推广隧道掘进水压爆破成果报告
中铁二十局集团沪昆客专贵州段工程指挥部
2013年12月15日
中铁二十局集团承建沪昆客专贵州段9标
推广隧道掘进水压爆破成果报告
冯军武 岐峰军 汪东瑞 谭德庆
由我集团承建的沪昆客专贵州段9标，共有隧道19座，累计长43.566㎞，占线路长68.3％。为加快施工进度、降低成本，自2013年6月10日开始，首先在全标段最长的岗乌隧道推广隧道掘进水压爆破，紧接着在其它隧道相继推广，均取得令人满意的爆破效果，凸显了隧道掘进水压爆破独居的“三提高一保护”极其显著的作用与效果。下面仅以岗乌隧道1#横洞工区主洞水压爆破为例，分析总结推广隧道掘进水压爆破所取得的成果。
1.岗乌隧道工程概况
岗乌隧道全长13.187km，进口里程D1K868+415,出口里程D1K881+602,为单洞双线隧道。岗乌隧道位于溶蚀中山槽谷、沟谷，总体地势北高南低，受北盘江及其支流深切，山高坡陡，沟深窄长。隧道洞身穿越区域以碳酸盐岩广泛分布为主要特征，具构造剥蚀～溶蚀槽谷地貌特点。
2.隧道掘进常规爆破
隧道掘进所谓“常规爆破”，系指炮眼只装药卷而无回填堵塞，对光爆炮眼用炸药箱纸壳捲成卷浸水后堵塞在炮眼口（这种做法不可取），这种炮眼装药结构的隧道掘进爆破，惯称隧道掘进常规爆破。
岗乌隧道掘进采取上下台阶法常规爆破，III级围岩上台阶开挖断面为80.75m2。上台阶钻爆炮眼分布见图1，炮眼参数见表1。
图1上台阶炮眼分布图
岗乌隧道2013 年6月10日之前，均采取常规爆破，其爆破效果见表2
3.隧道掘进水压爆破
3.1基本原理
隧道掘进水压爆破定义是往炮眼中一定位置放入水袋，最后用炮泥回填堵塞到炮眼口为止。
爆破时围岩的破碎主要依靠炮眼中炸药爆炸在围岩中产生的应力波以及爆炸气体膨胀共同作用而完成，而隧道掘进常规爆破炮眼无回填堵塞，（如图2）炸药爆炸能量因压缩炮眼中的空气受到一定损失，造成应力波强度下降，不利于围岩破碎，而爆炸生成的膨胀气体由于炮眼中无阻挡对围岩没形成二次破碎而冲向炮眼口变成冲击波损失掉，此外炮眼无回填堵塞爆破时还会产生粉尘，严重污染作业环境。这是当前国内外隧道爆破存在多年已久的未能充分利用炸药能量和爆破严重污染环境等两大难题。我国著名爆破专家何广沂教授研发的隧道掘进水压爆破，很好的破解了这两大难题。
图2：炮眼无回填堵塞
隧道掘进水压爆破，由于炮眼中有水（如图3），在水中传播的冲击波对水不可压缩，爆破能量几乎无损地传递到炮眼围岩中，这种无能量损失的应力波十分有利于岩石的破碎，此外还产生“水楔”效应和水雾作用，前者有利于围岩破碎和防止岩爆，后者有利于降尘、吸附有害有毒气体和防止瓦斯爆炸。由于炮眼中上部有水袋和炮泥回填堵塞，有力抑制膨胀气体冲出炮眼口，使膨胀气体起到二次破碎围岩的目的。要特别指出的是，炮眼底部的水，对冲击波的反射作用加强了应力波强度和作用时间更有利于围岩破碎。一言以蔽之，由于炮眼中有水，并用炮泥回填堵塞，不但能充分利用炸药能量，而且又能大大降低粉尘对作业环境的污染，保护了施工人员身体健康。
图3：工人正在往炮眼中装水袋
何广沂教授等人所进行的模拟应变测试结果表明。在同样装药量的前提下，同是炮眼底部，水压爆破要比常规爆破切向拉应变增大13%以上，这就是有利于提高炮眼利用率及提高进尺的原因所在；同是炮眼中部和上部，水压爆破比常规爆破切向拉应变增大7-33%,这就是水压爆破比常规爆破提高岩石破碎度、降低大块率的原因所在。模拟试验应变测试的结果足以说明水压爆破技术原理的科学性、正确性。
3.2炮眼装药结构
隧道掘进水压爆破与常规爆破相比，在掏槽形式、炮眼分布、炮眼数量、炮眼深度、起爆顺序和起爆间隔时间等六方面完全一样，仅仅装药结构有所不同，水压爆破要往炮眼中注入一定量的水，最后用专用设备加工成的炮泥回填边堵塞。
往炮眼中怎么注入水呢？这很简单，是把水装在塑料袋中，称之为水袋，然后把一定量的水袋填入炮眼中一定位置。
水压爆破所使用的塑料袋，长200mm，直径35 mm，厚0.8 mm，有一定的强度，水袋填塞炮眼过程中要防止炮棍冲击和小碎石摸察,以避免水袋漏水。
往塑料袋中注水，利用的是自动灌水自动封口的封口机，如图4所示。这种封口机，重为75kg，长*宽*高为920 mm *350 mm *1000 mm，该机电源AC220V50HZ,
功率为0.68KW，有车轮可以自由移动，操作及其简便，每小时可加工水袋700多个。
图4：封口机
炮泥的组成为土:砂:水=0.75:0.1:0.5。土最好使用粘土，砂为河砂，把土、砂和水按上述比例搅合好后，可用专用炮泥机（如图5所示），加工成炮泥，炮泥每节长为200 mm，直径35 mm。炮泥机重190kg，长*宽*高为1470 mm *440 mm *540 mm。每小时可加工成炮泥900根（双出口）。该机电源380V，电机功率4KW。
图5：炮泥机
装填步骤：首先往炮眼最底部装填一个水袋，紧接着往炮眼中装所需的药卷，然后再装填水袋，随后往炮眼中边回填堵塞炮泥，要边回填边捣固直至炮眼口。
岗乌隧道水压爆破周边炮眼装药结构如图6所示，除周边炮眼以外的所有炮眼包括掏槽眼，辅助眼和底板眼炮眼装药结构如图7所示。
装1个水袋炸药装3个水袋炮泥导爆管图7:周边炮眼以内炮眼装药结构
3.3隧道掘进水压爆破效果
自2013年6月10日岗乌隧道1#横洞工区主洞上台阶采取水压爆破，截止2013年12月10日，累计进尺750m，其爆破效果见表3
表3 隧道爆掘进水压爆破效果
4.经济分析
4.1使用水压爆破以Ⅲ级围岩上台阶为例每延米所节省的费用
4.1.1火工品节省的费用
岗乌隧道1#横洞工区主洞Ⅲ级围岩上台阶开挖面积是80.75m2，炸药的单价是每公斤12元，每发雷管单价是6元。
隧道主洞Ⅲ级围岩上台阶每开挖一米节省炸药：
（216/3.2-186/3.5）×12=172.29元
隧道主洞Ⅲ级围岩上台阶每开挖一米节省雷管（一循环用139发）：
（139/3.2-139/3.5）×6=22.38元
隧道主洞Ⅲ级围岩上台阶每开挖一米节省导爆索（一循环用100米）
（100/3.2-100/3.5）×3=8.04元
合计上台阶每开挖一米节省火工品费用：
172.29+22.38+8.04=202.71元
4.1.2人工费节省的费用
隧道主洞Ⅲ级围岩上台阶每开挖一米节省人工费
一个循环提高进尺0.3m，开挖断面是80.75m2，一个循环进尺3.5m，每开挖1m3班组工资为29元
0.3×80.75×29/3.5=200.72元
4.1.3电费节省的费用
110KW×2台×1.08元/度×0.5小时/3.5=33.94元
合计节省费用为：202.71+200.72+33.94=437.37元
4.2使用水压爆破Ⅲ级围岩上台阶每延米需另外支出的费用
4.2.1制作炮泥、水袋的人工费
制作炮泥、水袋需要两人，每天工资按80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:
80×2/3.5/1.5=30.48元
4.2.2水袋费用
水袋每循环使用506个，每个0.1元，每延米费用：
506×0.1/3.5=14.46元
4.2.3制作炮泥的粘土费用
每方60元，1方可做1000米，5000根，可做10个循环，每延米费用： 60/10/3.5=1.71元
4.2.4电费
（4+0.68）KW×1h/3.5×1.08元/度=1.34元
使用水压爆破Ⅲ级围岩上台阶每延米需另外支出的费用合计为：
30.48+14.46+1.71+1.34=47.99元
把以上Ⅲ级围岩上台阶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，水压爆破每延米可节省费用437.37-47.99=389.38元（没有包含管理费用等）。
5.技术经济指标分析对比
岗乌隧道掘进水压爆破与常规爆破相比，技术指标分析对比列于表4
从技术指标分析对比表4和上述经济分析中可以得出结论，隧道掘进水压爆破与常规爆破相比，具有显著的“三提高一保护”作用与效果。一是提高炸药有效能量利用率，即节省炸药21.4%；二是提高施工进度，每循环提高进尺0.3m;三是提高经济效益，每延来可以节省费用389.38元，一保护是粉尘浓度大大下降，缩短通风30分钟，改善作业环境，保护施工人员身体健康。水压爆破提高岩石破碎度、缩短爆堆长度、因而缩短清渣时间加快施工进度。水压爆破还提高光爆质量，炮痕保存率达95%。
通过表4对比，和经济分析，算了一笔账：岗乌隧道Ⅲ级围岩上台阶采取水压爆破已进行了100循环，累计进尺350m，如按常规爆破计算，需要进行110个循环，水压爆破比常规爆破节省9循环，与常规爆破相比节省费用136283元，采用水压爆破掘进的IV、V级围岩经测算每延米节省费用约为III级围岩每延米的83%，IV、V级围岩水压爆破掘进累计进尺400米，节省11循环，节省费用为129274元。目前岗乌隧道1#横洞工区主洞剩余500米，其中III级围岩275米，IV级围岩225米，可以节省13循环，节省费用179796.215元。
6.认识与体会
在岗乌隧道通过6个月连续实施水压爆破作业，经分析总结有以下几点认识与体会。
6.1隧道掘进水压爆破具有极其显著的“三提高一保护”作用与效果不可置疑
实施隧道掘进水压爆破之前，听说水压爆破有这样那样的好处，一不具体，二半信半疑。可是在岗乌隧道经过6个月的水压爆破实践，亲身感受到水压爆破具有“三提高一保护” 的作用与效果，不但对水压爆破优越性的认识更具体深刻了，而且彻底解除了顾虑。
以前无论岗乌隧道还是其它隧道，全国清一色采取常规爆破即炮眼无回填堵塞爆破，存在着炮眼利用率低、施工进度慢、粉尘浓度高，严重污染作业环境等问题，长期困扰着钻爆队伍。现在可好了，找到了灵丹妙药-水压爆破，彻底治好了隧道掘进常规爆破存在多年已久的顽疾。从现在起，我们一定抛弃隧道掘进常规爆破而坚定不移的实施隧道掘进水压爆破，让“财源”滚滚不断地流入我们钱袋中，加快提前迈入小康。同行们，不要迟疑了，快快行动起来吧﹗机不可失，时不待我，早实施水压爆破早受益呀﹗
6.2坚信推广隧道掘进水压爆破可行
经过几个月在岗乌隧道推广水压爆破的实践，我们深刻认识到隧道推广水压爆破是可行的。我们分析总结了推广可行的以下六大理由，概括为以下六个“很”。
第一个“很”：隧道掘进水压爆破技术很成熟。对隧道爆破开挖而言，隧道水压爆破可算一门新技术。虽然它新，但采用中从不停停打打，不出现“故障”，能顺利进行。而且“立竿见影”，究其原因就是这项新技术很成熟。何广沂教授研发的隧道掘进水压爆破历经十多年的时间，经过理论研究、利用实验、示范（样板）工程等阶段，该项技术已经获得国家发明专利，被评为国家级工法，到如今隧道推进水压爆破从技术到有关设备材料日臻完善，完全具备广泛普遍推广的客观条件和准备。技术上很成熟，是推广水压爆破的基础所在，根本所在。
同行们放心吧，只要水压爆破进洞，绝对不会流产、夭折。
第二个“很”：可操性很强。
隧道掘进水压爆破技术的研发可以说历经艰难，克服了许多周折和困难才取得了今天的成果，而推广却容易的多，这是因为可操作性很强。实施隧道掘进水压爆破，关键在于炮眼装药结构即装药步骤，而装药步骤一讲就明白，操作简单得多，可以说得心应手。
封口机炮泥机也是普通设备，比使用手机还简单容易，稍懂得机械的工人看一下使用说明书，不到半个小时就能操作，加工成合格的水袋和泡泥。
由于隧道推进水压爆破可操作性强，推广中不会遇到困难能顺利进行。 第三个“很”：一次性投入很低。封口机运到现场每台才6500元（包括运费）炮泥机运到现场才4600元。这项设备可长期使用，保管得好，还可以转场，装水的专用塑料袋更便宜，每个一毛钱，掘进每一延米才用不到15元。
第四个 “很”：节能环保效果很显著。众所周知，“节能环保”是当前国策。隧道掘进水压爆破具有显著的“节能环保”作用与效果，可以节省炸药21.4%，爆破时粉尘浓度下降了67%，改善了作业环境，保护了施工人员身体健康。
第五个“很”：施工进度很快。施工单位看重的是如何加快施工进度，提前工期。隧道掘进水压爆破可以提高施工效率，每循环可多推进深度0.3m以上，这样就加快了施工进度，保障了工期。
第六个“很”：经济与社会效益很高。衡量一项新技术的重要标准，就看它的经济与社会效益如何。我们实施的隧道掘进水压爆破，每掘进一米可节省费用389.38元，经济效益很高。隧道掘进水压爆破由于爆破时水雾作用，大大降低了粉尘浓度，保护了环境。
6.3辅助工作要配套是“三提高一保护”的基本保障
隧道掘进水压爆破要达到“三提高一保护”的作用与效果，与水压爆破相关的辅助工作必须要配套、要到位。
加工成水袋应不漏、不渗，袋中无空气挺拔坚硬。
加工成炮泥不软也不硬。炮泥过软炮棍捣固时容易挤出跑眼口；炮泥过硬炮棍捣固时不易破裂堵塞不坚实。
无论加工成的水袋还是炮泥，均应分别放入类似装啤酒的塑料筐中，这种塑料筐既便宜又轻又耐用。
每一循环最好加工水袋和炮泥各六筐，运到掌子面前用装载机送上台车，避免人工损坏。
每个炮眼按水袋-药卷-水袋-炮泥的先后顺序装入炮眼中，炮眼最底部的水袋一定要装入炮眼最底部不得留有空隙。水袋与炸药、炸药与水袋必须衔接紧密。炮泥回填堵塞一定要到炮眼口，必须用炮棍边回填炮泥边捣固坚实。要特别强调的是捣固炮泥绝对不能用pvc塑料管，它柔软直径小，捣固不坚实。应用类似铁锨把的木棍，长一米多，直径30㎜左右，用这种木棍捣固炮泥才符合要求。
6.4钻爆工应培训
大家一听说是培训，可能听了吓了一跳，这得需多长时间。不要怕，培训只需要短暂时间，两个小时就足够了。请懂得隧道掘进水压爆破的工程技术人员授课，授课的内容最好播放实施水压爆破的专题片，这样使钻爆工有个感性认识，然后重点讲述炮眼装药结构、注意事项就够了。培训这一过程绝对不能弃舍，否则似懂非懂就干起来，第一个循环就会失去信心。不但要培训，最开始两个循环技术人员要到现场跟班作业，看是否按规定要求做了。
6.5走出误区
岗乌隧道推广水压爆破伊始，钻爆工怀疑往炮眼装水袋，回填堵塞炮泥费时间费事，多一事不如少一事好。
关于往炮眼中装水袋回填堵塞炮泥费时间，通过水压爆破钻爆挖运整个循环时间的统计解除了这个顾虑。往炮眼中装水袋回填堵塞炮泥与炮眼无回填堵塞相比，的确多占用了15分钟左右，可爆破后由于粉尘浓度大大下降，水压爆破比常规爆破缩短通风30多分钟，不但如此，由于水压爆破岩石爆得破碎且爆渣相对集中，装渣进度快了，缩短挖运时间。这样计算下来水压爆破一个循环占用的时间不但不超过常规爆破而且还缩短了。
关于炮眼中装水袋，回填堵塞炮眼麻烦之说，通过何教授培训时演讲，和实际爆破作业检验，取得了钻爆工充分的理解。
隧道掘进水压爆破确实能节省炸药、确实能加快施工进度、确实能提高经济效益和确实能保护作业人员身体健康。机不可失，时不待我，赶快行动起来，投身推广隧道掘进水压爆破的行列中，为隧道施工做出贡献。