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预留光爆层水压爆破在大断面公路隧道施工中 降低爆破危害的应用 ① 李启月1， 边志伟1， 郑 静2， 张建秋2， 赵新浩1， 魏新傲1 1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083； 2.中交第一公路工程局有限公司第五公司,新疆 哈密 839000 摘 要 针对光面爆破技术开挖大断面公路隧道时普遍存在的线性超挖量大、光面爆破效果差、爆破振动大以及粉尘与爆生有害 气体浓度高等一系列问题,采用预留光爆层水压爆破技术对新疆东天山特长公路隧道Ⅳ级大断面进行了开挖试验。 结果表明,采 用预留光爆层水压爆破能有效控制爆破危害,平均线性超挖量由 0.924 m 减至 0.205 m,炮孔痕迹率由 49.3％提高至 91.1％,炸药单 耗由 1.348 kg/ m3降至 1.261 kg/ m3,爆破振动幅值由 5.057 cm/ s 降至 3.249 cm/ s,粉尘和各种有毒有害气体浓度随时间变化显著降 低。 试验结果证明预留光爆层水压爆破技术对大断面特长公路隧道掘进爆破危害控制的可行性,达到了隧道安全开挖、快速掘进、 绿色钻爆等效果,对类似工程具有指导和借鉴意义。 关键词 大断面公路隧道； 预留光爆层； 水压爆破； 危害控制 中图分类号 TQ235文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.05.001 文章编号 0253-6099201905-0001-05 Application of Water Pressure Blasting with a Reserved Smooth Blasting Layer in the Construction of Large-section Highway Tunnel for Mitigating Blasting Impacts LI Qi-yue1, BIAN Zhi-wei1, ZHENG Jing2, ZHANG Jian-qiu2, ZHAO Xin-hao1, WEI Xin-ao1 1.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China； 2.The Fifth Company of CCCC First Highway Engineering Bureau Co Ltd, Hami 839000, Xinjiang, China Abstract In view of the existent problems in excavation of large-section highway tunnels with smooth blasting technology, such as a large quantity of linear over-excavation, poor blasting effect, greater blasting vibration and high concentration of harmful dust and gases caused by explosion, the water pressure blasting with a reserved smooth blasting layer was used in the excavation test for the class Ⅳ large-section super long highway tunnel in the East Tianshan. The results show that the water pressure blasting with a reserved smooth blasting layer can effectively control the blasting hazards, with the average linear over-excavation reduced from 0.924 m to 0.205 m, the blast hole trace rate increased from 49.3％ to 91.1％, the unit consumption of explosive dropped from 1.348 kg/ m3to 1.261 kg/ m3, and the amplitude of blasting vibration down from 5.057 cm/ s to 3.249 cm/ s. Furthermore, the concentrations of dust and various toxic and harmful gases also decrease significantly over time. The test results prove that it is feasible to control blasting hazards by using the water pressure blasting with a reserved smooth blasting layer in the construction of super-long highway tunnel of large section, indicating the target of safe excavation, rapid advancement and green blasting can be achieved. It can provide some guidance and reference for similar projects. Key words large-section highway tunnel； reserved smooth blasting layer； water pressure blasting； hazard control 随着公路隧道网络建设的不断发展及钻爆法的普 遍应用,在高海拔及高寒等恶劣环境下大埋深、大断 面、超长距离的公路隧道开挖是未来我国公路建设的 主要发展趋势。 如果爆破方案设计不当或者周边眼间 距、周边眼最小抵抗线、周边眼密集系数、不耦合系数、 装药集中度、装药结构、装药形式、装药量、药卷直径、 爆破各相关参数及起爆方式、掏槽方式等设置不合理, 都会给隧道施工带来一系列无法预料的爆破危害。 对 ①收稿日期 2019-04-05 基金项目 国家重点研究计划 2016YFC0600802；新疆维吾尔自治区重大科技专项2018A03003 作者简介 李启月1968-,男,湖南衡阳人,教授,博士研究生导师,主要从事非煤矿山采矿方法与岩土工程爆破方面的教学与研究工作。 第 39 卷第 5 期 2019 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №5 October 2019 ChaoXing 此,国内外很多学者从不同角度通过现场实验或理论 分析及数值模拟等方式,对爆破工艺提出了一些建设 性的意见与建议,取得了一定的科研成果［1-6］。 本文 以新疆东天山公路隧道掘进爆破施工为依托,针对东 天山特长公路隧道在原有掘进爆破施工过程中出现的 超挖严重、光爆效果差、爆破振动危害大、爆后粉尘和 有毒有害气体浓度高等一系列问题,研究采用基于预 留光爆层水压爆破法开挖大断面隧道,结合实际工程 需要,确定合理光面爆破参数和起爆网络,实现理想的 光面爆破效果,控制好完好开挖轮廓并降低爆破振动, 解决爆破后粉尘及各种爆生有毒有害气体浓度大等困 扰隧道施工的一系列实际难题,实现东天山11.87 km 特 长公路隧道达到安全开挖、快速掘进、绿色钻爆的效果。 1 工程概况 东天山隧道是新疆维吾尔自治区 G575一级公 路线巴里坤至哈密公路建设项目的控制工程,隧道 总长度 11 870 m,为特长隧道。 最大埋深约 1 220 m, 易于形成高地应力现象,发生岩爆等严重施工地质灾 害问题的可能性较大。 隧道采用双向四车道一级公路 标准,设计速度 80 km/ h。 东天山隧道地处高海拔高 寒山区,地形、地质、水文及气象条件十分复杂,其建设 规模和难度在疆内首屈一指,在全国也极为少见。 东 天山超长公路隧道工程建设规模巨大,穿越隧道洞身围 岩总体Ⅲ～Ⅳ级,进出口段、断裂破碎带位置Ⅳ～Ⅴ级。 隧道采用钻爆法施工,初期采用普通爆破,对围岩 造成大范围损伤破坏,而后又采用预裂爆破和光面爆 破技术。 但是,对不同围岩的钻孔参数、装药参数缺乏 系统优化研究,给隧道掘进爆破施工造成一系列问题 炮孔利用率低,隧道爆破施工进度慢平均循环进尺 3.06 m；超挖控制不理想,最大超挖量达 2 m；光爆效 果一般,炮孔痕迹率不足 50％；爆破振动大,对围岩和 初期支护缺少有效控制；洞内环境差,爆破后粉尘和爆 生有毒有害气体浓度长期持续偏高,严重影响施工工 人作业。 2 预留光爆层水压爆破方案 2.1 全断面开挖炮眼设计 图 1 为Ⅳ级围岩全断面开挖炮眼布置图,掏槽眼 及底板眼按抛掷爆破设计,其它炮眼采用微振动控制 爆破。 上半部分为全断面法开挖炮眼设计主视图,下 半部分为炮眼布置的剖面图。 2.2 炮眼装药结构设计 周边眼光爆眼辅助眼、底板眼、一级掏槽眼、二 级掏槽眼装药结构如图 2 所示。 5.0 2.52.0 2.9 4.5 4.3 0.40.450.5 0.50.55 0.8 0.75 0.75 0.74 3.5 4.2 8.75 Ⅱ 0.65 0.4 0.50.25 0.5 0.5 1.00.65 0.60.6 0.70.8 1.0 1.1 0.7 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 1.0 1.01.01.0 0.450.5 0.5 0.5 0.5 0.65 0.7 0.7 0.75 0.65 0.97 0.82 0.55 0.55 1.0 1.0 1.0 0.9 1.0 4.6 4.2 4.1 4.1 4.1 4.0 10.874 12.5 11.45 0.4 0.2 0.6 图 1 Ⅳ级围岩全断面开挖炮眼布置图 导爆索导爆管炮泥 水袋Φ35 mm200 mm 药卷Φ32 mm300 mm300 g 光爆眼 辅助眼 底板眼 一级掏槽眼 二级掏槽眼 雷管 6060 耦合装药4节 耦合装药2节 2030 500 60 4.8 430 3020 203040 350 410 50 3020 400 50 3020 50 图 2 各炮眼装药结构图 2.3 起爆网络设计 隧道开挖全断面炮孔分段起爆段次如图 3 所示。 原常规光面爆破中周边孔为 15 段起爆,二圈眼的爆破 范围超过了光爆眼,该部分炮眼起爆后对光爆层及周 边围岩造成先期的扰动破坏,此时,周边光爆孔再起爆 时已失去了保护周边围岩的作用,因此产生的半孔痕 迹率较低,隧道周边轮廓也由此产生一定的超挖量。 为达到理想的光爆效果,合理控制开挖轮廓,必须满足 保留周边孔的光爆眼,且光爆眼同时精确起爆。 为此, 改变原有起爆顺序,起爆网络分两次循环,第一循环爆 破时,周边眼不爆破,只起爆掏槽眼、辅助眼和底眼,其 起爆网路如图 4 所示；第二循环爆破时,既要起爆前一 循环的周边眼,又要起爆本循环的掏槽眼、辅助眼和底 眼,且前一循环的周边眼和本循环的掏槽眼同段起爆, 2矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 起爆网路如图 5 所示。 此后每循环跟第二循环类似。 1.0 7 7 7911 15 13 5 5 3 1 1 13 11 9 7 79111315 15 9 911131573 1 5 1115 15 图 3 全断面开挖各炮眼段次分布图 图 4 预留光爆层爆破第一循环起爆方案图 图 5 预留光爆层爆破第二循环起爆方案图 3 预留光爆层水压爆破破岩及爆破危 害控制机理 3.1 爆破破岩机理 开挖大断面隧道时,采用预留光爆层的光面爆破 技术,光爆层的自由面上没有岩渣阻碍,夹制作用小。 相邻两炮孔同时起爆时,各炮孔爆炸所产生的压缩应 力波以柱面状的形式向四周扩散,并在两孔连心线的 中点处相遇,产生应力波叠加。 在应力波的交汇处,应 力波合力的方向垂直于炮孔连心线,促使岩体向外移 动,产生切向拉应力,当两侧炮孔拉伸合应力超过岩体 的动抗拉强度时,便会在两炮孔连心线的中点产生形 成贯穿裂隙面,同时,采用不耦合装药结构,预留光爆 层能够避免内圈爆破炮孔带来的对周边岩石的扰动, 进一步保证光爆效果。 周边孔内在孔底和孔口加入水 袋实施水压爆破时,利用水的不可压缩性,冲击波经过 水袋时能量几无损失地作用在岩壁上,相对于空气间 隔,有更多的能量用于破岩,同时,借助高压水的“水 楔作用”破碎岩石,在一定程度上降低了炸药单耗和 提高了循环进尺。 3.2 爆破危害控制机理 采用预留光爆层的光面爆破,通过合理地改变起 爆方向和顺序,创造良好的自由面,降低了炸药的单响 药量,为减振创造了条件。 同时,根据应力波叠加原 理,采用微差爆破技术可使爆破振动波的能量在时空 上分散,使主振相的相位错开,有效地降低爆破振动强 度,减小对围岩的损伤破坏。 水压爆破是绿色爆破的体现,爆破时利用炸药的 爆炸瞬间能量将孔口水袋内的水在高温高压作用下雾 化成水蒸汽,充分与粉尘接触,增大接触面积,除尘效 率比湿法除尘提高 8 倍左右［7］,通过雾滴对尘粒的碰 撞、截留、扩散和凝聚作用,液态的雾滴与固态的尘粒 凝结形成较大的尘粒后,一方面吸水后密度显著增加, 另一方面吸水后有利于粉尘发生凝聚,粉尘粒度增大。 在两者在共同作用下,促使粉尘沉降［8］。 水袋内的水呈弱碱性,使得呈酸性的 H2S、SO2、 NO2、NO、CO 等爆生气体在高温高压水雾作用下,发 生酸碱中和反应,短时间内迅速降低爆生有毒有害气 体浓度。 其中 NO 极不稳定,遇空气氧化成 NO2,NO2 在空气中遇水发生如下反应 4NO2 2H2O O24HNO3 而 CO 与水发生化学反应 COg H2Og ■■■CO2g H2g Q 在与雾滴的充分接触下,反应不断向右侧平衡方 向发展,大大降低有害气体 CO 浓度。 3第 5 期李启月等 预留光爆层水压爆破在大断面公路隧道施工中降低爆破危害的应用 ChaoXing 4 预留光爆层水压爆破与常规光面爆 破危害对比分析 4.1 超挖量减小 预留光爆层爆破使周边孔与下一循环的掏槽孔采 用 1 段毫秒导爆管雷管起爆,避免了周边孔使用 15 段 雷管起爆的情况,使得周边孔雷管延期误差时间由原 来的 60 ms 减少到 13 ms 以内,保证了周边孔能够同 时起爆,相邻炮孔之间能够形成贯穿裂隙,从而保证光 面爆破效果。 对比连续 8 次循环爆破,两种爆破方案 的爆破参数如表 1 所示。 按照铁路隧道设计标准,常 规光面爆破平均线性超挖量严重超标,而预留光爆层 水压爆破方案符合中硬及软弱岩层的标准。 图 6 为某 一循环爆破预留光爆层水压爆破与常规光面爆破开挖 断面轮廓拟合图。 表 1 两种爆破方案参数对比 参数单位 爆破方案 预留光爆层水压爆破常规光面爆破 最大超挖量m0.5381.123 最小超挖量m0.0740.772 平均线性超控量m0.2050.924 设计开挖轮廓 常规光面爆破开挖轮廓 预留光爆层水压爆破开挖轮廓 备注标注为超挖量，单位m 0.14 1.15 0.32 0.25 0.53 0.29 0.35 0.87 0.95 0.85 0.15 0.85 0.87 0.5 0.97 0.17 0.37 0.09 0.85 0.58 1.24 图 6 开挖断面轮廓拟合图 4.2 光爆效果明显改善 采用预留光爆层水压爆破技术,通过合理优化设 置光爆层厚度,确保了在前一循环起爆后,预留了下一 循环的光爆层,同时对周边孔起爆顺序调整,保证了周 边孔能够同时精确起爆,相邻炮孔之间能够形成贯穿 裂隙,从而保证光面爆破效果。 相比于常规光面爆破, 预留光爆层水压爆破后,隧道开挖拱顶与左、右壁光爆 效果大大改善,光面炮孔痕迹率由 49.3％提高至 91.1％。 4.3 爆破振动降低 常规光面爆破进行开挖时,受雷管段位的限制,周 边孔和临近辅助孔在 15 段同时起爆,单响药量相对较 大,而应用预留光爆层水压爆破,通过对起爆顺序的调 整与改变,周边孔与下一循环一级掏槽孔采用 1 段雷 管同时起爆。 单响药量相应地由 128 kg 降至 78.6 kg； 炸药单耗由 1.348 kg/ m3降至 1.261 kg/ m3。 在单响药 量的降低的基础上,周边孔起爆时没有任何堆积岩石, 自由面增大,夹制作用小,对减弱爆破振动的效果很明 显。 表 2 列出了两种不同方案下的爆破振动数据。 爆 破振动矢量和振速幅值由原方案的 5.057 cm/ s 降至 3.249 cm/ s。 表 2 两种不同爆破方案爆破数据对比 爆破方案 振动速度/ cms -1 水平切向 水平径向垂向合振 主频 / Hz 单响药量 / kg 雷管 段别 常规光面爆破4.663-2.567-2.149 5.057 2.1412815 预留光爆层 水压爆破 2.3221.5582.1523.249 1.5378.61 4.4 粉尘及爆生有害气体浓度显著降低 使用 GCG1000-XKCON 型粉尘浓度检测仪分别 对两种不同爆破方案在距离掌子面 30 m 的隧道断面 中间固定位置上测定粉尘浓度。 检测仪连续测试 8 组 爆破循环,每次循环取断面浓度测定均值。 测定结果 如表 3 所示。 使用便携式 JDHS168-4 型四合一气体 检测仪,在东天山隧道爆破施工过程中分别对两种方 案有害气体浓度进行一系列测量。 相比于常规爆破, 使用水压爆破后 CO 气体浓度有一定降低,如图 7 所 示。 NO2、SO2、H2S 浓度降低明显,如图 8 所示。 表 3 两种不同爆破方案掌子面粉尘浓度测试数据 循环 不同爆破方案掌子面粉尘浓度/ mgm -3 常规光面爆破预留光爆层水压爆破 13557.5 23647.7 33347.3 43517.9 53777.4 63567.1 73667.9 83487.3 平均值3567.5 时间/min 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1002030405060 浓度/‰ 常规爆破 水压爆破 ■ ● 图 7 CO 气体浓度随时间的变化 4矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 时间/min 40 30 20 10 0 100203040507060 浓度/10-6 常规爆破, NO2 水压爆破, NO2 常规爆破, H2S 水压爆破, H2S 常规爆破, SO2 水压爆破, SO2 ■ ● ▲ ▲ ▲ ◆ 图 8 其他气体浓度随时间的变化 5 结 论 1 采用预留光爆层水压爆破技术,保证了周边孔 能够同时精确起爆,相邻炮孔之间能够形成贯穿裂隙, 从而保证光面爆破效果；同时,选择合理的光爆层厚度 能有效减小炸药冲击波对内壁的压缩破坏,有效利用 新的自由面反射拉伸波对光爆层岩体的切向拉伸作 用,进一步保证光爆效果,同时大幅度减小超挖量。 2 采用预留光爆层水压爆破技术,能有效降低炸 药单耗,周边孔起爆时没有堆积岩石,自由面增大,夹 制作用小,有效降低了爆破振动和对围岩的损伤。 3 采用周边孔内水压爆破,利用高温高压下水雾 化润湿吸附爆破形成的粉尘颗粒,起到降尘作用,降尘 效果明显；同时,由于水袋内注入弱碱性碳酸钠,使得 爆破后雾化成蒸汽,与 NO、NO2、H2S、SO2等有害爆生 气体充分接触,气体浓度降低明显,改善了工人作业环 境,大幅减小通风时间,隧道环境得到明显改善。 参考文献 ［1］ 王红生. 小净距隧道群控制爆破技术［J］. 现代隧道技术, 2011, 485139-142. ［2］ 毛建安. 光面爆破技术在向莆铁路青云山特长隧道工程中的应用［J］. 现代隧道技术, 2011,485134-138. ［3］ 王孝荣. 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