隧道工程聚能水压爆破的施工技术.docx

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隧道工程聚能水压爆破的施工技术

聚能水压爆破的施工技术

一、工程概况

该隧道处于陕北东南部黄土残塬区，上部覆盖厚层黄土，由于受到强烈侵蚀作用，黄土塬已破碎不堪，零星分布，地表沟壑纵横，冲沟发育，地质主要为冲积砂质新黄土，冲洪积砂质老黄土、黏质老黄土及砂类土；下部为水平层状砂岩、泥岩等，最大埋深310m。

在施工过程中主要存在滑坡、高地应力、游离态有害气体、浅埋、断层等高风险，隧道结构穿越黄土、土石混合断面、水平岩层。

施工难度大、安全风险高等诸多不利因素。

二、常规光面爆破技术

1、技术原理

常规光面爆破技术原理是炮眼中的炸药爆炸后，在岩石中传播应力波产生径向压应力和切向拉应力,由于炮眼相邻互为“空眼”,所以在炮眼连线两侧产生应力集中度很高的拉应力,超过岩石抗拉强度,炮眼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。

2、工艺流程

3、装药结构

常规（或普通、传统）隧道爆破采用连续装药，炮眼间距炮眼中仅装炸药而无回填堵塞，其装药结构如下图所示。

炮眼无回填堵塞装药结构

4、爆破参数

常规爆破设计参数表

周边眼深度3.5m，进尺2.8m，开挖断面面90.98m³，炸药单耗0.98kg/m³。

5、常规爆破存在的问题

1）炮眼间距为40-50cm，布眼过密、打眼过多、打眼作业时间占用时间过长。

2）由于炮孔内充满了空气，应力波部分能量因压缩空气而损失，所以应力波的强度因无回填堵塞而降低，结果削弱了对围岩的破碎。

3）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”。

4）常规爆破后有害气体浓度高，粉尘大。

再加上斜井通风困难，放炮后通风时间需要30-40分钟，机械才能够到达掌子面进行出碴，对工序衔接造成了极大的影响。

三、水压光面爆破技术

1、技术原理

水压光面爆破原理为“往炮眼中一定位置注入一定量的水，并用专用的炮泥回填堵塞炮眼，利用在水中传播的冲击波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到围岩中几乎无损失，同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应，有利于岩石破碎，炮眼中的水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染，所以水压爆破成为名副其实“绿色爆破”。

2.工艺流程

3、装药结构

4、爆破参数

水压爆破设计参数表

周边眼深度3.5m，进尺3.0m，开挖断面面90.98m³，炸药单耗0.88kg/m³。

5、水袋制作

水袋采用KPS-60型水袋自动封装机加工而成。

这种专门为水压爆破研制的封口机，结构简单，操作方便，每小时可制作约700个水袋。

具体操作：

首先连接水管，并用扎圈锁紧为防进气；打开电源调节温度到220°左右，预热约十分钟；试运转从出水口排除气体；然后把塑料袋套在出水口上，一按电钮水即可冲入袋中，随之自动封口，水袋便加工成。

KPS-60型水袋自动封装机

水袋制作

6、炮泥制作

炮泥采用PNJ-A型炮泥机加工而成。

这种专门为水压爆破研制的炮泥机，结构简单，操作方便，两个人每小时可制作约500根炮泥。

制作炮泥可就地取材，节约成本，按照土：

砂：

水=0.75:

0.1:

0.15的比例制作。

制作好炮泥放置时间不宜太长，最好在使用前1～2小时制作好，炮泥应不软也不硬，软了捣固时容易挤压出炮眼口，硬了捣固时不易把炮泥捣固碎，堵塞不坚实。

PNJ-A型炮泥机

制作完成的炮泥

7、写实

通过对XX隧道掘进60m的技术应用，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、出碴、排险、支护、喷浆等耗费时间，进行记录，形成写实记录结果。

根据现场写实记录的结果进行分析，单个循环进尺3.0m，作业时间平均为10小时12分钟，各工序平均作业时间如下：

1）钻孔、装药：

3小时12分钟。

2）排险（排除拱部危石）：

18分钟；

3）出碴：

3小时24分钟；

4）打锚杆、挂网片等：

1小时48分钟；

5）喷射砼：

1小时30分钟。

水压爆破后效果图片

8、技术创新点

水压爆破与常规爆破相比，产生了较好的爆破效果，爆破后岩面平整，减少了对周边围岩的扰动，保证安全；岩碴块度大小均匀，利于装碴；控制了超欠挖，减少了支护混凝土用量，降低了成本。

具有显著的“三提高一保护”作用：

提高炸药利用率，提高施工效率，提高经济效益，降低了粉尘等有害气体浓度，保护了作业人员安全和身体健康。

四、聚能水压光面爆破新技术

1、技术原理

聚能水压爆破原理：

就是利用聚能爆破原理，在线性药型罩上爆炸产物产生聚能作用，爆炸产物的势能通过对称的药型罩转化成粒子射流动能，虽然PVC塑料射流没有金属铜射流速度高、切割能力强，PVC射流足以在岩石上切割出裂缝，PVC聚能管还能多产生60%以上爆破气体，在炮孔内高压爆破气体准应力及气体气刃作用下，在聚能角中心线方向上的岩石被撑开、拉断，相邻炮孔切线上形成贯通缝隙。

2、工艺流程

3、装药结构

根据不同钻孔深度选择轴向连续装药，接着装聚能装药管，聚能管上部用水袋填塞，最后用20-40cm炮泥填塞捣密实。

如下图所示：

聚能水压爆破装药结构图

4、钻爆参数

聚能水压爆破设计参数表

周边眼深度3.5m，进尺3.2m，开挖断面面90.98m³，炸药单耗0.79kg/m³。

5、聚能管

聚能管采取一种抗静电阻燃的特种塑料管，异形双槽聚能管。

管长2m、2.5m、3m不等。

聚能管为炮眼深度的70%,聚能管是由两个相似半壁管组成,管壁厚2mm,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17.27mm,半壁管宽度24.18mm,两半壁管相扣成的聚能管宽度为28.35mm。

为调节聚能槽对准开挖轮廓面,两半壁管可调聚能方向8°一10°。

聚能管裝置中的炸药为施工现场通用炸药即乳化炸药。

聚能管内部尺寸形成的截面就是炸药的截面。

聚能管截面尺寸

6、聚能管装置

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。

往半壁管注药是组裝聚能管装置主要工艺。

为往半壁管中注药需要空压机和注药枪等两种设备。

注药枪长45cm，重0.8kg。

小型空压机功率800W，重23kg。

7、聚能管制作工具

小型空压机注药枪

8、聚能管制作步骤

1）把半壁管摆放在工作平台上。

2）把药卷一端和沿药卷纵向切开包装皮，然后两药卷沿纵向切开面合并装入注药枪中，最后拧紧旋转盖。

3）注药枪尾部软管与空压机连接，压力到0.2MPa时，手握注药枪沿半壁管从头至尾移动，炸药就从枪咀连续不断注入半壁管中。

4）在注好炸药的一片半壁管中放置一根传爆线（俗称红线，比半壁管长10cm）,然后与另一片注好炸药的半壁管合并、相扣在一起，用电工胶带缠绕固定。

5）在聚能管装置两端套上定位圈，前端为圆形，后端为方形。

切割药卷聚能管装药

安装传爆线安装定位圈

9、周边眼装填步骤

1）最底部填装一个水袋。

必须装到炮眼最底部，不能留有空隙。

2）安装聚能管装置。

紧挨着底部水袋，聚能槽要与轮廓线方向一致，特别注意不能装错。

3）装填两个水袋。

4）堵塞炮泥。

炮泥填塞至炮眼口，用木质炮棍捣实。

10、注意事项

1）操作人员需经培训后上岗。

2）操作间应选在偏僻位置，单独设置，专人使用，并配有防静电措施。

3）药卷包装皮须集中收集、处理。

4）聚能管制作完成后，起爆雷管不得在操作间安装，应运送至作业面进行装填时再安装。

5）聚能管随做随用，保证单循环需要即可。

11、写实

通过对XXXX隧道聚能水压光面爆破掘进技术的应用，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、出碴、排险、支护、喷浆等耗费时间，进行记录，形成写实记录结果。

根据现场写实记录的结果进行分析，单个循环进尺3.2m，作业时间平均为9小时42分钟，各工序平均作业时间如下：

1）钻孔、装药：

2小时42分钟。

2）排险（排除拱部危石）：

18分钟；

3）出碴：

3小时24分钟；

4）打锚杆、挂网片等：

1小时48分钟；

5）喷射砼：

1小时30分钟。

12、现场装填图片

13、现场观摩标段推广

为了进一步推进项目整体的聚能水压光面爆破工作，起到一个工点带动一个工区，一个工区带动整个项目的作用。

项目部通过树立亮点方式，及时召开现场爆破交流会。

14、聚能水压光面爆破效果

聚能水压光面爆破后效果图片

五、技术经济效果分析对比

1、技术效果对比

通过对常规光面爆破、水压光面爆破和聚能水压光面爆破的爆破参数及效果对比分析，聚能水压光面爆破新技术无论是在技术效果上还是经济效益上都具有明显的优势。

技术效果对比表

2、聚能水压光面爆破具有以下优点:

1）成型效果好。

开挖轮廓线平顺整齐，围岩扰动减少，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分钟。

少打眼、出碴量减少，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）半眼痕保留率达到85%以上。

3、经济效果对比

以隧道每延米为单位，在相同条件下，通过对常规光面爆破、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。

经济效果对比表

根据常规爆破和聚能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，聚能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19.2kg，每爆破一立方岩石节省炸药0.19kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了30min。

结合这些数据，采用聚能水压爆破每延米火工品节省148.13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396.55-60.38=336.17元。

聚能水压爆破每掘进20m可少钻爆1个循环，XXXX隧道采用聚能水压光面爆破约4000m,可减少钻爆循环200个，缩短工期100天，节省费用约134万元，为项目提质增效，减亏治亏做出重大贡献。

六、认识与体会

隧道掘进施工中，先后采用常规光面爆破、水压光面爆破和聚能水压光面爆破三种爆破技术，爆破技术的一步步提升，经历了艰难的心路历程，最终我们取得了较好的成效，主要认识和体会有以下几点：

1、超挖严重、浪费惊人，在爆破技术上寻求突破

上场伊始，我们在隧道掘进施工中全部采用常规光面爆破，由于工装简单、工艺粗糙以及管理人员思想不重视等原因造成隧道开挖成型不好，超欠挖较大，产生了极大的施工浪费。

为解决这种情况，项目部领导研究决定要在爆破技术上入手，寻求突破。

目前在爆破新技术上，水压光面爆破及聚能水压光面爆破占有绝对的优势，于是项目部领导联系到国内著名爆破专家何广沂教授，邀请何广沂教授到我项目部对水压光面爆破及聚能水压光面爆破新技术进行培训、指导。

2、培训教育、选点试验，在降低成本上尝到甜头

项目部于2016年4月邀请国内著名爆破专家教授对水压爆破施工技术进行培训、指导，对最新研发的聚能水压爆破新技术进行技术讲座。

项目部重视提升各级管理人员，尤其是一线作业人员的业务水平，根据现场存在的不足，通过定期培训和现场指导，开展爆破工班人员业务技能培训，明确培训目标、标准、操作流程及注意事项，保证培训效果。

项目部选取学习隧道1#斜井作为试点进行试验，经过多次聚能水压爆破试验，直至试验成功，通过对比分析，聚能水压光面爆破无论是在技术上还是经济效益上都要优于常规光面爆破，在降低施工成本方面作用明显。

3、发现问题、研究解决，在聚能装置上不断完善

聚能水压光面爆破试验阶段聚能管制作人员加工聚能管时不熟练，效率低，设备容易堵塞，浪费炸药，现场施工人员安装不规范，聚能管安装角度不符合设计要求，周边眼间距控制在80-100cm，导致光爆效果差，没有能很好的体现聚能管的优势。

项目部管理人员发现问题后，立即组织开展对聚能管制作人员重新培训并进行现场指导，并指派专业技术人员对聚能管现场安装进行指导及监控，经过分析研究决定，将周边眼间距调整至60-80cm后，重新进行聚能水压光面爆破，聚能管的优势显现充分。

4、技术先进、成效显著，在爆破技术上全面推广

聚能水压光面爆破新技术既减少了围岩扰动，又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,残眼保留率高，超挖减少，支护混凝土成本降低。

施工进度快、施工质量明显提高、降低生产成本显著，经济效益和社会效益比较明显。

操作时严格按照施工方案布设周边眼、严格控制聚能管的开口方向，并使用水袋、炮泥堵塞，能达到“定向断裂”的理想效果。

聚能水压光面爆破新技术在XXXX隧道1#斜井试验成功后，项目部及时组织了现场观摩会，针对施工过程中容易出现的问题进行现场讲解，并在全标段各个工作面进行推广。

5、分工明确、责任到人，在过程控制上严格执行

成立以项目经理为组长、项目总工为副组长，项目部各部室负责人及工程技术人员为组员的聚能水压光面爆破领导小组，实行目标责任制，及时把各项任务分解落实到班组，依据技术参数合理、制度完善管控到位、现场管控严密多管齐下的思路，进行爆破管理。

6、制度护航、奖罚分明，在考核兑现上及时到位

为能使施工作业人员思想上重视聚能水压光面爆破的必要性和重要性，充分发挥施工过程中的执行力度，项目部制订了《隧道聚能水压爆破实施指导意见》、《聚能水压爆破考核实施细则及奖惩办法》，严格把控爆破施工中周边眼间距、超欠挖、循环进尺等各项考核指标执行。

各架子队责任管理人员与施工班组同奖同罚，真正实现全员参与，杜绝施工作业人员“事不关己”的心态。

严肃考核制度的执行力度，项目部按月实现对各项制度的奖罚兑现，充分调动操作工人的积极性，提升思想意识，并将聚能水压光面爆破纳入工序管理。

7、锻炼队伍、培养人才，在项目管理上提升水平

项目部管理人员经过不断深化技术交底、培训及现场实际管理工作的磨练，并在各项管理办法和管理制度的严格管控下，逐步适应了管理模式，熟悉了作业程序、管理要点，作业标准。

提高了自己的管理能力，为企业培养了隧道钻爆施工的管理人才。

项目技术人员，在爆破控制原理、爆破参数选择、爆破控制设计、测量放样，现场炮孔布设、爆破设计的优化，爆破控制技能上，提高了认识，熟练了业务，提升了技术管控能力。

劳务工班通过项目部组织的交底培训，制度综合管理，提升了作业技能，提高了工作自律性，确保了工作质量。

七、问题和思考

在隧道开挖施工过程中，不断寻求爆破技术新突破，通过超挖管控考核评比、喷射混凝土成品系数对比，及时兑现奖罚，提高了工区、作业队的自我管控意识，减少了超挖，节约了成本，同时在隧道施工过程中对于开挖轮廓尺寸的确定、预留变形的调整、过程控制等方面的思考和做法，希望与各位共同分项、探讨。

对于开挖轮廓线的确定，一般情况下，测量人员开挖轮廓放线尺寸为：

设计断面尺寸+设计预留变形量+5cm二衬台车放大值。

设计预留变形量和5cm二衬台车放大值是否适用，直接影响开挖轮廓线的准确性。

1、预留变形量调整

设计预留变形量一般是设计人员根据通用图或有限的经验值，在设计图纸中会予以明确。

蒙华铁路全线采用监控量测信息管理平台，项目部通过大量的实际量测数据和设计数据对比，总结发现设计预留变形量普遍大于实际变形量，并及时进行了调整。

设计与调整后预留变形量对比表

通过预留变形量的调整，开挖半径直接减少3-8cm，减少了喷射混凝土用量，降低了成本。

2、二衬台车放大值的适用性

为了保证隧道设计净空尺寸和喷射混凝土、二衬混凝土厚度，施工单位基于对自身施工质量的不确定性，在二衬台车生产时，目前普遍存在外放5cm经验值来确定加工尺寸,势必会导致开挖轮廓外放5cm。

对于一般常用的10mm厚面板的二衬台车，经过大量数据验证，最大弹性变形为1.5cm，所以建议在二衬台车生产时，考虑最大弹性变形2cm，而不是普遍常用的5cm经验值，可缩小开挖断面3cm。

Ⅲ级围岩开挖轮廓线Ⅳ级围岩开挖轮廓线

Ⅴ级围岩开挖轮廓线

3、过程细节控制

隧道开挖施工是影响后续初期支护、二衬施工的关键因素，在各个环节施工时，要必须严格执行炮眼数量、深度、间距、装药量的检查及调整，钢架定位放样及复核制度，对于超前小导管外插角、炮眼外插角控制要加强培训、教育、定人定位，提高熟练度，只有控制好开挖工序，后续的喷射混凝土及二衬混凝土用量才可控。