水压爆破技术在TBM双导洞先行的大断面隧道扩挖工程中应用

水压爆破技术在TBM双导洞先行的大断面隧道扩挖工程中应用

邢建军1 ,张岩2,王震3

1青岛地铁集团有限公司第二建设分公司；2青岛地铁集团有限公司第二建设分公司；3中铁二局集团电务工程有限公司

摘  要：贵州路站～西镇站区间存车线四线大断面隧道采用TBM掘进后进行扩挖施工，在复杂建筑群下TBM双导洞先行的大断面隧道中运用水压爆破技术。通过三次试爆，最终确定了优化后的爆破网络图、爆破参数和装药结构。解决了信访、超震速等隐患，为后期光面爆破提供了保障。

关键词：四线大断面；TBM双导洞；水压爆破技术；试爆；爆破参数；装药结构

0 引言

目前对于利用矿山法扩挖TBM导洞修建大断面隧道已有部分研究，如殷怀连、龚彦峰介绍了小直径TBM导洞扩挖法,并对双线铁路隧道TBM选型、导洞位置、施工组织方案进行了研究[1]；王新线，雷升祥，柴永模提出长15～20 km的铁路客运专线特长隧道的TBM导洞钻爆扩挖法的设想[2]。但在复杂建筑群下TBM双导洞先行的大断面隧道中运用水压爆破技术进行扩挖尚属首例。

近年来工程项目中长大隧道在开挖过程中存在进度缓慢、洞内环境差、炸药用量大、粉尘及刺鼻气体浓度大等难题。通过水压爆破技术引进，某公司分别在赣龙高铁、成兰高铁、京沈高铁、青岛某地下洞库广泛普及应用水压爆破施工工艺。该工艺对改善施工现场施工作业环境，提高炸药有效能量利用率，减弱爆破振速，减少对周边建筑物及居民的扰动，起到了显著作用。青岛地铁 1 号线工程贵州路站-西镇站区间为暗挖区间，爆破作业产生粉 尘量较大，区间沿线环境复杂，对爆破振动的控制要求较高，经项目领导研究决定采用水压爆破进行开挖施工。

1 水压爆破介绍及原理

水压爆破是由我国著名的爆破专家何广沂教授在上世纪九十年代提出来的[3-4]，其爆破设计与传统的隧道光面爆破设计方案基本相同，只是在装药结构和炮孔堵塞上进行了适当的调整。原理为“往炮眼中一定位置注入一定量的水，并用专用设备加工成的炮泥回填堵塞到炮眼中”，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，有利于二次破碎岩石，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[5]。隧道掘进水压爆破和常规爆破（炮眼无回填堵塞）有六点相同和两点不同之处。六点相同：在炮眼分布、掏槽形式、炮眼数量、炮眼深度、起爆顺序和起爆时间间隔等六方面，水压爆破与常规爆破一模一样，即水压爆破与常规爆破相比不增加任何工作量。两点不同：水压爆破与常规爆破相比，仅是水压爆破炮眼中增加了水袋和炮泥。

2 工程概况

2.1设计概况

贵州路站～西镇站区间（以下简称贵西区间）全长约546.9m。贵州路站位于贵州路与团岛二路交叉口西南侧，线路出贵州路站后沿台西五路向北敷设，下穿大量建筑物后在费县路与郓城北路交叉口处接入西镇站。根据运营需要西镇站站前设置双存车线，形成四线大断面隧道。单洞单线段区间隧道长约192m，四线大断面区间隧道长约344.5m。单洞单线隧道主要采用TBM工法施工，存车线四线断面隧道采用TBM掘进后进行扩挖施工，贵西区间平面图如图2-1所示。

图2-1 贵西区间平面图

2.2 周边环境及建筑物情况

区间隧道位于台西五路及部分居民小区正下方，台西五路为贵州路支路，主要为人行及小型车辆通行，居民小区及道路两侧分布有大量的老式居民楼，楼层高约6～8层。主要为多层砖混居住建筑，除3处建筑老旧评级为Csu级外，其余建筑安全性评级为Bsu级，与地铁关系是底穿和侧穿，V≤1.0cm/s。贵西040（台西五路11号乙）、贵西047（台西五路11号甲）、贵西032较为老旧，损伤多，贵西040和贵西047木瓦屋盖老化，安全性评级为Csu级，V≤0.5cm/s。因养老院及幼儿园属于敏感环境，爆破施工时按照振速V≤0.5cm/s控制。

图2-2 周边建筑物情况

3 水压爆破施工工艺

3.1炮泥和水袋

（1）制作好的炮泥放置时间不要太长，最好在使用前 1～2 小时制作好，不然会失水变硬，堵塞后影响降尘效果，如放置时间较长，可在加工好的炮泥外包裹塑料薄膜，或放置在阴凉处，用湿土工布完全覆盖保存。制好的炮泥以表面光滑、不断裂，用手略微捏一捏可以变形为宜。成品炮泥规格为：长 200mm，直径 35mm。

（2）水袋的原材料即水和塑料袋。塑料袋为常用的聚乙烯塑料，水袋长 200mm，直径为35mm，袋厚约为 0.8mm，水袋为厂制品直接购买使用。但制作完成的水袋要饱满。

3.2 爆破试验

ZA复合式衬砌断面采用CD法开挖，ZA断面循环进尺2m。在施工此大断面段之前，TBM已掘进通过，对断面其余部分采用钻爆法开挖，整个断面分成4个部分，按顺序开挖，施工示意图见图3-1所示。具体炮孔布置及爆破网路如图3-2所示。

图3-1 复合式衬砌断面开挖步序示意图                     图3-2Ⅰ区爆破网络图

3.2.1 第一次试爆

试爆区围岩等级为Ⅳ级，根据断面类型、地质条件及周边环境，循环进尺取值为2m，辅助眼及周边眼炮孔深度为2m。具体试爆参数如下：

（1）炮孔间距：辅助眼排拒60cm，孔距80cm，孔深2000mm；周边孔孔距50cm，光爆层50cm，孔深2000mm。

（2）炮孔数量：辅助眼93个，周边孔28个。

（3）单孔装药量：辅助眼0.3kg，周边孔0.2kg。

（4）总装药量：辅助眼27.9kg，周边孔5.6kg，共计33.5kg。

（5）孔内雷管：第1排至第11排辅助眼依次使用Ms7-Ms17雷管，周边孔使用Ms19雷管。

（6）孔外雷管：Ms7 200ms（采用双雷管）；

（7）装药结构：辅助眼孔底3支水袋，中间300g炸药，再3支水袋，其他填充炮泥；周边眼孔底3支水袋，中间200g炸药，再3支水袋，其他填充炮泥。（如图3-3）

经济指标：断面面积S=48㎡，爆破体积V=96m³；总装药量Q=33.5kg；炸药单耗：q=0.35kg/m3；雷管数量：152发。

图3-3 第一次试爆装药结构图

第一次试爆结果：一次爆破未成功，第一次起爆后，左侧爆破炮孔起爆，起爆量约40%（50个孔）。原因：先响的炮孔飞石将网络炸断。第二次起爆，将剩余60%（约70个孔）连线起爆，起爆量为85%，约60孔，剩余10个孔。原因：网络被炸断。第三次起爆将剩余炮孔全部连接起爆完成。三次总计爆破进尺约1.5m，爆破方量72方。而且爆破最大振速达到0.68cm/s超过安全性评级为Csu级（V≤0.5cm/s）。

总结：（1）采用孔深2m，装300g炸药在当前围岩硬度下（左侧强风化，右侧微风化），无法达到预期爆破效果。后续优化爆破参数，调整装药结构。（2）采用当前爆破网络连接方式，不太可靠，后续继续优化，考虑采用串联，孔内采用高段位，孔外采用低段位，最大化延迟孔位延时雷管与起爆炮孔之间的距离，确保网络有效起爆。

3.2.2 第二次试爆

第二次爆破网络图优化后如图3-4

第二次试爆参数：辅助眼和周边眼的间距、排距及孔数不变，将原孔深2m改为1.8m。装药结构改为:辅助眼孔底1支水袋，中间300g炸药，再4支水袋，其他填充炮泥；周边眼孔底1支水袋，中间200g炸药，再4支水袋，其他填充炮泥。减少孔深200mm，将装药结构修改，炸药位置往孔底移动，距离孔底200mm。（如图3-5）

        图3-4Ⅰ区优化后爆破网络图                         图3-5 第二次试爆装药结构图

第二次试爆结果：一次爆破未成功，部分围岩未爆破下来，需补炮。爆破振速达到要求，采用孔深1.8m，在当前围岩硬度下（左侧强风化，右侧微风化），无法达到预期爆破效果。优化后的爆破网络辅助孔、周边孔一起间隔起爆，不再最后起爆周边孔，防止周边孔起爆时导致传爆雷管引线被炸断或者从炮孔拉出。后续爆破继续优化爆破参数。

3.2.3 第三次试爆

第三次试爆参数：辅助眼和周边眼的间距、排距及孔数不变，将原孔深1.8m改为1.5m。装药结构改为:辅助眼孔底300g炸药，中间4支水袋，其他填充炮泥；周边眼孔底200g炸药，中间4支水袋，其他填充炮泥。（如图3-6）

图3-6第三次试爆装药结构图

第三次试爆结果：一次爆破成功，爆破效果比较好，且爆破最大振速0.46cm/s达到要求。此次爆破炮孔深度1.5m，爆后进尺1.3～1.5m，爆破网路安全，未出现盲炮。

3.2.4 结论

通过3次试爆，最终确定了优化后爆破网络图及如下的爆破参数和装药结构 ：

（1）炮孔间距：辅助眼排拒60cm，孔距80cm，孔深1500mm；周边眼孔距50cm，光爆层50cm，孔深1500mm；

（2）炮孔数量：辅助眼93个，周边孔28个；

（3）单孔装药量：辅助眼0.3kg，周边孔0.2kg；

（4）总装药量：辅助眼27.9kg，周边孔5.6kg，共计33.5kg；

（5）孔内雷管：第1排至第11排辅助眼依次使用Ms7-Ms17雷管，周边孔使用Ms19雷管；

（6）孔外雷管：Ms7 200ms（采用双雷管）；

（7）装药结构：辅助眼孔底300g炸药，中间4支水袋，其他填充炮泥；周边眼孔底200g炸药，中间4支水袋，其他填充炮泥。

经济指标：断面面积S=48㎡，爆破体积V=96m³；总装药量Q=33.5kg；炸药单耗：q=0.35kg/m3；雷管数量：152发。

4 结束语

水压爆破试验的成功，确保了爆破震速不超预警值，保证周边建筑物的安全，避免信访事件出现。为后期大断面光面爆破提供可靠依据，同时，爆破出来的石渣粒径大小非常合适，对机械出渣带来了很多便利。通过后面一段时间的试爆，水压爆破效果逐渐得到提高，洞内的施工环境也得到改善。同时施工进度和综合效益也得到保障。通过调整爆破参数、装药结构顺利实现大断面隧道扩挖工程水压爆破目标。

参考文献  

[1]殷怀连，龚彦峰.小直径TBM导洞扩挖法在双线铁路隧道中的应用[J].铁道标准设计，2007(8):54-57.

[2]“王新线”，“雷升祥”，“柴永模”.铁路客运专线特长隧道的TBM导洞扩挖方案构想[J].铁道标准设计，2006(12):57-62.

[3]“何广沂”，“徐风奎”，“荆山”，等节能环保工程爆破[ M].北京:中国铁道出版社，2007.

[4]何广沂.工程爆破新技术[ M].北京:中国铁道出版社，2000.

[5]张卫国.水压爆破技术在隧道掘进施工中的应用[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2013，26(2):46-50.