秦岭硬岩隧道深孔光面爆破专用炸药和工艺的研究.pdf

爆破器材990 6 0 2 爆破器材 EXPLO SIVE M A T ERIA LS 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 秦岭硬岩隧道深孔光面爆破 专用炸药和工艺的研究 杨年华 ［摘 要］ 针对秦岭隧道硬岩深孔爆破的特点研制了新型专用光爆药卷，并在现场试验中结合 改进装药工艺，最终取得了较好的光爆效果，降低了装药成本。文中主要介绍了研制和试验 过程中的一些体会和感想。 ［关键词］ 光面爆破 隧道 炸药 The Special Explosive and Technique for Deep-hole Smooth Blasting in Hard Rock of Qinling Tunnel Yang Nianhua China Academy of Railway Sciences Beijing，P．R．China（Beijing，100081） ［ABSTRACT］ A new special explosive for smooth blasting was investigated and made，which was good for the characteristics of deep blasthole and hard rock in Qinling Tunnel．In addition，the charging technique of perimeter blastholes was improved．Therefor，the excellent smooth blasting were gotten in the test section of Qinling Tunnel，while the cost of charging explosives was cut down．The paper principally introduced some thought and experiences in the investigation and tests． ［KEY WORDS］ smooth blasting，tunnel，explosives 1 隧道光面爆破的现状分析 随着我国铁路建设管理水平和质量要求不断提高，对隧道光面爆破越来越重视。目前， 铁路隧道钻爆法施工中光面爆破质量普遍不高，超挖现象比较严重。造成铁路隧道光爆质量 不高的原因是多方面的，有管理上的原因，也有技术上的原因。管理上存在的问题和对策在 参考文献［1］中已有详细论述；技术上的问题实际上主要有两个方面即光面爆破原理和光 面爆破施工工艺。 光面爆破原理国内外已有大量的研究，并获得了较为深入的理论认识［2 ］。依据现有理 论，光面爆破的主要设计参数应是不耦合装药系数、炮孔间距、线装药密度和最小抵抗线。 然而这些设计参数的计算上还靠一定的经验，尽管通过选取合适的经验系数可以满足光爆设 计要求，但要依靠经验选取参数来实现高质量光面爆破仍有一定困难。 另外，当前光面爆破施工工艺千差万别，主要原因是市场上缺乏光面爆破专用炸药，它 已成为制约光面爆破质量的重要因素之一。现在绝大多数周边眼光爆都采用竹片间隔绑扎药 串，为保证小药卷能可靠传爆，一般都加绑一根导爆索，这样的装药结构带来了一系列问 题 1 串状药包结构的装药存在不均匀性，造成孔壁局部破坏严重。另外不能保证药包位于 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 47 爆破器材990 6 0 2 炮孔中心线上，装药的随机性往往使药条绑竹片的一侧背对于被保护墙壁，更易造成被保护 壁面的严重破坏。 2 串状装药结构用导爆索连接传爆，成本大大增加。光面爆破线装药密度小，平均每延 米炸药成本仅为2 元～3元，而导爆索的价格约2 元.m－1，所以加绑导爆索使光面爆破成本显著 增加。 3 小直径药卷包装质量难以保证。目前加工串状药包主要采用φ32 m m ～φ2 5 m m 的乳化 炸药卷，当药卷直径小于φ30 m m ，机械包装过程中常有药卷两头空装的现象发生。小直径药 卷殉爆距离很小，两头空装的药卷若没有导爆索串联，势必会产生拒爆。 4 小直径药卷的不耦合装药系数较大，尽管有导爆索串联，现场爆破仍难以避免因沟槽 效应产生的拒爆现象。 以上这些问题的存在一定程度上影响了光面爆破技术的推广应用。光面爆破的优点不仅 可减小超挖回填量，还能提高洞壁围岩的稳定性，减少支护工程量［3］。对秦岭隧道来说，有 岩爆发生的地段，高质量的光面爆破能减轻围岩的损伤和扰动，使洞壁平整光滑，一定程度 上还能减轻岩爆发生的强度。 鉴于以上分析，当前迫切需要研制开发专用光爆炸药，特别要满足秦岭隧道深孔硬岩光 面爆破的炸药。为此，铁道部科学研究院铁建所与山西兴安化学材料公司合作，研制开发了 光爆水胶SJ-YⅡ-K 6型炸药，并在靶场和秦岭Ⅰ线隧道钻爆施工中进行了现场试验，取得了一 些成功的经验。 2 秦岭隧道的特点和光爆要求 秦岭隧道长18 ．5 k m ，是西康线的工期控制性工程，确保快速施工是秦岭隧道的特点之 一，为此，秦岭隧道钻爆施工必须采用深孔爆破快速掘进技术，这就要求光爆药卷必须尽可 能满足快速装药的条件，而且要保证光爆药卷在4．5 m ～5．0 m 深的炮孔内有稳定传爆性能以 及无沟槽效应导致的拒爆现象。 秦岭隧道的第二个特点是大部分区段岩石坚硬、完整，围岩属Ⅴ～Ⅵ类，岩石抗压强度 达150 M Pa ～32 0 M Pa ，由于坚硬完整的岩体比较适合光面爆破，所以在光爆施工中更要达到高 质量的光面爆破效果，超挖深度应控制在10 c m ～2 0 c m 。坚硬岩层中实施高质量光面爆破须对 钻爆工艺和光爆炸药的性能提出相应的要求。 3 秦岭隧道专用光爆炸药和工艺的研制 3．1 专用光爆炸药的研制原则 为了适应秦岭隧道的光爆要求，专用光爆炸药的研制必须依据秦岭隧道的特点和要求来 进行。光爆炸药的研制原则应为小直径、高传爆性、低沟槽效应和低成本。当小直径药卷 在周边孔采取不耦合装药时，爆炸冲击波压随距离呈6 次方衰减，传至炮孔壁面时峰值压力则 明显减低，从而可保护半孔壁面的完整，达到了低爆速光爆炸药的相同效果。高传爆性、低 沟槽效应是深孔光面爆破的必要条件，秦岭隧道的合理炮眼深度为4．5 m ～5．0 m ，如此深的 炮孔用小直径药卷作不耦合装药，其临界直径和沟槽效应都不可忽视。低成本是光爆药卷推 广应用的重要条件，也是研制光爆炸药必须遵循的基本原则。 3．2 研制专用光爆炸药和工艺的关键技术 为了保证秦岭隧道达到良好的光爆效果，研制出符合上述要求的光爆专用炸药，需解决 以下几个关键技术 1 保证小直径药卷有良好的传爆性、防水性，要消除沟槽效应。 2 包装工艺要保证小直径药卷的密实度和饱满性，要使小直径长药卷有较大的硬度，便 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 47 爆破器材990 6 0 2 于快速装药。 3 采用掺入待销毁军品发射药的新技术降低成本，提高传爆性。 为攻克上述技术难点，研制过程从以下几方面着手 1 光爆炸药品种选型。首先光爆炸药应有较好的防水性，应以乳化炸药和水胶炸药为基 础进行配方调试。乳化炸药的小直径药卷在现场试用和抽检后，难以达到高传爆性的要求， 改制水胶光爆炸药是唯一选择。 水胶炸药通过田菁粉胶凝，由甲胺硝酸盐敏化，密度可达到10 50 k g . m－3～12 50 k g . m－3， 这种高密度炸药，使沟槽效应明显减弱。传爆性能和沟槽效应参数见试验结果。 2 光爆炸药的包装工艺。为实现光爆炸药的小直径长药卷优质包装，包装材料选用硬塑 料管，并在每管药卷两端分别设公母接口，保证药卷连续搭接。药卷上可套装居中器，保证 细药卷位于炮孔中心。为保证小直径药卷的密实度和饱满性，需在炸药凝胶前包装，确保包 装时炸药的流动性较好，随后凝胶过程在药管中发生。 3 掺合待销毁军用发射药。为降低成本，提高水胶炸药的传爆性能，山西兴安化工厂已 发明一项专利技术，即将军库中每年需待销毁的军用发射药，粉碎后并作安全处理掺入到水 胶炸药中，掺入量越大成本降低幅度越大，该项专利技术实际上是变废为宝，使小直径优质 包装的光爆专用水胶炸药价格降低到接近普通小药卷炸药的水平。 3．3 试制的光爆专用水胶炸药性能 光爆专用水胶炸药的包装每管药卷尺寸为φ2 0 m m 350 m m ，硬塑料管包装，药卷两端 分别设有公母接口，在炮孔装药工艺上，可每隔7 0 c m 装一个居中器。光爆水胶炸药爆炸性能 试验指标如表1。 表1 爆炸性能试验指标 密度／k g . m－3爆速／m . s －1猛度／m m 氧平衡 起爆感度抗水性耐冻性 10 50 ～12 50310 0 ～340 015零8 ＃雷管 不超过18 h0 ℃以上使用 光爆水胶炸药传爆性试验1998 年10 月30 日在太原兴安化工厂靶场进行了多次殉爆试验和 沟槽效应试验，分别将光爆水胶炸药放在露天、钢管内、PVC管内都发现有很好的传爆性。而 且在钢管内加居中器引爆后，钢管没有严重破坏，只是有个别位置出现破口，说明药柱居中 对炮孔壁面有很好的保护作用。因此，要想提高周边光面爆破的半孔残存率，必须改进装药 工艺，使药包居中，保证炸药与孔壁间留有空隙。试验证明了小直径光爆水胶炸药沟槽效应 不明显，在径向不耦合系数等于2 ．5时，传爆长度可超过5 m 。因此，当炮孔深度小于5 m 时， 可不考虑沟槽效应的影响。 4 水胶光爆炸药的现场试验 1998 年11月和1999年1月两次在秦岭隧道进口端的Ⅰ线隧道中心部位，用新型光爆水胶炸 药进行了现场试验，试验段采用了全断面钻爆法开挖，断面面积54 m2，周边眼2 0 个。试验段 地质条件为坚硬完整的混合花岗片麻岩，裂隙不发育，洞壁干燥无水。根据地质勘察资料提 供的数据，此段岩体的物理力学性质指标密度2 7 50 k g . m－3、岩体波速550 0 m.s －1～6 0 0 0 m. s － 1、干抗压强度150 M Pa ～30 0 M Pa 、弹性模量（4．2 5～5．98 ）104 M Pa 、泊松比0 ．15～0 ． 2 5。 现场试验共进行了两次。第一次试验根据原装药习惯装药，所有炮孔底部装1卷φ40 m m 乳化炸药，中部再装1卷φ40 m m 乳化炸药，孔口仅有10 c m 堵塞炮泥；第二次试验作了大胆改 进，取消中部φ40 m m 乳化炸药卷，孔口堵塞40 c m ～50 c m 炮泥，光面爆破效果得到进一步改 善。统计数据和试验结果列于表2 。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 47 爆破器材990 6 0 2 表2 光面爆破试验参数 周边眼 数 ／个 平均孔间 距／m 最小抵抗 线／m 每孔装 药量／k g 装药工艺不耦合系数 传爆 情况 半孔保存 率 ％ 150 ．8 ～1．00 ．8 ～0 ．92 ．5 居中器装药 径向不耦合系 数2 ．5 全爆95 160 ．8 ～1．00 ．7 ～1．02 ．3全爆8 5 160 ．8 ～0 ．90 ．7 ～0 ．92 ．3 药卷连续，并绑 扎一条竹片，装 入孔内时使竹片 位于被保护墙壁 一侧 体积不耦合系 数4 全爆8 5 150 ．8 ～1．00 ．6 ～0 ．82 ．3全爆8 5 180 ．8 ～0 ．90 ．7 ～0 ．92 ．3全爆90 190 ．8 ～0 ．90 ．6 ～0 ．92 ．3全爆95 2 00 ．7 ～0 ．90 ．7 ～0 ．92 ．3全爆95 190 ．8 ～1．10 ．7 ～0 ．92 ．3全爆90 180 ．8 ～0 ．90 ．6 ～0 ．92 ．3全爆90 2 00 ．7 ～0 ．90 ．7 ～0 ．92 ．3全爆95 180 ．8 ～0 ．90 ．7 ～0 ．92 ．3全爆95 180 ．8 ～1．00 ．8 ～0 ．92 ．3全爆90 190 ．8 ～0 ．90 ．8 ～0 ．92 ．3全爆95 2 00 ．7 ～0 ．90 ．6 ～0 ．92 ．3全爆95 190 ．8 ～0 ．90 ．7 ～0 ．92 ．3全爆90 2 00 ．7 ～0 ．80 ．7 ～0 ．81．95 第二次试验，底 部药量减少 体积不耦合系 数4．5 全爆95 2 10 ．7 ～0 ．80 ．7 ～0 ．81．95全爆98 2 00 ．7 ～0 ．80 ．7 ～0 ．81．95全爆96 2 00 ．7 ～0 ．80 ．7 ～0 ．91．95全爆97 2 10 ．7 ～0 ．80 ．7 ～0 ．91．95全爆98 根据试验效果分析，要实现真正优质光面爆破，需有以下几方面的保证 1 炸药的传爆性能好。试验中此光爆水胶炸药在炮孔内几乎全部传爆，沟槽效应不明 显，有较好传爆性能，这是实现良好光爆的基本保证。 2 装药工艺有效、可行。在试验中为了获得较高的半孔率，装药工艺上需在两个措施中 选其一，即居中器法和竹片绑扎法。居中器使药卷保持在炮孔中心，对孔壁的保护作用在钢 管中试验是很明显的，在现场炮孔内试验也起到了良好效果，半孔残存率比原先有显著提 高。 另外，为了加快周边眼的装药速度，事先在洞外将光爆药卷绑扎在竹片上，绑竹片药卷运到 现场后，每个周边孔只需装入两根绑竹片的药条，使周边孔装药时间大为节省。装入周边孔 的药条在工艺上应使竹片位于药卷之下，见图1 A ，保证药包居中 竹片能使药卷抬起5 m m ～ 8 m m ；也可使竹片靠被保护墙壁的一侧装入，这样可以防止爆轰波直接冲击被保护的半孔 壁，见图1（B）。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 47 爆破器材990 6 0 2 图1 绑竹片药卷装药结构示意图 3 合理的光面爆破参数。光面爆破参数与地质条件密切相关。一般原则是岩体坚硬完 整，炮孔间距和最小抵抗线增大，线装药密度提高，炮孔间距和最小抵抗线之比在0 ．8 左右。 具体到秦岭隧道的硬岩、深孔爆破条件下，需要合理选择光爆参数。 根据试验结果分析，在坚硬、完整的Ⅴ～Ⅵ类围岩段，周边眼炮孔间距可超出常规，试 验中发现有时 48 m m 的周边孔间距达到1 m 以上仍有完好的半孔保留，并无欠挖现象，壁面基 本平整，但根底残留较长，炮眼利用率下降。若使周边孔间距保持在7 0 c m ～8 0 c m ，既能保证 壁面平整又能充分提高进尺率。通过试验摸索，在充分利用岩石坚硬完整条件的基础上，可 使秦岭硬岩隧道深孔光面爆破的合理优化钻爆参数作适当调整，尽可能使炮眼数比常规光爆 减少，常规设计和合理优化设计参数对比如表3。 表3 常规设计和合理优化设计参数 设计方案密集系数a ／W最小抵抗线W ／m 炮孔间距a ／m 全断面光爆炮孔数N／个 常规设计0 ．8 m0 ．80 ．6 42 5 合理优化设计 0 ．9 m ～1．0 m0 ．80 ．7 52 0 合理优化的光爆设计参数使炮孔数减少了2 0 ％，既降低了光爆成本，又加快了钻爆进度， 对实现快速掘进有重要意义。 4 钻孔定向精度。钻孔定向精度是当前影响光爆质量最严重的一个因素，从试验效果来 看，凡是半孔痕迹残存不完全之处，基本上由于钻孔偏斜所致，如图2 所示。两孔斜交处，爆 破药量过大，造成超挖；两孔偏离处，爆破药量减小，造成欠挖。所以炮孔的平行度致关重 要。三臂台车钻孔，常在两臂交叉作业处出现周边孔斜交，需引起特别重视。通过侧壁半孔 调查，当孔深为4．5 m 时，两孔斜交角超过10 将明显影响半孔残存率，造成超欠挖。 图2 影响光爆质量的钻孔偏斜问题 5 专用光爆水胶炸药现场试验结果的经济效益分析 通过试验研究不仅提高了光爆质量，还降低了爆破成本。改用光爆水胶炸药替代乳化炸 药，使周边孔线装药密度减小了2 7 ％，每孔减少装药量0 ．7 7 k g ，节省炸药费10 ％。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 47 爆破器材990 6 0 2 此外，合理优化的光爆设计比常规光爆设计节省钻孔费用2 0 ％，所以采用新光爆技术后总计节 省钻爆费用30 ％，在此尚未计入因光爆质量优良减少回填、支护工程的费用。通过以上分析， 光爆专用水胶炸药及工艺的最新技术成果经济效益十分显著。 6 结论 通过硬岩隧道深孔光爆技术的试验研究，得到如下几点结论 1 硬岩隧道深孔光面爆破不一定非要低爆速低密度炸药不可，采用中等爆速高密度的水 胶炸药制成小直径（φ2 0 m m ）药卷，结合居中不耦合装药工艺，取径向不耦合系数为2 ．5， 能达到良好的光爆效果，不耦合系数是影响光爆质量的关键指标。 2 在深孔光面爆破中，小直径光爆药卷的传爆性和沟槽效应问题显得尤为重要。铁科院 铁建所与山西兴安化学材料公司共同研制开发的光面爆破专用水胶炸药，实现了小直径硬塑 料管包装，药卷密实、饱满，传爆性能优良，沟槽效应不明显。 3 坚硬完整岩体的光面爆破设计参数可适当放宽，炮孔间距和最小抵抗线之比可调大至 0 ．9～1．0 ，炮孔间距可增大至0 ．7 m ～0 ．8 m ，周边光爆炮孔数比常规条件下减少2 0 ％。 4 小直径药卷的硬塑料管包装可制成长药卷，或者用竹片绑扎成药条，这样的装药工艺 有利于确保光爆药卷的传爆稳定性，并大大加快了装药速度。 5 采用新型光爆水胶炸药，能使光爆效果改善，半孔保存率可达8 5％～95％，节约炸药成本 费10 ％，经济效益和社会效益显著。 7 几点建议 根据当前我国隧道钻爆法施工现状，要想使秦岭隧道和其它隧道的光爆质量更上一层 楼，作者特提出几点建议 1 要特别重视周边孔定向精度。它是实施光爆施工中最难控制又最为重要的问题，我国 目前钻孔定位定向大多凭司钻工经验操作，因此，解决这一问题的办法只能依靠充分发挥司 钻工的经验和技术专长，同时依靠科学管理规范操作程序，才能达到目的。 2 要重视光爆炸药的装药工艺。在深孔 爆破掘进条件下，低爆速、低密度炸药难以保 证传爆要求，小直径光爆炸药不耦合装药是 保证光爆效果的重要手段。因此，光爆药卷必须装居中器或绑竹片，绑竹片的药条必须保证 竹片位于被保护孔壁一侧装入，以阻隔爆轰波直接冲击破坏被保护壁面，达到高质量光面爆 破的目的。 3 大力推广应用光面爆破专用炸药，这是改善光爆质量、减低光爆成本的基础。 作者单位铁道部科学研究院铁建所 北京，10 0 0 8 1 参考文献 1 卿光全．强化施工管理减少隧道爆破开挖．见第六辑工程爆破文集全国工程爆破学术 会议论文集，深圳，1997 8 43 2 朱忠节，何广沂．岩石爆破新技术．北京中国铁道出版社，198 6 3 Ro g e r H o l m b e r g ，Pe r a n d e r Pe r s s o n ．D e s i g n o f t u n n e l p e r i m e t e r b l a s t h o l e p a t t e r n s t o p r e v e n t r o c k d a m a g e ．In s t i t u t i o n o f M i n i n g ＆ M e t a l l u r g y ，198 0 （8 9）∶37 ～40 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 47