贵州铁路隧道掘进节能环保水压爆破施工工法(隧道台阶法开挖)

'隧道掘进节能环保水压爆破施工工法1前言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，结合当前国内隧道工程爆破的现状，他发现绝大部分隧道的掘进都是采取不回填堵塞炮眼的装药结构，或者仅用炸药箱纸壳浸水堵塞，不但违背科学、浪费炸药、而且在放炮时地动山摇，爆破后效果很差，污染洞内环境，对身体造成了很大的伤害。何广沂教授为解决工程爆破中存在多年已久的不能充分利用炸药能量和严重污染环境的两大难题，在1995年提出了“露天深孔水压爆破”课题，在2002年提出了“隧道掘进和城市露天浅孔水压爆破”课题，试验研究了深孔、浅孔和隧道掘进水压爆破的装药结构。隧道掘进水压爆破施工技术在国外已经被广泛地运用到地下工程钻爆施工中，在国内已在技术、设备、施工组织与施工方法等方面总结出了面向全国普遍推广的经验，深受施工单位的青睐。XX项目正线长30.474km，隧道数量多，分布密集，12.5座隧道共计20.741km，占全线总长68.1%。施工安全风险高，其中XXX隧道(7713m)为全线重点控制性工程，被列为Ⅱ级风险隧道。不良地质有浅埋偏压、岩溶、断层、瓦斯、突泥突水、塌方冒顶、岩爆等高风险源。为解决好不良地质条件下开挖控制，我项目部采用了水压爆破施工技术，目前XXX进口水压爆破共施工了40个循环，共掘进了122m，水压爆破在节省炸药、加快进度、提高经济与社会效益、降低粉尘含量对环境的污染、保护施工人员的身体健康的优势尤为凸显。具有良好的推广应用前景。根据具体施工总结整理，编制本工法。2工法特点2.1与常规爆破相比最显著的特点是往炮眼中一定位置注入一定量的水并用专用设备制成的“炮泥”回填堵塞，从而达到提高炸药能量利用率、提高施工效率、提高经济效益和保护作业人员身体健康的目的和作用。2.2往炮眼中注水，即水袋，还有炮泥的制作已实现了机械化加工，不但保证了制作质量，而且省工、省力、省时，易学易操作，一般施工人员都能胜任，十分有利于普及推广。3适用范围本工法适用于铁路、公路、矿山和水电等建设的隧道、地下巷道库洞和导流洞的爆破掘进。4工艺原理隧道水压爆破是利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到炮眼围岩中几乎无损失，十分有利于岩石破碎。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应有利于岩石进一步破碎，炮眼中有水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染。4.1炸药在爆炸时产生的冲击波，在水中的衰减速度要远远小于在空气中衰减的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸药产生的冲击波通过水袋直接作用在岩石上，大大的减少了炸药能量的消耗，提高了炮眼利用率。8 4.2炮眼中的水袋，在炸药爆炸的作用下，会产生“水楔”效应，有利于围岩的进一步破碎，减少爆破产生的大块率。堵塞水袋在爆炸的作用下会产生雾化作用，可以吸收粉尘，降低爆破后的粉尘浓度，减少了爆后对环境的污染。4.3由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸药能量的外泄，炸药能量充分利用在爆破岩石上，使得爆破效率提高，减少了炸药的消耗，提高了隧道开挖的经济效益。5施工工艺流程及操作要点5.1隧道掘进水压爆破工艺流程图见图5.1-1施工准备炮泥制作及水袋加工爆破设计钻孔台车就位炮泥、水袋及火工品就位逐孔检查装药情况测画断面炮眼定位连线起爆钻孔排险安装炸药水袋炮泥出碴清孔下一循环初期支护排烟图5.1-1水压爆破工艺流程5.2施工关键技术5.2.1水袋制作(1)工艺流程水袋制作工艺流程见图5.2.1-1(2)材料要求塑料袋为通用的聚乙烯塑料制成，厚0.8mm，直径35mm，长度200mm，塑料袋是由塑料加工厂加工制成，使用自动灌水、自动封口的“封口机”制作水袋，每小时可加工600袋。(3)操作要点①封口机在开动之前，要进行灌水定量调节；②8 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，逆时针增大。③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。④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，即达到所调节的封口温度(初始温度应设定为130℃为宜，再逐步调节升高)。⑤在开始灌注封口前，把主令开关拔上，等机器运转两次，使计量泵内吸满水，将空气排出后，把主令开关拔下，塑料袋由人工用双手拇指和食指夹住套在出料管口上，按启动开关，即完成自动灌注和封口。检查封口机封口机空载运转2-3次接通电源、预热封口机（温度调节130-160℃）水袋试封2-3次调整热封温度及压力正式水袋制作成品水袋装箱不合格品、废弃处理图5.2.1-1水袋制作工艺流程图水袋安装水袋安装5.2.2炮泥制作（1）炮泥制作工艺流程炮泥制作工艺流程见图5.2.2-18 图5.2.2-1炮泥制作工艺流程图（2）材料要求炮泥原料的准备：炮泥主要采用黏土、砂和饮用水三种材料。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。水采用饮用水。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。（3）配合比要求炮泥配合比：黏土:砂:水=(70～80):(8～10):(12～20)，在贵州地区采用红黏土施工时，采用黏土:砂:水=0.75:0.09:0.16的配合比较好。（4）操作要点①开机前，在料斗中加入已预拌和的混合料约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；②炮泥挤出到一定的长度以20～30cm为宜，之后切断。③如炮泥容易断裂，则是由于炮泥中含砂量偏高，应调整配比，即增加黏土含量。④机器运转时，如电机﹑减速器发热过高(电机50℃)时，应立即停机，寻找故障原因，如料斗中泥过多﹑过黏等。排除对电机的不利因素后，应等发热的电机表面温度下降后，再进行运转。⑤拌料时听到有大块石头撞击料斗声时，应及时停机，捡出石块后再继续运转。⑥首次使用24小时后，需要更换润滑油，以后每500-1000h更换一次。⑦所需操作人员：炮泥机结构简单，操作方便，操作人员可多可少，一般1～2人均可。1人以约每分钟一铲(2-3kg)的速度不间断地上料，使料斗中基本保持一定量的泥料；1人操作把炮泥装箱。8 5.2.3爆破设计隧道掘进节能环保爆破在掏槽形式、炮眼布置、炮眼数量与深度、起爆顺序与时间间隔等设计与隧道常规爆破一模一样，所不同的是隧道掘进节能环保爆破炮眼中增加了水袋和炮泥。隧道掘进节能环保爆破炮眼装药结构如图5.2.3-1。图5.2.3-1水压爆破炮孔装药结构图L为炮眼深度，L1为炮眼底水袋长，L2为炸药长，L3为炮眼中上部水袋长，L4为炮泥长，其关系式为L=L1+L2+L3+L4;L1为1---2卷药卷长；L2为常规爆破每个炮眼装药量的80%左右的药卷总长；L3/L4＜1,如L3过短而L4过长，水的作用就不大；如L3过长而L4过短，抑制膨胀气体效果就不大，合适的比例为L3/L4=3/4。5.2.4装药起爆对于水压爆破的主爆孔装药，每个炮眼装药量一般为常规爆破每个炮眼所装药卷长度的80%左右的，少装的药卷空间用水袋代替。掏槽眼和辅助眼的装药次序是，先在炮眼底部装1个水袋，然后装所需的药卷，再装多个水袋，最后用炮泥回填堵塞。水袋、药卷、炮泥要挨得紧密，并适当捣固。孔口的水袋的长度要小于炮泥长度，两者的最佳长度比值一般为3:4；周边眼装药比常规爆破减一卷药的办法装药，先在孔底装入一个水袋，然后装炸药，再装多个水袋，最后剩余空间装炮泥堵塞密实。水袋炸药炮泥装填要点从炮眼底到炮眼口依次装填水袋---炸药---水袋---炮泥，其连接一定要紧密。装填水袋要一袋一袋用炮棍轻轻捅入到炮眼一定位置中；回填堵塞炮泥，除与水袋接触的炮泥之外，其余回填的炮泥要用炮棍捣固坚实。XXX隧道进口Ⅲ级围岩常规（水压）爆破参数见表5.2.4-1。8 表5.2.4-1XXX隧道进口Ⅲ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1组1635072902.4/2.2538.4/362组1233079902.1/1.9525.2/23.4辅助眼6532090901.35/1.287.75/78底板眼1132090901.8/1.6519.8/18.15周边眼5032090900.9/0.7545/37.5合计：炮眼共计154个，总耗药量常规爆破216.15kg，水压爆破193.05kg。注：表中斜线左侧为常规爆破装药参数，右侧为水压爆破装药参数。最后按照爆破顺序连线起爆。5.3施工组织隧道掘进常规爆破是根据隧道开挖断面大小与长度、地质结构、施工工期、技术设备能力而确定施工组织，隧道掘进节能环保爆破施工组织就是建立在隧道常规爆破施工组织基础上增加组织炮泥和水袋的制作、运输以及往炮眼中装填水袋和用炮泥回填堵塞炮眼的工作，炮泥和水袋制作需要增加2名普工。往炮眼装填水袋和用炮泥回填堵塞炮眼，无须增加劳力，仍由钻爆工操作，钻爆工32人，水压爆破共计34人。具体劳动力组成见表5.3-1。表5.3-1隧道掘进水压爆破劳动力组成表序号工种人数（人）备注1风枪班14隧道钻眼和爆破作业为两班倒，水袋和炮泥制作为一班作业可满足施工总人数为16×2+2=34（人）2爆破工23水袋加工24炮泥加工2合计206材料与设备水压爆破材料用表见6.2-1。表6.2-1隧道掘进水压爆破需用材料表序号材料名称规格主要技术指标备注1水袋直径35mm，长度200mm聚乙烯塑料，厚0.8mm2砂细砂干净无杂质，最好是河砂，含水量控制在3%以内3黏土普通土最颗粒10mm以下，含水量8%以下，干净无杂质4水饮用水或工程用水实施水压爆破需用两种专用设备，分别为炮泥机和水袋封口机，专用设备用表见6.2-2。8 表6.2-2隧道掘进水压爆破两种专用设备序号材料名称规格主要技术指标备注1炮泥机PNJ-A型额定转速:1400r/min，额定电压380v。2个工人1小时可生产炮泥500多个。2封口机KPS-60型整机功率0.68KW，电源AC220V50Hz。2个工人每小时可制作水袋600个左右，具体设备用表见6.2-3。表6.2-3隧道掘进水压爆破机械设备表序号设备名称型号数量（台）备注1挖掘机PC450-712装载机LW420F23自卸汽车EQ365064电动空压机LWJ-20/765发电机250GF16通风除尘（套）17排水设备48风动凿岩机YT-28309炮泥机PNJ-A1水压爆破专用10封口机KPS-601水压爆破专用7质量控制7.1质量标准7.1.1炮泥加工直径一般取35mm，长度20～30cm。7.1.2水袋长200mm，直径为35mm，袋厚为0.8mm。7.1.3水袋灌装应饱满，封口应严密不漏水。7.1.4炮棍规格为直径30mm﹑长度1.5～2m。7.1.5严格控制超欠挖，石质坚硬岩石个别突出部分（每1m2.）侵入衬砌小于5cm，拱脚和墙脚以上1m内断面严禁欠挖。7.1.6掏槽眼的眼口间距和深度允许偏差为5cm，辅助炮眼眼口、眼底间距允许偏差均为100mm，周边眼的间距允许偏差为5cm，外斜率不应大于孔深3%-5%，眼底不应超过开挖断面轮廓线10cm。8安全措施本工法除了执行常规爆破安全措施外，还需注意以下几点：8.1防止设备漏电：由于炮泥机和封口机都有水，所以要防止因水出现的漏电现象，开机前要用仪表检查是否漏电，以便采取相应措施。8.2正确操作炮泥机：炮泥机上料仓中有螺旋搅拌翅，工作时绝对不能用任何工具或棍棒拨弄料仓中的物料，以防事故；停机后方可用棍棒清除料壁或搅拌翅上的泥土。8 8.3严格控制炮泥回填堵塞长度：炮眼如若用水袋代替炮泥回填堵塞，其爆破飞石比炮眼无回填堵塞时飞石还多、还远。说明炮泥不但抑制膨胀气体、有利于岩石进一步破碎，而且还能起到抑制飞石过多过远的作用。为充分发挥这种双重作用，炮泥堵塞长度不能过短，应大于或等于水袋长度。只有这样，与隧道掘进常规爆破相比才能适当缩短爆破时台车和设备撤离掌子面的距离。8.4装填到炮眼中的水袋不能漏水或渗水。9环保措施9.1设备维修保养产生废机油、废零件等要按规定收集处理，不得随意倾倒或丢弃，防止污染环境。9.2废旧、破损不用的水袋不得乱扔乱弃，要妥善回收，避免造成“白色污染”。9.3设备清洗的污水要经沉淀后排入河沟，不得不经处理随意排放。9.4砂、黏土等原料必须覆盖保存，避免雨水冲刷而造成周边环境的污染。10效益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平均每个循环多开挖0.4m，平均每循环节省炸药23.1kg，每爆破一立方岩石节省炸药0.21kg，最为显著的是通风降尘时间缩短了30分钟。XXX隧道进口常规爆破和水压爆破效果对比见表10-1。表10-1XXX隧道进口常规爆破和水压爆破效果对比表炮眼装药结构每循环装药量（kg）实际单位岩石用药量（kg/m3）实际进尺（m）炮眼利用率（%）通风时间（min）常规爆破216.150.962.658340水压爆破193.050.753.059510数据比较节省23.1kg节省0.21增加进尺40cm123010.1经济效益10.1.1节约费用：以双线隧道台阶法开挖上半断面为例，主洞开挖面积是84.85m2，设计炮眼深度3.2米，常规爆破平均进尺2.65米，水压爆破平均进尺3.05米，炸药的单价是每公斤12元，每发雷管单价6元。（1）隧道每开挖一米节省炸药（216.15/2.65—193.05/3.05）×12=219.25元（2）隧道每开挖一米节省雷管,一循环用160发（160/3.05—160/2.65）×6=47.5元合计火工品每延米节省219.25+47.5=266.75元。（3）隧道每开挖一米节省人工费一个循环提高进尺0.4m，开挖断面是84.85m2,一个循环进尺3.05m,每开挖1m3班组工资为20元(20-(20×2.65×84.85)/(3.05×84.85))×84.85=222.6元（4）隧道每开挖一米节省电费8 75Kw×2台×1.05元/度×0.5h/3.05=25.82元隧道每开挖一米节约费用合计为515.17元10.1.2制作炮泥、水袋的支出。（1）制作炮泥、水袋需要两人，每工天按100元计算，2个人，折合每延米支出费用100×2/3.05/1.5=43.7元（2）水袋每循环使用420个，每个0.1元，每延米费用：420×0.1/3.05=13.77元（3）原材料土砂支出：每方40元，1方可做1000米，可做10个循环，每延米费用：40/10/3.05=1.311元（4）电费：（4+0.68）Kw×1h/3.05×1.05元/度=1.6元。制作水袋、炮泥工费、材料费、电费合计支出：43.7+13.77+1.311+1.6=60.38元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，水压爆破每延米节省费用515.17-60.38=454.8元（没有包含管理费用等）。10.2社会效益当今社会提倡低炭、节能、环保，隧道掘进采用水压爆破有明显的“三提高一保护”作用，可以节约炸药、加快进度、降低成本、保护环境，对工程建设来说，可以保证工期要求，减少了成本增加了利润，降低了环境污染，减轻了对施工人员的人身伤害，也是执行国家可持续发展战略的一种重要手段，积极使用隧道掘进水压爆破工法有良好的社会效益。11工程实例以XXX进口隧道Ⅲ围岩上台阶掘进为例。截止目前XXX进口水压爆破共施工了40个循环，共掘进了122m，为了比较两个方法的效果，常规爆破也间隔施工了40个循环，掘进106m，围岩级别相同，都是Ⅲ级白云岩，设计掘进进尺都是3.2m。水压爆破与常规爆破相比较，每循环实际平均进尺提高了0.4米,减少开挖6个循环,每米节约费用454.8元。炮眼利用率从83%提高到了95%，单位耗药量降低了0.21kg，通风排烟由40分钟缩短为10分钟。由上述对比数据可以看出，水压爆破在节省炸药、加快进度、提高经济与社会效益、降低粉尘含量对环境的污染、保护施工人员的身体健康的优势是十分明显的，即“三提高，一保护”。截至2012年7月8日13座隧道剩余10785米，全部使用水压爆破可以节省费用491万元，按照最长工点计算可少钻90个循环，工期缩短69天。8'