云桂铁路老格山隧道水压爆破施工技术.doc

云桂铁路（云南段）项目经理部 节能、环保水压光面爆破
目 录
一、概况 — 1 —
二、隧道水压爆破概述 — 1 —
(一）水压爆破发展与优点 - 1 —
（二）水压爆破原理 - 5 —
三、隧道水压爆破施工方法 — 5 —
(一）隧道水压爆破采用主要设备 — 6 -
（二)隧道掘进水压爆破的钻爆设计 — 6 -
1。隧道掘进水压爆破装药方法 — 8 -
2。 隧道掘进水压爆破的炮孔装药结构 — 8 -
(三）施工工艺流程图 - 9 —
（四)具体施工步骤 — 10 —
1。炮泥制作 - 10 —
2。水袋制作 — 11 -
3。台车就位和排险 - 12 —
4。测量布眼及钻孔 — 12 —
5。安装炸药、水袋及炮泥 — 13 -
6。起爆网络 - 14 —
7.爆后检查及盲炮处理 - 14 -
8.炸药退库 — 15 —
四、隧道掘进水压爆破成效分析 - 15 -
（一）水压爆破粉尘和振动速度的监测 - 15 —
1。粉尘监测 - 15 -
2.振动速度监测 — 17 -
（二）技术指标分析 — 18 —
（三）经济指标分析 — 19 —
1。使用水压爆破每延米所节省的费用 — 19 -
2。剩余隧道开挖完成以后预计节省的费用 — 22 -
五、体会 — 22 —
节能、环保水压光面爆破技术
一、概况
老格山隧道位于云南省文山州境内，进口里程DK478+860，出口里程DK481+384，全隧道设计为9‰单面下坡，全长2524米，隧道设计时速200km/h，预留250km/h，为双线铁路隧道，围岩以Ⅱ级为主，开挖采用全断面水压光面爆破。
项目部首先在老格山隧道使用水压爆破新技术。通过专家指导、人员培训、现场实践，逐步对该技术熟练掌握，在节省炸药、增加掘进进尺和改善隧道内施工环境等方面取得了很好的效果，并已推广到本标段各隧道。
二、隧道水压爆破概述
（一）水压爆破发展与优点
隧道水压爆破是利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到炮眼围岩中几乎无损失，十分有利于岩石破碎。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跃和变化.
水压爆破是由我国著名的爆破专家何广沂教授提出，利用水可以增强爆破的效果，提高炸药利用率，有效地控制冲击波、飞石，减弱爆破振动。根据当前国内隧道工程爆破的现状，为解决工程爆破中存在多年已久的不能充分利用炸药能量和严重污染环境两大难题，结合炮眼堵塞技术，总结了一整套完善的水压爆破施工工法.
相对于常规爆破,水压爆破起到了“三提高、两减少、一保护”的作用，主要表现在：1、提高单循环进尺0。3～0。5m；2、提
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图1 老格山隧道纵断面图
图2 隧道水压爆破理论培训
图3 隧道水压爆破现场培训
图4 水压爆破专家讲座
图5 现场指导水袋、炮泥制作
高光面爆破效果，常规爆破的炮眼利用率为80％左右，而水压爆破的炮眼利用率可以达到98%以上,隧道线性超挖由原来的10cm～15cm降低到现在的7cm~11cm；3、提高炸药利用率，每米进尺可节省炸药16。338kg，炸药节省率达到15。9%；4、减少洞碴大块率;5、降低振动速度，比常规爆破振动速度降低50％左右,减少了对周边围岩扰动；6、粉尘含量降低，比常规爆破粉尘浓度降低55%左右，通风排烟时间可以减少30分钟,保护了作业人员身体健康.
（二）水压爆破原理
隧道水压爆破是往炮眼中的一定位置注入一定量的水，然后用专门的炮泥机生产炮泥回填堵塞。由于炮眼中有水,因水具有压缩性极小、变形能低、热能损失小等特性，在水中传播的水激波能够按照水的“液压”作用，较均匀的、几乎无损失地把能量传递到围岩中。另外，在水激波做功的同时,被爆炸气体冲击压缩的高压水挤入爆生裂隙中，形成“水楔",这种“水楔"的尖劈作用加剧了裂隙的延伸和扩展,使破碎块度更均匀；同时，炮眼中的水在高温高压下被雾化,充分吸收了有毒、有害爆生气体及粉尘,起到了雾化降尘的作用，大大降低了粉尘对环境的污染，改善了洞内空气质量。
三、隧道水压爆破施工方法
老格山隧道自2013年3月18日进行首次水压爆破施工以来,经过数次试验确定装填参数，目前水压爆破技术已走向成熟.
(一)隧道水压爆破采用主要设备
表1 水压爆破主要设备
设备名称
单位
数量
设备名称
单位
数量
气腿钻机
台
18
通风机
台
4
装载机
台
2
KPS-60水袋机
台
1
挖机
台
1
PNJ—A炮泥机
台
1
出碴车
台
4
皮卡车
台
1
空压机
台
6

（二）隧道掘进水压爆破的钻爆设计
在老格山隧道Ⅱ级围岩开挖施工中通过现场光爆（非水压）试验选定的各光爆参数如下：详见图7炮眼布置图、表2非水压爆破装药参数.采用水压爆破时在掏槽形式、炮眼布置、数量、深度、起爆顺序和时间间隔等的设计与常规爆破一模一样，所不同的是在每个炮眼中增加了水袋和炮泥，装药量和装药结构也有所不同。
表2 非水压爆破装药参数
表3 水压爆破装药参数
图7 炮眼布置图
经过试验确定,老格山隧道水压爆破的装药结构与常规爆破相比，掏槽眼、扩槽眼、辅助眼、内圈眼和底板眼每孔减少装药0。2kg;每循环总共节省炸药23kg（不含多进尺节省炸药）.详见表3 水压爆破装药参数。
1.隧道掘进水压爆破装药方法
采用人工用木制炮棍装药，由施工人员将药卷逐个装入炮孔，并用炮棍轻轻捣实，避免药卷之间间隔较大，影响传爆.在装药过程中严禁大力用炮棍捣实炸药,防止用力过猛后使水袋破裂或使装药密度过大，造成炸药压死拒爆。
2. 隧道掘进水压爆破的炮孔装药结构
（1)周边眼
采用空气间隔、不耦合装药，采用导爆索起爆,将导爆索插入空底药卷内,炸药均匀分布装入炮孔内。为克服底部炮眼的阻力，一般将底部药量稍微加大。在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水袋，并在装药结束后距孔口80cm再装入2节水袋，再进行炮泥堵塞.(如图8)。
图8 周边眼装药结构示意图
（2)掏槽眼
掏槽眼采用斜眼掏槽，与开挖面间的夹角α=70°左右。采用连续耦合装药，雷管埋入孔底药卷,聚能穴朝孔口方向。在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水袋,并在装药结束后再装入4节水袋，再进行炮泥堵塞.其结构如图9。
图9 掏槽眼装药结构
（3）扩槽眼、辅助眼、底边眼等
采用连续耦合装药,雷管埋入孔底药卷,聚能穴朝孔口方向.在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水袋,并在装药结束后再装入3节水袋，再进行炮泥堵塞。其结构如图10.
图10 扩槽眼、辅助眼、底边眼装药结构
（三）施工工艺流程图
图11 水压光面爆破施工工艺流程图
(四)具体施工步骤
1。炮泥制作
炮泥采用PNJ-A型炮泥机制作而成，机器外型尺寸150×45×53（cm），结构简单,操作方便，两人每小时可制作炮泥400～500个。制作炮泥就地取材、节约成本并调整好炮泥配合比，保证炮泥有一定的强度同时方便炮泥填塞过程易于捣碎，便于孔口封堵密实.
图12 炮泥机及炮泥制作
图13 制作好的炮泥
经多次试验，确定以黏土为主炮泥，配合比为：土:砂：粉煤灰:水=100：6：7：15。配料采用磅秤称重，混合料按照配合比人工拌匀，软化1～2小时后，装入炮泥机的进料仓，开动电钮开始生产，将其制作成直径32mm，长20cm~30cm的炮泥节装箱.如图12、图13所示；制作好的炮泥放置时间不要太长,最好在使用前1～2小时制作好,若放置时间较长采用塑料膜覆盖。使用时采用皮卡车装箱运送至施工现场.
图14 水袋机及水袋制作
2.水袋制作
水袋是由KPS—60型水袋自动封装机生产而成，其工作原理：采用高压泵式容积法计量方式进行灌装,由凸轮机构完成水袋自动热合封口。水袋机的外型尺寸97×36×100cm，整机功率0.68KW，电源为交流220V，50HZ,一小时可以生产500～600个水袋.具体操作:接通电源启动机器、预热封口机待温度上升后试封2-3次，达到密封效果后进行正常生产。该封装机每次制作水袋3个直径32mm，长200mm的水袋,充满后自动封口,而后将成品水袋装箱。如图14所示。
3.台车就位和排险
上循环施工完成后，首先将开挖台车就位，而后人工清理松动危石，保证施工过程安全.
图15 钻孔施工
4。测量布眼及钻孔
用全站仪在掌子面上准确定出开挖轮廓线、周边眼及掏槽眼位置，利用轮廓线确定辅助眼位置.钻孔分区定岗，严格按孔位进行施钻（图15）.在测量的同时对前一个循环的爆破效果进行检查，分析检查结果，合理调整光爆参数.
5。安装炸药、水袋及炮泥
装药前采用PVC管通孔，确认孔深满足要求。而后采用木杆按水压爆破装药结构进行装药。周边眼采用间隔装药，眼底部分适当增加药量，导爆索连接;其它炮眼采用连续装药，全部采用反向起爆装药结构（图16、图17).装药按炮眼药量分配表3确定的装药量自上而下进行，雷管“对号入座”，装药后所有炮眼应堵塞炮泥,堵塞长度≮20 cm。
图16 装药结构示意
图17 装填过程
6。起爆网络
起爆网络采用簇连法，俗称一把抓起爆法（图18）。就是每个炮孔内装一发延期导爆管雷管，然后将导爆管连成一把后,用1发电雷管起爆。连接好网络后,等待其他施工人员撤离到警戒线以外后，由爆破员用起爆器在安全避炮点起爆.
图18 起爆网络示意图
7。爆后检查及盲炮处理
响炮30min后方可进入爆区检查，并对爆堆的形状大小、残孔率、飞石最大距离及盲炮情况进行现场记录，掌握一手资料,适时对爆破参数进行调整。
如发现盲炮应立即通知专职爆破员进行处理，处理方法为：
（1） 二次起爆法：若是由于起爆网络连接不良造成的盲炮,可重新连线起爆；
（2） 诱爆法：对于不能二次起爆的盲炮，如果周围环境允许，可准确判明装药的具体位置，在原装药孔附近平行原装药孔进行钻孔,装入少量炸药,利用小装药将其诱爆;
（3） 人工排除法：采用高压风吹出堵塞物，取出起爆雷管及炸药.在处理盲炮时无关人员不得在场，并在危险区边界设置警戒，危险区内禁止进行其他作业.盲炮处理后应仔细检查爆堆，并将残留爆破器材清理干净.
8。炸药退库
在爆破结束后，炮工离开施工现场前，由爆破员将现场剩余火工品回收干净，并退回库房登记,做到账账相符,账物相符.
四、隧道掘进水压爆破成效分析
（一）水压爆破粉尘和振动速度的监测
1。粉尘监测
粉尘监测采用P—5L2C型便携式微电脑粉尘仪，在爆破后5分钟，距掌子面20米位置进行粉尘浓度的监测。通过对连续5个循环常规爆破和5个循环水压爆破的监测，如下表4所示：
表4 常规爆破和水压爆破对粉尘浓度的影响统计对比表
测定
地点
工种及状态
监测次数
常规爆破
粉尘含量(mg/m3)
水压爆破
粉尘含量(mg/m3）
降低的百分比
距掌子面20米处
爆破后5min，未通风
1
15。75
7。29
54%
2
15.9
7。06
56％
3
16.2
7.33
55％
4
16。1
7。12
56％
5
15.95
7。13
55％
平均
15.98
7。19
55％
常规爆破粉尘含量为15。98mg/m3，水压爆破后粉尘含量为7。19mg/m3,比常规爆破粉尘浓度降低了55％,有明显的降尘效果（如图19）。
常规爆破 水压爆破
图19 常规爆破与水压爆破粉尘对比表
2。振动速度监测
序号
常规爆破(cm/s）
水压爆破（cm/s）
振动速度降低的百分数
x值
y值
z值
x值
y值
z值
△x%
△y%
△z%
1
6.99
7。43
3。18
2.05
2。54
1。51

2
5.15
7。17
3.45
2.24
2。98
1。63

3
5。99
7。13
2。88
3.03
2。86
1。64

4
4。75
7.37
3。17
2.96
2。64
1。52

平均
5.72
7。28
3。17
2。57
2。76
1。57
55.06％
62.13%
50。38%
振动速度监测仪采用了TC-4850型爆破测振仪。根据对距离掌子面50m位置的四组常规爆破数据和四组水压爆破数据的监测,统计详见表5。
表5 常规爆破和水压爆破对隧道爆破振动速度的影响统计对比表
从这个表上可以看得出来，通过对振动速度的测定，使用隧道掘进水压爆破比常规爆破振动速度降低50％，效果十分明显。
常规爆破效果图
水压爆破效果图
图20 常规爆破与水压爆破效果对比
(二)技术指标分析
目前老格山隧道自使用水压爆破由3月18日开始至4月20日在相同的Ⅱ级围岩段共施工了50个循环,总共掘进了168m。为了比较两个方法的效果,常规爆破也间隔施工了25个循环，掘进79。8m，设计掘进进尺都是3。5m。常规爆破每循环实际进尺3.1～3。3m,平均进尺为3。192m,水压爆破进尺3.5～3。6m，平均为3。528m，提高进尺0。336米，减少开挖2。5个循环.
表6 隧道掘进常规/水压爆破主要技术参数对比表
爆破类型
单位岩石炸药实际消耗量(kg/m3）
平均炮眼利用率（％）
爆碴块度（cm）
抛距(m）
爆破后粉尘浓度（mg/m3）
Z轴振动速度（cm/s)
常规/水压爆破
0。882/0。742
80。72/98。12
80/50
32。3/25
15。98/7。19
3.17/1。57
图21 隧道掘进常规/水压爆破主要技术参数对比柱状图
常规爆破的炮眼利用率为80.72％，而水压爆破的利用率达到了98。12％,（如图20）.单位耗药量降低了0。14kg/m3，爆破振动速度降低了50.5％，粉尘浓度下降了55％，通风排烟由过去35～45分钟缩短为15分钟以内。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6。
（三）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，水压爆破比普通爆破每个循环多开挖0。336m，每循环节省炸药23kg，每爆破一立方岩石节省炸药0。14kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了20~30分钟，经济指标分析如下。
1。使用水压爆破每延米所节省的费用
一是火工品节省的费用。
老格山隧道开挖面积是116.7m2，每爆破一立方岩石节省炸药0。14kg，节约炸药约15。9％，炸药的单价是每公斤10.4元，所以隧道每开挖每立方米节省1.456元,每延米节省169。92元；
如果按照Ⅱ级围岩目前的每月正常进度150m计算，常规爆破施工每循环进尺3.2m需要开挖47个循环,水压爆破施工每循环进尺是3.5m，需要43个循环，这样一个月节省4个循环。每循环使用雷管总计是178发(含连接网路的雷管是6发）,雷管单价是5。6元。由此计算下来,采用水压爆破每一延米节省雷管26.6元。
导爆索每循环使用200m，单价3。07元/m，由此计算下来,采用水压爆破每一延米节省导爆索16.37元。
合计下来开挖每延米节省火工品212。89元。
二是人工费和机械费的节省情况。
按照常规爆破每月个47个循环，每循环比水压爆破要少掘进0.336m，每月就少15。792m；实际人工费是按照循环计算的,开挖人员24人,杂工3人，工费平均250元/天，每一循环6750元，因此常规爆破的单价就是6750/3.2=2109。4元。每月少掘进15。792m合计就是33312元，按照水压爆破每月进度164。5m考虑，每延米水压爆破就要比常规爆破节省人工费202。5元.
机械计费按照开挖工程量计算，不节省费用。
三是通风时间缩短节省的电费。
由于水压爆破通风时间约40分钟，常规爆破通风时间约15分钟，每循环节省25分钟,风机的功率是2×75kw，每度电1元,水压爆破每延米节省电费20.53元.
四是制作炮泥、水袋的支出费用。
制作炮泥、水袋需要两人，每工天按100元计算，每天支出人工费200元,每天进尺5米，每延米分摊40元.
水袋每循环使用645个，每个0。12元，共77。4元，每延米分摊22.11元.
水袋机、炮泥机功率都考虑为4kw，每天使用四小时，用电费用为32元，每天进尺5米，每延米分摊6。4元。
合计以后，制作炮泥、水袋支出每延米多支出费用68。51元.
把以上节省的火工品费用、人工费用、电费以及节约混凝土费用合计,并除去水袋、炮泥的支出费用后,水压爆破每延米节省费用：367。41元.
表7 隧道掘进常规/水压爆破每立方经济指标对比
单价 爆破类型
项目
常规爆破
水压爆破
差价(元）
火工品
13。482
11。658
1。824
人工费机械费
18.075
16。34
1。735
电费
0。268
0。092
0.176
炮泥、水袋费用
0
0。587
—0.587
合计：

3.148
图22 隧道掘进常规/水压爆破每立方经济指标对比柱状图
2.剩余隧道开挖完成以后预计节省的费用
老格山隧道目前开挖剩余995米，按照水压爆破掘进每延米节省367。41元，贯通后可以节省费用36。56万元;分部目前3座隧道进度，截至2013年4月20日剩余4900米,可以节省费用180。031万元；经理部目前隧道开挖剩余20884米,可以节省费用767。3万元。
五、体会
经过学习、实践和探索，我们深深认识到了水压爆破新技术在隧道掘进中“三提高、两减少、一保护”的作用与效果是毋庸置疑的,给隧道施工带来的变化也是显而易见的。我们认为，要能达到推广普及还要做好以下几个方面：一是继续巩固和加强我们的成果,完善制度,迅速的让我们施工的每一座隧道都成为节能环保施工的典范；二是继续做好动员和教育培训工作,轮流召集架子队、爆破工班讲解水压爆破的理论知识，提高认识,摒弃无堵塞炮眼的旧观念，换上节能环保的新思维，要发挥劳务队的主观能动性，让他们在充分认识到新技术的优点、尝到新技术的甜头后，主动改善和发扬水压爆破技术;三是继续围绕水压爆破做好下一步的研究,研究水压爆破对存在不良气体隧道施工的影响；研究对病害隧道振动的影响;扩充和完善水压爆破理论，为其他同行提供参考和借鉴.
通过我们项目部全体参建人员的不懈努力,隧道水压爆破新技术得到了有效的应用,为国家建设可持续发展，节约资源,保护环境，起到了良好的推动作用。