铁路隧道聚能水压光面爆破施工工艺及成本分析研究

铁路隧道聚能水压光面爆破施工工艺及成本分析研究

高远

（中铁上海工程局集团有限公司，上海.宝山201906）

摘要：根据杭温铁路3标隧道工程施工实例，为实现隧道施工创效，解决隧道掘进超挖和超耗严重的问题，采用了聚能水压光面爆破技术。在实施过程中，根据聚能水压爆破技术原理，对炮孔布置及钻孔、炮孔装药及起爆连线等关键步骤进行了研究和优化，通过现场应用纪实，在成本控制上取得了显著的效果，对类似工程具有一定的参考价值。

关键词：聚能；水压；光面爆破；成本分析；铁路隧道

引言：光面爆破技术作为新奥法原理的重要支撑，已成为隧道轮廓线控制爆破最常见的方法。为减少围岩扰动，控制隧道超挖超耗；提高工效、加快施工进度，降低施工成本，杭温铁路3标项目成立了“长大隧道创新工作室”，以现场为根基，从常规爆破、水压爆破、聚能爆破，逐步探索出聚能水压光面爆破工艺和管理办法。通过两年的使用和总结，相对于常规光面爆破，聚能水压光面爆破技术对隧道控制施工进度、超挖超耗、施工成本等方面都有很大提升。

1.工程概况

杭温铁路为双线高速铁路，设计时速350km/h，其中站前3标工程全长42.803km，其中隧道7座，长达36.187km，占全线长度的84.5%，其中Ⅱ、Ⅲ级围岩29.660km，Ⅳ、Ⅴ级围岩6.427km。

隧道处于浙江中部的大盘山区，属中低山为主的纯山区地貌，地势起伏较大。地层以白垩系沉积岩、侏罗系火山岩和燕山期花岗岩类等组成；本区构造活动强烈，断裂发育，断裂构造与侵入岩接触带对隧道工程围岩等级、水文地质条件等有较大影响；区内崩塌岩堆、危岩落石等不良地质现象较发育；总体上本区工程地质条件较好。

2聚能水压光面爆破基本原理

聚能水压光面爆破就是在隧道周边孔中采用聚能管装置代替常规光面爆破药卷和导爆索,在炮孔底部及孔口增设水沙袋。聚能水压光面爆破技术仅用于周边眼，除常规水压光面爆破应力波作用外，增添了聚能管产生的高温、高压射流，解决了常规光面爆破周边眼间距过密问题，提升开挖面光面爆破效果。

（1）聚能爆破是利用“V”型聚能装置，在爆破时使能量射流聚集起来，提高能量密度，增强爆破破坏作用。在周边孔中加入聚能管，利用线性聚能射流切割开挖轮廓线岩体。

（2）在周边孔间隔装药的炸药端头加入聚能穴替代常规光面爆破的导爆索。聚能穴能利用聚能效应提高传爆距离，起到间隔装药传爆和降低成本的作用。

（3）在炮孔底部及孔口放入水袋、水沙袋，在爆炸作用下产生的水楔效应，增强了膨胀气体静力作用，更有利于已形成裂缝的延伸扩展，在减少爆破能量损失的同时降低孔壁上的爆破振动。

3.主要施工工艺和操作要点

杭温铁路站前3标项目小岭隧道以人工钻孔为主，采用手持YT28型气腿式凿岩机，钻头直径40mm，成孔直径42mm，钻杆长度为4m-6m。现以Ⅲ级围岩开挖为例进行阐述：聚能水压光面爆破施工工艺与常规光面爆破施工工艺基本相同，主要区别为加大了周边孔的间距，取消了间隔装药导爆索，同时采用聚能穴传爆；所有炮孔装药前先放入一节水袋，孔口则采用水沙袋堵孔。

3.1炮孔布置及钻孔要点

周边孔炮孔布置和钻孔是整个聚能水压光面爆破实施过程中的关键环节。常规光面爆破Ⅲ级围岩周边孔炮眼密集系数一般为0.8；小岭隧道采用聚能水压光面爆破技术，Ⅲ级围岩周边孔放样间距为80cm，周边孔最小抵抗线为70cm，周边孔炮眼密集系数为1.14。

其余掏槽孔、中心破碎孔、辅助孔等炮孔布置、钻孔同常规光面爆破设计基本相同。

3.2装药准备

采用聚能水压光面爆破技术，在装药前除准备好炸药、雷管外，还需要准备聚能管、聚能穴以及进行水袋、水沙袋的加工和制作。

（1）聚能管装药：首先是将炸药从中间切成两段，然后轻捏聚能管端头插入炸药，再将聚能管全部推入。

（2）聚能穴安装：首先将已安装聚能管的炸药端头切掉，然后将聚能穴安装在炸药上，轻按使炸药包满凸穴，最后安装保护套。如考虑两端传爆则在安装雷管的炸药两端均安装聚能穴。

（3）水袋、水沙袋加工：用于孔底和堵孔的水袋和水沙袋为自密式塑料袋，水袋直接与水龙头连接充水即可；水沙袋需先将尾部剪开，灌入2/3的砂，然后用封口机密封，最后与水龙头连接充水即可。

4.应用成果及成本分析

4.1装药结构

以杭温铁路3标项目小岭隧道Ⅲ级围岩聚能水压光面爆破装药设计为例，若采用常规光面爆破设计每循环总装药量（不含仰拱）：Q=qv=qsLη

式中：L—炮眼的平均深度;（取4.0m）

      S—断面面积;（取110㎡）

      η—炮眼利用率，一般取0.85-0.95。（取0.9）

      q-单耗，kg/m3（硬岩，取0.8kg/m³）

则：Q=0.8*110*4*0.9=316.8kg

采用聚能水压光面爆破设计，其装药结构如下图1：

图1：周边孔装药结构示意图

其余掏槽孔、破碎孔、辅助孔等炮孔装药结构如下图2：

图2：其他炮孔装药结构示意图

    对比常规光面爆破，除增大周边孔炮眼密集系数降低周边孔装药量外，其他每个炮孔装药量均有所降低，每循环总装药量（不含仰拱）284.9kg，每循环减少装药量31.9kg，详见小岭隧道装药参数表1：

表1：小岭隧道Ⅲ级围岩聚能水压光面爆破装药参数一览表

4.2爆破材料成本对比

小岭隧道Ⅲ级围岩上台开挖面积110㎡，爆破方量385m³；炸药单耗量约为0.74kg/m³，聚能水压光面爆破比常规光面爆破周边孔减少28个；每循环装药减少31.9kg；每循环减少28发雷管；取消导爆索、pvc管；增加水袋、水沙袋、聚能管、聚能穴。综上依据浙江地区市场采购价格统计，采用常规光面爆破每循环爆破材料成本为9747元，采用聚能水压光面爆破每循环爆破材料成本为7492元，以每公里290个循环计算，爆破材料成本可节约65.4万元。具体数据详见表2：

表2：Ⅲ级围岩常规光爆与聚能水压光爆对比

4.3超挖超耗分析

《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR9604-2015）规定，隧道开挖断面尺寸应符合设计要求，开挖断面应以包括预留变形量在内的设计轮廓线为基准，考虑贯通测量误差和施工误差等因素适当放大，平均线形超挖值=超挖横断面积/爆破设计开挖断面周长（不含隧底）。

通过选取宜兴铁路、西康铁路、广湛铁路、渝昆铁路、重黔铁路，5条常规光面爆破施工的铁路隧道，9个隧道正洞工区，采用3D断面扫描仪测量技术，采集隧道拱部与边墙的实际超挖数据，与采取聚能水压光面爆破施工的小岭隧道平均线形超挖进行对比。

采用常规光面爆破的9个隧道正洞工区对Ⅲ级围岩拱部与边墙采集了562个断面数据，经统计平均线形超挖为139.36mm，采用聚能水压光面爆破的隧道正洞工区岩拱部与边墙平均线性超挖为122.5mm，详细数据见表3：

表3：样本隧道拱部与边墙线性超挖统计表

目前铁路行业对隧道允超混凝土回填计量规则，各设计单位实际都在执行2020年在天津召开的隧道概算定额大纲审查会（简称“天津会议”）上的专家意见精神，就是：“按规范规定线性允许超挖值计算超挖回填工程量，除隧底采用隧底结构同级混凝土外，其余均采用与初支喷混凝土同级喷混凝土回填。

采用聚能水压光面爆破可大大降低隧道超挖，保证开挖后围岩平整度，从而降低初支混凝土超挖回填数量，达到控制主要材料成本的目的。经样本统计，采用聚能水压光面爆破，平均线形超挖较常规光爆降低超挖约12%。

5.结束语

要做好铁路隧道的聚能水压光面爆破、控制主要材料超耗、降低施工成本，除了需掌握爆破技术外，还应在管理方面应做到以下几点：

（1）组建专门的管理机构，制定相应的奖惩规章制度；从组织措施开始，向技术措施延伸。

（2）开展各种形式的学习培训和技术交底，做到管理人员掌握控制要点，作业人员掌握操作要点。

（3）钻孔作业人员“七定”管理，“定人、定机、定位、定量、定时、定责、定奖罚”，做到奖惩分明。

（4）严格掌子面和仰拱开挖循环断面扫描，加强现场操作指导和循环小结，动态调整爆破参数。

通过杭温铁路两年多30余公里、上万循环聚能水压光面爆破的实施，优越性非常明显，主要体现在：周边孔距拉大了，钻孔劳动量减少了；围岩扰动减小了，施工更安全了；光爆效果好了，混凝土背后脱空隐患减少了；超挖控制了，超耗降低了，成本降低了；循环进尺提升了，循环时间缩短了，工效提高了，工期保障了；爆破扬尘减少了，洞内环境改善了，健康保障了。

总之，聚能水压光面爆破技术是利用聚能效应切割开挖轮廓线岩体，通过加大炮孔间距，减少周边孔数量，从而缩短钻孔时间，提高工效和光爆效果的工艺，对铁路隧道施工的安全、质量、进度、环保、成本等管理方面都具有一定程度的提升。

参考文献

【1】于亚伦，工程爆破理论与技术.北京：冶金工业出版社，2004，2.

【2】《中国铁路总公司．高速铁路隧道工程施工技术规程：Q/CR 9604—2015[S].北京：中国铁道出版社，2015.

【3】 2008年爆破工程设计施工常用数据与技术标准规范速用速查手册[M].北京：中国知识出版社，2008.