膨胀破岩的钻孔、充气、堵塞、点火、防护等相关的技术参数，为非炸药爆破快速开挖隧洞提供了一个新方法。2.2工程项目现状试验项目所在隧洞位于广东省沿海某城市，隧洞穿过的山体岩石为花岗岩。隧洞的功能是引水隧洞的附属设备检修洞。隧洞截面是城门型，拱顶圆弧角为12 0,隧洞开挖宽度9.5m，高度7.8 5m。该隧洞洞口距离一条市政一级公路不足8 0 m,距离另一条高速公路约8 7 m，根据当地公安主管部门的规定，洞口爆破位置距离保护目标（一级及以上公路)至少2 0 0 m方可爆破,或者进洞50 m以上方可爆破,因此,该隧洞必须采用非炸药爆破方法掘进50 m以上,才能申请炸药爆破。施工单位把洞门钢筋混凝土结构和边坡支护做好后，先采用液压炮锤破碎岩石，炮机敲打进尺十多米后，就碰到类围岩,花岗岩的抗压强度达到10 0 MPa,十分坚硬,进洞还不到20米，炮机破碎岩石的施工工效几乎为零。施工单位又调人一套液压劈裂设备，采用密集钻孔配合液压劈裂。由于液压劈裂作业时，安装劈裂棒等需要人工协助,工人的劳动强度大,还存在一定的安全风险，施工进度缓慢，一周下来进尺还不足1米，严重影响了隧洞开挖的进度。3气体膨胀破岩技术简介3.1气体膨胀破岩设备新型气体膨胀破岩设备是一个系统，主要由杜瓦罐、智能充装机、致裂管组成，如图1所示。杜瓦罐用于运输和现场存放液氧，为方便现场吊装和移动，一般使用的杜瓦罐容量为49 9L,由特种设备生产厂家提供。智能充装机可以自动调节灌人致裂管中的液氧数量和流速，实现精准充装。柔性致裂管主要由塑料外套管、可燃介质、充液管、排气管和点火桥丝组成，见图2。塑料外套管主要用于存放助燃介质和液氧,要有一定的韧性和强度，液氧充人后不能泄漏;充液管是专用铝管；排气管是专用塑料管，作用是使致裂管内压力保持在常压状态，在点火前能把部分汽智能充装机杜瓦罐图1气体膨胀破岩装备主要设备组成柔性致裂管54安机械艺2024年第1期新型气体膨胀技术在隧洞开挖工程中初步应用分析化的氧气排出炮孔；点火桥丝上不涂抹任何药粉，通人电流后点火桥丝汽化产生火星，点燃致裂管中的可燃介质，可燃介质在氧气助燃作用下快速燃烧。3.2气体膨胀破岩机理气体膨胀破岩技术主要利用液氧具有“助燃+相变”的特性，让部分液氧先行汽化，帮助可燃介质快速、剧烈燃烧，在炮孔里产生高温。在高温作用下，没有汽化的液氧产生相变（由液态瞬间变成气态），生成大量气体，利用气体的快速膨胀使岩石破碎。详细描述如下：(1)先把柔性致裂管放人炮孔并堵塞好，再使用孔内充装技术3-6 1和智能充装机把液氧灌入炮孔里的柔性致裂管中,用起爆器给致裂管中的电阻丝通电，使电阻丝汽化点燃吸收了液氧的可燃介质，在液氧的助燃作用下剧烈燃烧。由于热点快速扩散，使致裂管中的可燃介质瞬间爆燃，温度超过8 0 0，燃烧产生的热量使其他没有参与燃烧的液氧瞬间发生相变，即由液态变成气态，体积瞬间膨胀8 0 0 多倍（理论上），在炮孔内产生高压气体。(2)高压气体作用在孔壁上，在岩体内产生拉应力，产生大量裂缝，高压气体随后进入裂缝产生“气锲”效应，使裂缝进一步扩展，最后在气体膨胀力作用下，使破裂的岩石向外移动,达到破岩效果。4隧洞开挖气体膨胀破岩技术设计4.1总体方案在隧道掘进施工中，不管是使用民爆物品进行爆破掘进，还是采用气体膨胀破岩技术进行掘进施工，都需要先掏槽以创造临空面，再实施后续的辅助孔、周边孔爆破作业。使用民爆物品进行隧道爆破掘进，由于采用雷管起爆，雷管具有延期点火功能,因此起爆网路可以设计成一次点火毫秒延时分段起爆的方式，掏槽孔、辅助孔、周边孔可以全部装好药包，然后一次点火分段起爆,完成一个循环的隧洞全断面掘进。气体膨胀破岩，由于受点火器材和气体膨胀破岩机理的限制，不能实现全断面一次点火分段延时破岩。气体膨胀破岩技术的点火装置仅仅是一个没有延时功能的电阻丝,不能实现一次点火分段膨胀破岩。加之气体膨胀的能量比炸药爆炸小得多,因此也不能多排同时点火起爆。在露天台阶气体膨胀破岩实践中，在有自由面的情况下，一次可以起爆2-3 排炮孔。此外，目前受起爆器点火能量的限制，一次点火的电阻丝不能超过10 0 个。每个气体膨胀致裂管中一般需要放置2-3 个点火头，因此，控制每次点火的炮孔数量一般不超过3 0 个。鉴于目前技术条件的限制，需要把隧洞的一个断面掘进分成多次破岩来实施。一般分成掏槽破岩、辅助(或叫扩槽)破岩、周边破岩这样3-5个区块独立实施破岩施工。即先进行掏槽破岩，自由面创造出来后再进行辅助破岩，辅助破岩完成后再进行周边破岩,相应的炮孔也要分次钻孔。如果隧洞的断面比较大,辅助破岩区面积也会比较大，如果3 0 个炮孔解决不了，就十二21.外套管2.充液管3.排气管4.点火桥丝5.可燃介质图2 柔性致裂管结构示意图LL2024年第1期安装机械汽具55凿岩机械气动工具（总第19 4期）要进行两次辅助破岩作业。对于掏槽破岩，如果想一个循环取得比较大的进尺,第一次掏槽深度不够时,往往需要第二次掏槽，也叫扩槽本次应用研究的隧洞开挖断面积大约7 0 m，希望一次进尺2.5m。因此,对一个断面分4次进行气体膨胀破岩作业。分别进行掏槽破岩、辅助破岩、周边破岩(左右各1次)。在每次破岩作业中，分别进行钻孔、装致裂管、炮孔填塞、灌气、防护警戒、点火的重复作业。下面分别介绍一个循环4次破岩作业的钻爆参数设计。4.2掏槽破岩钻爆参数设计设计掏槽深度2.5m，炮孔深度3 m，超深0.5 m。掏槽形式：楔形掏槽。炮孔设计：根据现有致裂管结构的要求，炮孔直径9 0 mm。掏槽孔共2 4个，又分为4种7排,掏槽孔布置见图3(a)、图3(b)所示。心炮孔c：布置一排4个中心孔，孔长3.5m；炮孔与隧洞进尺方向平行，向下倾斜15内排斜孔a:内排斜孔位于中心孔两侧，左右各1排，每排4个炮孔，对称于中心线，孔长3.5m，炮孔与隧洞断面的水平夹角为6 0，向下倾斜15外排斜孔b:外排斜孔位于内排斜孔外侧,2排8 个孔,对称于中心线,孔长3.1m,炮孔与隧洞断面的水平夹角为7 5,向下倾斜15加强破碎孔d：为了加强掏槽中心部位破岩效果，在中心孔两侧布置了4个加强破碎孔，2排，每排2 个，对称于中心孔，与内排斜孔a呈梅花型布置，距中心线0.8 5m，孔长2.0 m，炮孔向下倾斜15孔距、排距设计：炮孔间距取10 倍炮孔直径,即0.9 m,排距与孔距相同,得到孔距x排距为0.9 mx0.9 m。掏槽区破岩体积：口部面积5.9 2 2.7=16 m底部面积(5.9 2-2 0.8 0 4)2.7=11.6 m,掏槽区体积为(16+11.6)x3/2=41.4 m。4.3致裂管与堵塞长度设计致裂管长度设计时需要兼顾两方面因素，一是保证堵塞长度不小于1m，二是保证其长度在炮孔长度的50%6 5%的范围内，实际取值见表1。致裂管用双层外套，确保把致裂管推人炮孔的过程中不被炮孔壁上石屑磨擦损坏。堵塞材料采用速凝砂浆,用喷浆机把砂浆灌入炮孔，灌满后用纤维物品堵住孔口，防止砂浆流出。(1)充气量设计充气量根据致裂管的最大容量计算，本项目中采用的致裂管外径为8 0 mm（炮孔直径9 0mm）,单位长度容积为5.0 2 4L/m。由于致裂管中已经塞满了可燃介质，根据试验数据，仅能充入6 0%的液氧，因此，每米长致裂管可以充人的液氧量约为3 L(去掉尾数）。各种炮孔的充气量见表1所示。掏槽破岩总充气量为13 4.4L。(2)起爆网路设计起爆网路为串联电路，每个炮孔中使用2 个点火头（电阻丝），一共使用了48 个点火头，满足了起爆器的点火能力。每个致裂管中的2 个点火头采用串联方式连接。(3)掏槽破岩效果点火后2 4个炮孔全部起爆，掏出槽的可见深度约2.1m，槽底宽度约4.3 m，高度约3.5m。掏槽区内2.1m深范围内的岩石被气体破碎并推出20多米远。由于岩石的夹制作用，槽底有约1m深的岩石没有掏出来，仅产生了纵横交错的裂缝。隧洞口设置了坚固的拦石栅栏，因此没有石块飞出，气体把洞口的拦石栅栏向外推移了0.5m#掏槽破岩前后的实景图如图4、图5所示。按炮孔深度3.0 m计算，掏槽成功率为7 0%；按期望掏槽深度2.5m计算，掏槽成功率为8 4%。4.4辅助破岩区钻爆参数设计56安准机械汽幼琪2024年第1期新型气体膨胀技术在隧洞开挖工程中初步应用分析由于岩石的夹制作用，掏槽时炮孔虽然钻了3米多深，但爆破后掏槽区中心的可见深度只有掏槽区93019308500068502960296047504750(a）掏槽区炮孔平面分布示意图2-23J0.6ma-63.5mwo73156J0.9310.85.0.8530.931:735.9210.93g1-1(b)掏槽孔布置面示意图图3表1掏槽破岩致裂管与堵塞长度取值表炮孔类型炮孔数量，个内排斜孔a8外排斜孔b8中心孔c4加强孔d4合计242.1m,没有达到深度2.5m的要求，因此，在进行辅助破岩时，需要对槽底适当处理。辅助破岩的炮孔布置和钻爆参数设计如下：(1)炮孔布置。沿着掏槽区的边沿布置一圈炮孔,共2 0 个;在掏槽区内(槽底)左右各布置30008个炮孔，配合辅助破岩孔处理残根，保证辅助破岩的效果。辅助破岩炮孔在隧洞断面上的分布如图6 所示。(2)钻爆参数。沿着掏槽区边缘布置的炮孔，孔口距离掏槽区边缘0.8 m，炮孔数量2 0 个，孔距1.2 0 m，孔长3.5m；炮孔向内、向下倾斜，炮孔与隧洞断面的水平夹角为7 5,向下倾斜15；掏槽区槽底的炮孔6 个,孔距9 0 mm,孔长2.0m，炮孔与隧洞中心线方向平行，向下倾斜15wo160%75110.930.61.73d5.92m(3)致裂管与堵塞长度设计致裂管与堵塞长度取值见表2。0.93(4)充气量设计根据前面计算，每米长致裂管可以充人的液氧量为3 升（去掉尾数）。两类炮孔的充气量见ab23.5m3.0m13-3炮孔长度，m3.53.13.52.0=15c(a.b)w6otd92表2。辅助破岩总充气量为150 升。(5)点火网路设计点火网路为串联电路，每个炮孔中使用了2个点火头，一共使用52 个点火头，满足点火机的点火能力。每个致裂管中的2 个点火头以串联方式连接。(6)辅助破岩效果致裂管长度,m堵塞长度,m2.21.31.81.32.21.31.01.0总充气量，L52.843.226.412.0134.42024年第1期安装机械气幼5718个。除周边孔外，拱顶部位需增加2 排炮孔辅助破岩，一排4个，另一排3 个。共2 5个炮孔。(2)钻爆参数。边炮孔沿着左边轮廓线布置，数量18 个，底孔孔距0.8 m，边墙孔距1.0 m，拱顶孔距0.9 m，最小抵抗线都是1.0 m，炮孔向外倾角为3 向下倾斜15,孔长3.1m。拱顶增加的2 排辅助炮孔，前排最小抵抗线0.9m，后排排距0.8 m,孔距都是0.9 m，炮孔向内凿岩机械气动工具具（总第19 4期）图4掏槽破岩起爆前的实景图图5掏槽破岩后的实景图辅助破岩点火后2 6 个炮孔全部起爆，可见深度达到2.5m。隧洞口设置了坚固的拦石栅栏，没有石块飞出隧洞口。4.5左侧周边破岩区钻爆参数设计经过掏槽和辅助破岩后，在隧洞断面上已形成长7.5m、高4.5m、深2.1 2.5m的槽坑。现在需要破碎剩余的岩石。受到起爆系统能力的限制，需要把剩余的岩体分两次破碎,左边和右边各爆破一次。左侧周边炮孔在断面上的分布如图7 所示。炮孔布置和钻爆参数设计如下：(1)炮孔布置。沿隧洞左边轮廓线布置1排炮孔，左边半轮廓线长度约15.8 m，共布置炮孔炮孔类型沿掏槽区边缘布置的炮孔掏槽区槽底布置的炮孔合计倾角为3 向下倾斜15,孔长3.1m，数量7 个。(3)致裂管与堵塞长度设计左侧周边破岩致裂管与堵塞长度取值见表3。(4)充气量设计根据前面计算，每米长致裂管可充入的液氧量为3 升（去掉尾数）。各炮孔的充气量见表3。左侧周边破岩总充气量为12 4.2 升。(5)点火网路设计点火网路为串联电路，每个炮孔中使用了2辅助孔120080000610061006图6辅助破岩炮孔平面分布示意图表2 辅助破岩致裂管与堵塞长度取值表炮孔数量，个炮孔长度，m致裂管长度，m203.562.0掏槽区5920O9500堵塞长度,m2.21.31.01.00008总充气量，L1321815058安准机械汽协琪2024年第1期新型气体膨胀技术在隧洞开挖工程中初步应用分析环需要4天，相当于一天只能钻孔、爆破一次。900经过不断总结、改进，掌握了钻孔、清孔、装管、堵45d08019001000000L18004750图7 左侧周边炮孔平面分布示意图个点火头，一共使用了50 个点火头。(6)掏槽破岩效果左侧周边破岩区点火后2 5个炮孔全部起爆，可见深度约2.5m，气体把左边的岩石全部破碎并推出。由于隧洞口设置了坚固的拦石栅栏，没有石块飞出隧洞口。4.6右侧周边破岩区钻爆参数设计右侧周边破岩区炮孔在断面上的分布与左侧相同,钻爆参数也相同,不再叙述。图8 是一个循环破岩后隧洞掘进的效果。4.7一个循环单位耗气量估算对于本应用研究项目,共进行了8 个循环的掘进作业,共进尺19.7 m。本文给出的是其中一次循环掘进钻爆参数设计和效果。循环进尺大约2.5m，爆破4次，消耗液氧53 2.8 升，破碎岩石约6 4.3 52.5=16 0.8 8 m。相当于单位耗气量为3.30 L/m。4.8一个循环施工的作业周期利用气体膨胀方法掘进隧洞时,完成一个循炮孔类型炮孔数量，个周边炮孔18增加辅助炮孔7合计塞（包括调和砂浆配比）、充气的方法和技巧后，每天可以钻孔、爆破2 次，最终实现2 天一个循环,平均循环进尺接近2.5m。，已爆区5施工操作安全与技术0008经过几个循环作业的实践，采用气体膨胀破00011O4750表3 左侧周边破岩致裂管与堵塞长度取值表炮孔长度，m3.13.1岩技术进行隧洞掘进施工,需注意以下事项：5.1液氧运输、现场存放、使用5.1.1运输(1)使用专用杜瓦罐运输。(2)运输杜瓦罐的车辆应有相应的运输资质。(3)杜瓦罐吊装、卸车应轻吊轻放，避免碰撞,并有专人指挥。其他道路运输要求与危险化学品运输要求相同。5.1.2现场存放(1)液氧应储存在符合国家标准的杜瓦罐内。(2)在杜瓦罐附近,应设立警示标志。(3)杜瓦罐附近10 m内严禁烟火和明火照明。(4)杜瓦罐现场应放置消防器材,消防器材数量应符合消防规定，并定期检查。(5)杜瓦罐附近严禁存放活泼金属粉末、油性物质，防止杜瓦罐上沾有活泼金属粉末、油性物质。(6)杜瓦罐应放在阴?通风、干燥的地方,周围温度不宜超过3 0。致裂管长度，m堵塞长度,m1.61.51.81.3总充气量，L86.437.8124.22024年第1期安装机械艺幼59时要控制好充气速度，气流要稳定，不能过快，防止冲断、冲散点火头的脚线，造成盲炮。(2)充气结束后,要同时、快速切断充气管，撤回充气保温管，尽快警戒与点火，减少液氧损耗。6结论通过上述研究，可以得出以下几点结论：凿岩机械气动工具（总第19 4期）图8 一个循环破岩后的掘进效果实景图(7)现场作业时要定期检查杜瓦罐的罐体、阀门。(8)现场作业要避免太阳直晒杜瓦罐，应在杜瓦罐上方设置防晒、通风的?棚。5.1.3使用(1)使用前必须对罐体、阀门、连接处检查气密性，检查合格后方可使用。(2)使用时操作人员应穿着劳保工作服装，佩戴手套，防止冻伤。(3)使用时杜瓦罐附近10 m范围内不得出现明火及油类、活泼金属等易燃物质。(4)现场作业时，杜瓦罐宜放置在致裂（松土)区后方或侧方2 0 50 m处，并有专人安全监管。5.2装致裂管(1)装管前应检查炮孔是否顺直,并吹出炮孔中的积水、孔底的碎屑（粉末）,如果炮孔不直，应适当缩小致裂管的外径，确保致裂管可以顺利推入孔底。(2)把致裂管推人孔底时不能用力过度，防止孔壁碎屑划破致裂管外套，造成泄气。5.3堵塞技术(1)应采用砂浆做堵塞材料,并在砂浆中掺人一定比例的速凝剂。(2)为了缩短作业周期,尽量采用注浆机把砂浆送入炮孔。5.4充气技术(1)严格遵守充装机的安全操作规程,操作(1)首次把气体膨胀破岩技术应用到隧洞开挖工程中，为不许可使用民爆物品爆破条件下实现隧洞快速掘进提供了一种新的施工方法。(2)该方法使用的材料不涉及管制物品（如民爆物品、易制爆物品），使用操作安全性高，同时可降低公共安全管理风险。(3)作业时，先把致裂管放入炮孔,堵塞好炮孔后再向致裂管中充入液氧，可燃介质在炮孔内静态状况下吸收液氧，没有机械撞击、摩擦、静电火花等的安全风险，大大提高了隧洞掘进破岩作业的安全水平。这是第一次应用研究,取得的数据还不够丰富，仅供读者进一步研究和施工时参考。参考文献：1 Fang Ying,Chen Zhidong,etc.Research on,KeyTechnology of New Air Energy Expansion BlastingcJ/Proceedings of the 13th International Symposium on RockFragmentation by Blasting,Beijing:Metallurgical industrypress,2022.10:647-652.2梅比,高星,方莹,等二氧化碳膨胀爆破新型致裂管与安全技术研究J爆破,2 0 2 1,(0 2)：153-159.3方莹一种孔内充装柔性致裂装置及其使用方法：中国,2 0 2 11153 9 43.1P.2021-12-17.4方莹，等。一种孔内充装柔性致裂装置：中国，ZL202123161456.0P.2022-5-24.5方莹一种孔内充装柔性致裂装置及其使用方法：中国,PCT/CN2021/138665P.2021-12-16.6方莹一种孔内充装的可燃气体致裂管：中国，ZL2019 2 2041169.2P.2020-9-25.60安雅机械幼琪2024年第1期