隧道掘进水压爆破方案

隧道掘进水压爆破技术

在施工中的应用中铁十八局集团第五工程有限公司前言

我汇报的题目是“大力推广节能环保隧道掘进水压爆破”。

隧道掘进水压爆破技术是我集团公司今年大力推广的一种新技术，该项技术是我国隧道掘进技术从“湿法”钻孔代替“干法”钻孔、从非电起爆代替火爆和电爆以来的第三个质的飞跃和变化。1概述1、工程概况十天高速公路西秦岭隧道十堰端位于陇南市徽县大河店乡麻郭台村，由中铁十七局集团一公司承建的西秦岭隧道十堰端右线起讫里程为YK549+664～YK552+294，施工段落长2630m﹙含6m明洞﹚；左线起讫里程为ZK549+656～ZK552+297，施工段落长2641m。设计标准：隧道净宽10.25m,净高5.0m，紧急停车带净宽13.0m，净高5.0m。左右线洞门均采用端墙式洞门。围岩级别主要有Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩级，其中Ⅲ级围岩共长1480米，Ⅳ级围岩共长2640米，V级围岩共长1151米。截止2013年3月中旬，我项目隧道刚刚开始进行右洞边仰坡防护，我标段西秦岭隧道是全线的控制性工程，工期十分紧张，应用水压爆破技术可以提高工效，缓解工期压力；提高隧道掘进施工的劳动生产率，节省成本支出。1水压爆破原理及工艺介绍

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，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，并用专用的‘炮泥’回填堵塞炮眼”，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，有利于岩石破碎，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。2水压爆破原理及工艺介绍1、水压爆破定义及原理

水压爆破定义

所谓“隧道掘进水压爆破”，其定义为往炮眼中一定位置注入一定量的水，最后用专用设备加工成的炮泥回填堵塞炮眼。装药结构

隧道掘进水压爆破在掏槽形式、炮眼布置、数量、深度、起爆顺序和时间间隔等方面与隧道常规爆破一模一样，所不同的是在炮眼装药量和装药结构方面有所不同。2水压爆破原理及工艺介绍常规隧道爆破炮眼中仅装炸药而无回填堵塞，其装药结构如下图所示。

隧道掘进水压爆破，首先往炮眼最底部装入水袋，随之装药卷，再装水袋，最后用炮泥回填堵塞，其装药结构见下图。

技术原理

工程爆破中爆破岩石应用最多范围最广的是露天与地下爆破两大类。露天爆破主要分浅眼与深眼爆破。地下爆破主要是采取浅眼进行隧道（洞）、巷道和库房开挖爆破。一言以蔽之，工程爆破主要采取炮眼法爆破，当前国内外对露天爆破的炮眼均采取用土或岩屑堵塞炮眼，而对于地下爆破，除煤矿地下爆破为防瓦斯意外爆炸外，均采取无回填堵塞，存在爆破不能充分利用炸药能量，污染环境两大问题。2水压爆破原理及工艺介绍技术原理水压爆破由于炮眼中有水，在水中传播的冲击波对水不可压缩，爆炸能量无损失地经过水传递到炮眼围岩中，这种无能量损失的应力波十分有利于岩石破碎，此外还会产生“水楔”效应，更利于岩石破碎，水雾作用有利于降尘和吸附有害有毒气体。要特别提出的是，炮眼底部水袋水击波反射作用加强应力波强度更有利于围岩破碎炮眼而不留炮根。总而言之，由于炮眼中有水，并用炮泥回填堵塞，能充分利用炸药能量，而且又大大降低粉尘对环境的污染。2水压爆破原理及工艺介绍

技术原理从应变时程曲线和同一测点应变峰值对比可知，在同是炮眼底部，炮眼水压爆破要比炮眼用土回填的切向拉应力增大13%，同是炮眼中部和上部，炮眼水压爆破要比炮眼用土回填堵塞的切向拉应力分别增大7%和34%。这一测定结果证明了炮眼水压爆破确实要比炮眼用土回填能提高炸药能量利用率，要比炮眼无回填堵塞更能提高炸药能量利用率，因为压缩炮眼无回填中的空气要比压缩炮眼中的土更消耗炸药能量。2水压爆破原理及工艺介绍2水压爆破原理及工艺介绍水压爆破工艺流程与普通爆破基本相同，不同之处在于要事先加工好爆破所需的炮泥及水袋，并在装药时按照设计的装药结构分次序装入水袋、炸药、水袋后，用炮泥堵塞。炮泥制作及水袋加工清孔安装炸药水袋炮泥钻孔炮泥水袋及火工品就位连线测画断面炮眼定位起爆施工准备出碴钻孔台车就位逐孔检查装药情况排险下一循环初期支护2、水压爆破工艺流程2水压爆破原理及工艺介绍3、水压爆破设备特点炮泥具有规格统一、质地均匀、软硬适中、表面光滑等特点，提高了炮眼封堵质量，减少明火产生；炮泥制作速度快，减少了劳动人员，提高了工作效率；制作炮泥方便，操作简单。PNJ-A型炮泥机炮泥生产效率：500～600个/h2水压爆破原理及工艺介绍特点水袋具有规格统一、质地均匀、自动灌水封口等特点，提高了环境保护和作业人员的身体健康，减少粉尘和炸药等异味；制作速度快，减少了劳动人员，提高了工作效率；制作水袋方便，操作简单。KPS-60塑袋灌装封口机生产效率：700只/h2水压爆破原理及工艺介绍4、炮泥加工工艺原材料

炮泥主要采用黏土、砂和水三种材料。黏土采用干净的普通黏土，含水量控制在8%以下。最大颗粒不超过10mm，不得有草根等杂物，大颗粒要人工破碎。砂采用干净的细砂，最好使用河砂，含水量控制在3%以下。黏土和砂掺杂小碎石块时，应过筛处理，不得将石块投入料斗中，以防止小碎块卡叶片或成形器中的转动螺旋发生故障；加工炮泥的前一天，应把已筛好的泥(土)﹑砂和水按重量配比人工拌和好，这样第二天制作成的炮泥比临时拌和的柔韧性更好。2水压爆破原理及工艺介绍炮泥制作

开机前，在料斗中加入已预拌和的泥砂料约20kg，然后打开电源，在转动螺旋的推压下，泥料边向前输送边挤压密实，最后在卧式螺旋输送成形器端头源源不断地挤压出来；炮泥是由黏土、细砂、水三种成分组成，三种成分的重量比例为黏土：砂：水=0.75:0.09:0.16，按照配合比例人工拌匀材料后，装入炮泥机的进料仓，开动电钮开始生产，生产出的炮泥按照20cm～30cm的长度切割。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。2水压爆破原理及工艺介绍成品炮泥2水压爆破原理及工艺介绍5、水袋加工工艺原材料准备

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。2水压爆破原理及工艺介绍水袋制作

机器开动之前，进行定量调节；打开机器后门，松开泵连杆端头螺母，调节移位蝶形螺母即可通过调节泵连杆滑块左右位置得到所需灌装容量。顺时针减少，反之增大。调整好后拧紧端头螺母，以防松动移位，影响灌装容量，损坏调整杆。封口机定量调节好了之后，打开电源，指示灯亮，调节温控调节器到适当封口温度由绿灯变为红灯时，即达到所调解封口温度(初始温度应设定为130℃为宜，再逐步调节升高)。在开始灌注封口前，把主开关拔上，等机器运转两次，使计量泵内吸满水，将空气排出后，把主开关拔下，塑料袋由人工用双手拇指和食指夹住套在出水管口上，按启动开关，即完成自动灌注和封口。2水压爆破原理及工艺介绍成品水袋2水压爆破原理及工艺介绍6、水压爆破设计实例古田隧道里坑一号斜井段主要以凝灰熔岩、花岗岩为主，次坚石，围岩为II级围岩，施工全断面开挖，全断面为125m2，常规钻爆设计采用垂直楔形掏槽，总的炮孔数为144个，炮眼设计深度为3.8m。常规爆破全断面总计装药量为240kg，炮眼无回填堵塞。采用水压爆破时在掏槽形式、炮眼布置、数量、深度、起爆顺序和时间间隔等的设计与隧道常规爆破一模一样，所不同的是在每个炮眼中增加了水袋和炮泥，装药量和装药结构有所不同。2水压爆破原理及工艺介绍何广沂教授现场指导装药2水压爆破原理及工艺介绍水压爆破炮眼分布示意图2水压爆破原理及工艺介绍古田隧道里坑一号斜井Ⅱ级围岩常规/水压爆破参数表炮眼分类炮眼个数炮眼深度(cm)炮眼角度(0)单孔装药量(kg)小计装药量(kg)备注水平垂直掏槽眼1648053902.4/2.238.4/35.2辅助眼6843090901.83/1.63124.4/110.8底板眼1338090902.2/2.028.6/26周边眼4738090900.55/0.4525.9/21.2炮眼共计144个，总耗药量常规爆破217.3kg，水压爆破193.2kg。2水压爆破原理及工艺介绍经过试验确定，古田隧道里坑一号斜井水压爆破的装药结构与常规爆破相比，掏槽眼1组和2组每孔减少装药0.2kg；辅助眼每孔减少装药0.2kg,底板眼每孔少装0.2kg；周边眼每孔减少装药0.1kg；每循环总共节省炸药24.1kg。2水压爆破原理及工艺介绍7、装药和起爆装药作业

所有炮眼先在眼底装入水袋，再按爆破设计少装入一个药卷，剩余炮孔依次装入3个水袋和全部用炮泥堵塞。2水压爆破原理及工艺介绍起爆作业起爆网络采取孔内延期微差、孔外簇联的起爆方式，各引爆雷管之间采取并联的方式，以保证起爆网络的可靠性和准确性。联结时要注意：导爆索的连接方向和连接点的牢固性；导爆管不能打结和拉细；引爆雷管用黑胶布紧紧包扎在离一簇导爆管自由端10cm以上处，网络联好后，要有专人负责检查，确认无误后，方准起爆。 起爆顺序：从掏槽眼开始，一层一层向外进行，最后是周边眼、底板眼。起爆前应按要求做好各项安全防护措施。3实施效果分析1、技术指标分析目前古田隧道里坑一号斜井自使用水压爆破以来，共施工了60个循环，总共掘进了216m，为了比较两个方法的效果，常规爆破也间隔施工了60个循环，掘进204m，围岩级别相同，都是Ⅱ级凝灰熔岩、花岗岩。常规爆破每循环实际平均进尺为3.35~3.45m，平均进尺3.4m；水压爆破平均进尺为3.55~3.65m，平均进尺3.6m。平均每循环提高进尺0.2米。常规爆破的炮眼利用率为89%，而水压爆破的利用率达到了95%，单位耗药量降低了16%，通风排烟由过去60分钟缩短为30分钟。由此可见，水压爆破在节省炸药、加快进度、缩短通风时间、改善洞内施工环境方面的优势是十分明显的。

3实施效果分析古田隧道里坑一号斜井常规/水压爆破主要技术参数对比表爆破类型单位岩石炸药实际消耗量(kg/m3)平均炮眼利用率（%）实际进尺(m)爆碴块度(cm)抛距(m)通风时间（min）常规/水压爆破0.51/0.4388/953.4/3.690/5028/2160/30数据比较节省0.08kg降低16%提高8%增加20cm减小44%缩短25%减少30min3实施效果分析常规爆破放炮后水压爆破放炮后3实施效果分析2、经济指标分析根据常规爆破和水压爆破的现场统计数据对比，在相同开挖断面面积、炮眼布置和钻孔深度的前提下，水压爆破比普通爆破每个循环多开挖0.2m，每循环节省炸药24.1kg，每爆破一立方岩石节省炸药0.08kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了30分钟。3实施效果分析使用水压爆破每延米所节省的费用

一是火工品节省的费用古田隧道里坑一号斜井开挖面积是125.47m2，炸药的单价是每公斤12元，每发雷管单价6元。 隧道每开挖一米节省炸药： （217.3/3.4—193.2/3.6）×12=122.94元 隧道每开挖一米节省雷管(一循环用200发) （200/3.4—200/3.6）×6=19.6元 合计每延米节省火工品费用122.94+19.6=142.54元。3实施效果分析使用水压爆破每延米所节省的费用

二是人工费节省费用一个循环提高进尺0.2m，开挖断面是125.47m2,一个循环进尺3.6m,每开挖1m3班组工资为20元0.2×125.47×20/3.6=139.4元三是节约电费隧道每开挖一米节省电费75Kw×2台×1.0元/度×0.5h/3.6=20.8元

合计节省费用为142.5+139.4＋20.8=302.7元3实施效果分析使用水压爆破每延米需另外支出的费用

一是制作炮泥、水袋的人工费 制作炮泥、水袋需要两人，每工天按100元计算，2个人，按每天1.5个循环计算，折合每延米支出费用： 100×2/3.6/1.5=37.0元 二是水袋费用 水袋每循环使用580个，每个0.1元，每延米费用：

580×0.1/3.6=16.1元

3实施效果分析使用水压爆破每延米需另外支出的费用

三是制作炮泥的土砂费用 每方40元，1方可做1000米，5000根，可做10个循环，每延米费用40/10/3.6=1.1元 四是电费 （4+0.68）kw×1h/3.6×1.0元/度=1.3元

使用水压爆破每延米需另外支出的费用合计为：

37+16.1+1.1+1.3=55.5元3实施效果分析经济效益分析

把以上每延米节省的火工品费用、人工费用和电费合计，再除去水袋、炮泥加工人工费，材料费、电费的支出费用后，应用水压爆破每延米可节省费用302.7-55.5=247.2元（没有包含管理费用等）。

3实施效果分析经济效益分析

古田隧道里坑一号斜井目前开挖剩余700米，按照水压爆破掘进每延米节省247.2元，