宿利平 洪 政 谷桂麗 伏永貴 張小軍 高文學(xué)

①北京市政路橋股份有限公司（北京，100045）

②北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部（北京，100124）

0 引言

隧道掘進(jìn)爆破過程中，半孔率、炮孔利用率、超挖或欠挖率、粉塵濃度等效果衡量指標(biāo)影響著爆破施工的經(jīng)濟(jì)性與合理性，而炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)是影響這些指標(biāo)的重要因素[1-3]。 裝藥結(jié)構(gòu)的變化使得沖擊波在傳播過程中發(fā)生改變，從而影響爆破破巖效果及爆破振動效應(yīng)。 朱寬等[4]建立了連續(xù)堵塞和空氣間隔堵塞的結(jié)構(gòu)模型，對比分析得出:空氣間隔堵塞能控制爆源中心的過度破碎，減小粉碎區(qū)區(qū)域；劉江超等[5]通過LS-DYNA 模擬3 種水封裝藥結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩端水封的爆破裝藥結(jié)構(gòu)的爆破效果最優(yōu)；羅志光等[6]采用固、液、氣三相爆破技術(shù)，有效控制了隧道超挖、欠挖現(xiàn)象；王立川等[7]通過現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬得出，在掏槽孔藥量相同的情況下，水介質(zhì)軸向不耦合裝藥爆破引起襯砌結(jié)構(gòu)的振速明顯小于空氣介質(zhì)不耦合裝藥爆破；李啟月等[8]采用預(yù)留光爆層水壓爆破技術(shù)，有效控制了大斷面隧道掘進(jìn)爆破的有害效應(yīng)。

水封爆破技術(shù)采用在炮孔上部與底部裝填一定注水量的水袋、再用炮泥堵塞炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)。 較多文獻(xiàn)對水封爆破的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的成果。 研究者對裝藥結(jié)構(gòu)的各部分比例研究較少；而炮孔上部與底部的水袋長度與炮泥堵塞長度的不同比例對隧道斷面的平整性、爆破能量的利用率以及粉塵濃度的降低率等有很大的影響。

本文中，以109 國道新線高速公路小龍門隧道為工程背景，采用水封光面爆破，利用正交試驗對隧道掘進(jìn)爆破效果進(jìn)行對比分析，得到最優(yōu)的裝藥結(jié)構(gòu)形式。 研究結(jié)果對隧道掘進(jìn)爆破施工以及控制爆破危害具有一定的指導(dǎo)作用。

1 隧道掘進(jìn)水封光面爆破

1.1 場地概況

109 國道新線高速公路小龍門隧道地處北京市西部山區(qū)。 全線地質(zhì)以石灰?guī)r、安山玢巖、斑巖為主，巖石抗壓強(qiáng)度介于30 ～60 MPa 之間。 隧道左線全長4 377.62 m，其中，IV 級巖石占31.97%，III 級巖石占41.72%；右線全長4 397 m，IV 級巖石占比36.37%，III 級巖石占比38.90%。 根據(jù)JTGD70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，小龍門隧道左、右線長度均大于3 000 m，屬于特長隧道。

基于小龍門隧道所處的地形、地質(zhì)條件，隧道掘進(jìn)爆破存在的主要問題有:

1）小龍門隧道屬于特長隧道，隧道掘進(jìn)爆破產(chǎn)生的粉塵通過通風(fēng)方式排出耗時較長，直接影響施工進(jìn)度與施工人員的身體健康；

2）圍巖地質(zhì)條件整體較好，巖石抗壓強(qiáng)度高，炸藥單耗量較大；

3）使用常規(guī)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行光面爆破時，隧道斷面完整性較差，超挖或欠挖現(xiàn)象明顯。

因此，開展隧道掘進(jìn)水封爆破技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1.2 水封光面爆破設(shè)計

1.2.1 水封光面爆破基本原理

炮孔兩端裝有水袋。 炸藥爆炸后，水由于具有不可壓縮性，能有效地將爆破能量傳輸至炮孔圍巖中；水袋也起到了等效藥柱的作用[9]，避免了爆破形成的壓應(yīng)力集中在藥柱周圍。 同時，水在高溫、高壓條件下發(fā)生汽化，汽化的水將塵埃顆粒吸收，達(dá)到了降塵的效果；炮孔堵塞后，可以延長炮孔內(nèi)高溫、高壓狀態(tài)的時間，延長了爆生氣體的作用時間，促進(jìn)了巖石裂隙的發(fā)展，從而提高爆破能量利用率。 因而，水封爆破效果較常規(guī)爆破效果好。

1.2.2 水封光面爆破設(shè)計方案

小龍門隧道IV 級圍巖采用上下臺階法施工。設(shè)計炮孔深度為2.4 m，上臺階循環(huán)進(jìn)尺2.2 m，炮孔布置以及起爆順序如圖1 所示。 在隧道開挖過程中，爆破設(shè)計的合理與否直接關(guān)系到爆破效果的好壞。 根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況和光面爆破的設(shè)計要求，周邊孔孔徑d為42 mm，孔距E ＝（10～15）d，設(shè)計取E為50 cm。 為保證隧道爆破開挖的平整度，最小抵抗線（光爆層厚度）應(yīng)大于周邊孔的孔間距。 選用公式W ＝E/m計算最小抵抗線；其中，m為密集系數(shù)，取0.8。 計算得出W ＝62.5cm，取W為65 cm。采用復(fù)式斜孔掏槽，掏槽孔、輔助孔、周邊孔間的延期時間設(shè)計，如圖1 所示。 現(xiàn)場爆破施工時，根據(jù)圍巖特性以及施工情況，對上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。

圖1 上臺階炮孔設(shè)計圖（單位:cm）Fig.1 Design drawing of upper bench blast holes （Unit: cm）

1.2.3 水封光面爆破裝藥技術(shù)

1.2.3.1 裝藥結(jié)構(gòu)

水封光面爆破周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)中，炮孔炸藥上部與底部填裝水袋，再用炮泥填塞炮孔口，炮孔徑向采用空氣不耦合裝藥，藥卷之間采用導(dǎo)爆索進(jìn)行連接。 常規(guī)光面爆破與水封光面爆破的裝藥結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3 所示。 掏槽孔、輔助孔亦采用類似的裝藥結(jié)構(gòu)。

圖2 水封光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the charging structure for water sealed smooth blasting

圖3 常規(guī)光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the charging structure for conventional smooth blasting

1.2.3.2 水袋

水袋用KPS-60 型塑袋灌裝機(jī)加工制作而成。制備水袋時，要保證裝水體積占水袋容積的90%左右，并且水袋中沒有氣泡，用手握水袋也不易出現(xiàn)凹痕。 水袋長度可根據(jù)需求制作。

1.2.3.3 炮泥

炮泥按質(zhì)量比m（土）∶m（沙）∶m（水） ＝75∶10∶15 配制，由PNJ-A 炮泥機(jī)加工而成。 炮泥要均勻，不得含有顆粒、碎石等雜質(zhì)。 炮泥硬度要適中:過軟起不到良好的封堵作用；過硬容易造成封堵不密實的現(xiàn)象。

2 水封光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水袋的長度影響炸藥的集中度，而炸藥位置的不同影響爆破效果；同樣，選擇合理的炮泥堵塞長度也很重要。 如果堵塞長度過長，容易造成崩落巖塊過大，產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象；炮泥堵塞長度過短，則難以達(dá)到堵塞效果，造成能量的浪費。 優(yōu)化試驗中，選擇炮孔上部水袋長度、炮孔底部水袋長度與炮泥堵塞長度作為變量。 炮孔上部水袋長度A分別為20、25、30 cm；炮孔底部水袋長度B分別為15、20、25 cm；炮泥填塞長度C分別為20、30、40 cm。 對以上參數(shù)進(jìn)行正交試驗。

2.1 爆破效果衡量指標(biāo)

2.1.1 平均半孔率與平均炮孔利用率

測試在同一級別圍巖的情況下進(jìn)行，且選取的孔網(wǎng)參數(shù)相同，循環(huán)進(jìn)尺為2.2 m。 每種方案測試3次，結(jié)果取3 次試驗的平均值，用于計算平均半孔率η半孔率與平均炮孔利用率η利用率。

式中:∑l0為開挖斷面上殘留炮孔長度的總和；∑L0為周邊孔炮孔長度的總和；∑l1為炮孔未爆部分總長；L為炮孔孔深；n為爆破孔個數(shù)。

2.1.2 粉塵濃度降低率

在距上臺階爆破掌子面中心線50 m 處設(shè)置了測點，采用CZZ1000 直讀式粉塵濃度測定儀對不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破后的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測。 爆破后，暫停通風(fēng)，開啟粉塵儀裝置采料10 min。 計算粉塵濃度降低率η降低率。

式中:m0為10 min 后使用儀器采樣濾膜的質(zhì)量；m為1 min 后使用儀器采樣濾膜的質(zhì)量。

試驗因素及水平如表1 所示。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Test factors and levels cm

2.2 試驗結(jié)果與分析

通過正交試驗，探索水封爆破在不同的炮孔上部水袋長度、底部水袋長度與炮泥堵塞長度參數(shù)組合下的平均半孔率、平均炮孔利用率以及粉塵濃度降低率的最佳值。 得出最佳工作參數(shù)，有利于合適的水封爆破裝藥比例的推廣與應(yīng)用，正交試驗方案與結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗方案與結(jié)果Tab.2 Experimental scheme and results

由表2 可知:平均半孔率的范圍為90. 5% ～94.1%；平均炮孔利用率范圍為88.5%～91.7%；10 min 內(nèi)粉塵濃度降低率范圍為18.9%～32.1%。 平均半孔率及粉塵濃度降低率影響因素的主次順序均為A、B、C。 其中，平均半孔率的較優(yōu)方案為A2、B2、C2，即炮孔上部水袋長度25 cm、炮孔底部水袋長度20 cm、炮泥填塞長度30 cm；粉塵濃度降低率的較優(yōu)方案為A3、B3、C2，即炮孔上部水袋長度30 cm、炮孔底部水袋長度25 cm、炮泥填塞長度30 cm。 平均炮孔利用率影響因素的主次順序均為C、A、B；其中，平均炮孔利用率的較優(yōu)方案為A3、B2、C3，即炮孔上部水袋長度30 cm、炮孔底部水袋長度20 cm、炮泥填塞長度40 cm。 用方差分析法中各個試驗因素對指標(biāo)的顯著影響程度進(jìn)行評估，結(jié)果如表3 所示。 表3 中，P是檢驗水平，F(xiàn)是顯著性差異水平。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

由表3 可知，炮孔上部水袋長度、底部水袋長度與炮泥堵塞長度對平均半孔率影響顯著；其中，炮孔上部水袋長度影響極其顯著。上述分析表明:炸藥在炮孔內(nèi)的位置隨著炮孔上部水袋長度、底部水袋長度與炮泥堵塞長度的改變而改變；當(dāng)藥卷在炮孔的中間位置時，炸藥爆炸能量不會出現(xiàn)下大、上小或者上大、下小的現(xiàn)象，孔壁能量分布均勻，從而形成的隧道斷面相對光滑。

炮孔上部水袋長度與炮泥堵塞長度對平均炮孔利用率影響顯著，但底部水袋長度對平均炮孔利用率影響不顯著。 分析認(rèn)為，炮泥的堵塞會加強(qiáng)炮轟氣體在炮孔內(nèi)的存留時間。 炮孔上部水袋會憑借不可壓縮的特點，相當(dāng)于加強(qiáng)了炮孔填塞，從而能夠更好地傳遞爆炸能量，且爆炸能量流失更少；而炮孔底部水袋的水可以減緩壓力。

炮孔上部水袋長度、底部水袋長度對粉塵濃度降低率影響顯著。 其中，炮孔上部水袋長度影響尤其顯著；而炮泥堵塞長度對粉塵濃度降低率影響相對不顯著。 分析認(rèn)為，炸藥爆炸的瞬間能量使水袋中的水在高溫、高壓下霧化為水蒸氣，增加了與粉塵的接觸面積；當(dāng)水霧與固體塵粒結(jié)合在一起，形成了更大的塵粒，塵粒在吸收水分后，密度明顯提高，最終導(dǎo)致灰塵的沉淀。 所以水分越多，除塵效果越好。同時，由于爆轟氣體攜帶粉塵往炮孔口方向溢出，因而上部水袋比底部水袋作用更加明顯；上部水袋越長，除塵效果越優(yōu)。

試驗結(jié)果及分析表明:炮孔上部水袋長度、炮孔底部水袋長度與炮泥堵塞長度的較優(yōu)方案為A3、B2、C2，即炮孔上部水袋長度為30 cm、炮孔底部水袋長度為20 cm、炮泥堵塞長度為30 cm。

3 工程應(yīng)用

通過分析，初步確定了水封光面爆破較優(yōu)的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在小龍門隧道中與常規(guī)光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比試驗。 試驗前，測得隧道圍巖為IV級圍巖，采用前述試驗方案和評價指標(biāo)，現(xiàn)場裝藥如圖4 所示。 優(yōu)化后的水封光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)和常規(guī)光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)的爆破效果指標(biāo)如表4。

圖4 水封爆破現(xiàn)場裝填Fig.4 On site filling drawing of water sealed blasting

分析表4 可知，優(yōu)化后的水封光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)與常規(guī)光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)相比，爆破后的平均半孔率、平均炮孔利用率、爆破10 min 后粉塵降低率分別提高了6.3%、7.1%、7.6%。 由此可知，利用優(yōu)化后的水封光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)可以取得較好的爆破效果。

4 結(jié) 論

1）水封光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)中，炮孔上部水袋長度、底部水袋長度與炮泥堵塞長度的不同比例，對隧道斷面的平整性、爆破能量的利用率以及粉塵濃度的降低率有著很大的影響。

2）基于正交試驗，確定了平均半孔率與粉塵濃度降低率的影響因素主次順序為:炮孔上部水袋長度、炮孔底部水袋長度、炮泥堵塞長度；平均炮孔利用率影響因素順序為:炮泥堵塞長度、炮孔上部水袋長度、炮孔底部水袋長度。 為了優(yōu)先保證平均半孔率的情況下最大限度地降低粉塵濃度，提高平均炮孔利用率，確定了試驗條件下水封光面爆破最優(yōu)的裝藥結(jié)構(gòu):炮孔上部水袋長度為30 cm、炮孔底部水袋長度為20 cm、炮泥堵塞長度為30 cm。

3）以較優(yōu)的裝藥參數(shù)進(jìn)行隧道爆破驗證試驗。結(jié)果表明:采用優(yōu)化后的水封光面爆破技術(shù)，比常規(guī)光面爆破的平均半孔率、平均炮孔利用率以及10 min 后粉塵濃度降低率分別提高了6.3%、7.1%、7.6%，爆破效果良好。