1 工程概况

　　郑万高铁湖北段Ⅶ标四分部罗家山隧道位于湖北省襄阳市保康县马桥镇，全长10 640m，最大埋深约470m。

　　隧道穿越区岩溶发育，可溶岩段长6 905m，雨季最大涌水量为11.691万m³/d;地质条件复杂，且存在突水突泥、断层破碎带、顺层、偏压、危岩落石、高地温等不良地质，为Ⅰ级风险隧道。

　　2 工装配置及开挖工法

　　罗家山隧道横洞、出口工区采用加强型机械化配套施工，工装配置依次为:全电脑三臂凿岩台车、多榀拱架预拼装安装台架、自行式带弧模液压栈桥、防水板二衬钢筋自动安装一体机、智能衬砌台车、自动喷淋养护台车、水沟电缆槽台车、检测台车等。Ⅲ，Ⅳ级围岩采用全断面带仰拱一次开挖，Ⅴ级围岩采用微台阶同步推进施工。Ⅳ级硬岩采用每循环打设超前小导管;Ⅳ级软岩采用60、长9.0m中管棚，掌子面喷锚临时封闭;Ⅴ级围岩采取76、长9.0m中管棚，掌子面喷锚临时封闭，并打设纤维锚杆加固。

　　3 聚能水压爆破在水平薄层围岩中的应用

　　3.1 地质情况

　　罗家山隧道洞身围岩分布主要为水平薄层围岩，受新华断裂及其支断层影响，节理裂隙及溶蚀性裂隙发育，裂隙间距0.5～2m，延伸较长，大多>5m，岩体裂隙大多微张，层间结合较差，大多无充填，少量充填泥膜，且随机裂隙较发育，爆破扰动大时易沿层理面水平剥落而使隧道拱部呈水平拱。

　　3.2 聚能水压爆破技术原理

　　聚能水压光面爆破是利用聚能槽产生的高温高压射流及炮眼中的水袋在爆炸作用中产生的“水楔”效应，使爆炸产生的冲击波更加强烈，除具有应力波作用外，增添聚能效应和“水楔”效应，沿聚能槽定向切割岩面，使轮廓面更圆顺，提升隧道爆破整体质量^[1]。爆破产生的水雾又起到了雾化降尘的作用，缩短了爆破后通风作业时间，提高了工作效率^[2]。

　　3.3 掘进参数

　　罗家山隧道采用大型机械施工，由于全电脑凿岩台车钻杆长5.5m，有效钻孔深度约5.2m，考虑充分利用机械性能，Ⅲ级围岩进尺4.0m，按设计要求Ⅳ级围岩需进行立架支护施工，拱架间距为1.2m/榀，Ⅳ级围岩循环进尺3.6m。经过数次试验确定装填参数。

　　3.4 爆破参数设计

　　3.4.1 普通光爆参数

　　在隧道正洞开挖施工中，通过现场普通光爆试验选定的Ⅲ级围岩光爆参数如图1、表1所示，Ⅳ级围岩光爆参数如表2所示。

　　

　　图1 III级围岩普通爆破炮孔布置 

　　 

　　3.4.2 聚能水压爆破参数

　　采用聚能水压爆破时掏槽形式、炮眼布置、深度、数量、起爆顺序等设计参数与普通爆破相同，区别在于每个炮眼中增加了水袋和炮泥，装药量和装药结构也有所不同，使用聚能管后，结合围岩实际情况(水平层)，Ⅲ级围岩拱部150°范围周边眼间距调整为60cm，边墙周边眼间距调整为80cm，聚能水压爆破装药参数如表3所示;Ⅳ级围岩拱部150°范围^[3]周边眼间距调整为65cm，边墙周边眼间距调整为80cm，聚能水压爆破装药参数如图2、表4所示。

　　  

　　表1 Ⅲ级围岩普通爆破装药参数  

　　 

　　 

　　

　　注:每循环用炸药405.6kg，雷管229发(含集束用20发)

　　  

　　表2 Ⅳ级围岩普通爆破装药参数  

　　 

　　 

　　

　　注:每循环用炸药340.8kg，雷管241发(含集束用20发)

　　  

　　表3 Ⅲ级围岩聚能水压爆破装药参数  

　　 

　　 

　　

　　注:每循环用炸药354.8kg，雷管205发(含集束用20发)

　　

　　图2 Ⅳ级围岩聚能爆破炮孔布置 

　　 

　　  

　　表4 Ⅳ级围岩聚能水压爆破装药参数 

　　 

　　 

　　

　　注:每循环用炸药311kg，雷管229发(含集束用20发)

　　3.5 施工工艺流程(见图3)

　　

　　图3 聚能水压爆破施工工艺流程  

　　 

　　3.6 聚能管装置组装

　　聚能管装置由聚能管、炸药、导爆索、起爆雷管、定位圈组成(见图4)。

　　

　　图4 聚能管装置 

　　 

　　爆破施工前在聚能管装置组装房内，首先将聚能管半管放置在操作台上，将定制的桶装炸药采用人工装按230～270g/m线装密度装入聚能管内，再将导爆索压入聚能管内，导爆索比聚能管长约10cm，然后将另一半聚能管顺卡槽嵌入，同时采用胶带将定位圈距按同一方位固定于聚能管两端，定位圈距端口约50cm，最后于掌子面安装时将起爆雷管与外露导爆索连接形成聚能管^[4,5]。

　　采用定制桶装炸药，避免人工剪拆药卷造成功效低、炸药浪费大，结合罗家山隧道围岩情况，经反复试验聚能管装置炸药线装密度控制在230～270g/m，每桶炸药(24kg)约可装3m长聚能管30～34根^[6]。

　　3.7 炮泥制作

　　炮泥采用PNJ-A型炮泥机制作而成，经多次试验，确定炮泥以黏土为主，配合比为黄黏土∶砂∶水=100∶6∶15。炮泥一般在使用前1～2h将其制作成直径32mm、长20～30cm炮泥节装箱运至施工现场。

　　3.8 水袋制作

　　水袋由KPS-60型水袋自动封装机生产而成，水袋装满水长200mm、直径32mm，水袋应饱满、挺拔，注满水约192g。

　　3.9 装药

　　装药采用人工木质炮棍，在装药过程中轻轻捣实，防止力量过大造成水袋被挤破。

　　1)周边眼装药前先在炮眼孔底装入1个长约20cm水袋，再装入半卷炸药，后装入长度3.0m聚能管，同时利用定位圈调整聚能槽与开挖轮廓线方向使其一致，然后再装入水袋2个，最后用炮泥填塞周边眼。

　　2)掏槽眼采用斜眼掏槽并连续不耦合装药，雷管埋入孔底药卷，在装药前先在炮眼孔底装入1个长约20cm水袋，然后装入炸药若干，并在装药结束后再装入4个水袋，然后进行炮泥堵塞^[7]。

　　3.1 0 施工工艺控制要点

　　1)根据隧道围岩情况，不断优化爆破设计，找到与隧道围岩相匹配的爆破设计参数。

　　2)根据围岩情况适时调整聚能管装药数量，如围岩裂隙发育，聚能管药量适量减小或间隔装药。

　　3)水袋一定要灌满且挺拔，加工成的炮泥要软硬适中。

　　4)炮眼最底部1个水袋必须装填到底，回填堵塞的炮泥必须回填至炮眼口。

　　5)应利用木棍捣固炮泥，炮眼逐节捣固。

　　6)向炮眼内装填的次序为水袋→聚能管→水袋→炮泥，彼此紧密相连不得有空隙。

　　7)装填聚能管装置时，聚能槽必须与隧道轮廓面平行。

　　8)根据水平围岩受层理影响垂直方向抵抗会减弱的特点，将拱部150°范围最小抵抗线调整为60cm，边墙最小抵抗线为50cm，起拱线至拱部150°最小抵抗线由50cm过渡至60cm，减少了对周边围岩的破坏及扰动，提高炸药利用率的同时又提升了光爆质量。

　　9)根据开挖后扫描的断面及时修正爆破参数，区别对待拱部及边墙入孔轮廓与外偏距，针对开挖后拱顶水平层掉块引起的超挖部分，适当内移开孔轮廓线，周边眼底板预留0.3m保护层，用破碎锤进行清理以减少隧底超挖。

　　10)根据围岩情况适时调整聚能管装药数量，如围岩裂隙发育，聚能管炸药线装密度适当减小;水平薄层围岩时聚能管间距调整至50cm，采用间隔装药。

　　11)钻眼要尽量避开在层间裂隙、夹层处开眼，可适当改变爆破设计要求的钻眼位置，移开一定距离，但不能使抵抗线过大，造成爆破效果差或“挤死”现象。

　　4 施工效果分析

　　1)降尘效果显著粉尘监测采用P-512C型便携式微电脑粉尘仪，在爆破后5min，距掌子面25m位置进行粉尘浓度监测。对罗家山隧道出口连续5个循环常规爆破和5个循环聚能水压爆破进行检测，常规爆破粉尘含量为16.1mg/m³，聚能水压爆破粉尘含量为8.0mg/m³，比常规爆破粉尘浓度降低了50%，降尘效果明显。

　　2)开挖进尺大，光爆效果、经济效益好经聚能水压爆破与常规爆破喷锚混凝土超方数量对比，Ⅲ级围岩常规爆破12个循环，长度45.6m，平均进尺3.8m，喷锚混凝土总超方177m³;聚能水压爆破18个循环，长度71.1m，平均进尺约3.95m，喷锚混凝土总超方219m³。同时，聚能水压爆破的装药结构与常规爆破相比，掏槽眼、扩槽眼、辅助眼和底板眼每孔药量减少0.2kg，每循环共节省炸药52kg，雷管24发，增加聚能管44根，单根长度3.0m;每延米喷射混凝土超方比常规爆破约少0.8m³，平均每延米节省约240元。

　　3)聚能定向加大周边眼间距，可达60～100cm，减少了光爆炮眼数量，缩短钻眼、装药时间，光爆轮廓更圆顺，提高了光爆质量，减少了混凝土超方及喷锚混凝土时间，加快了施工进度。

　　4)通过优化改进，采用桶装炸药代替药卷制作聚能管装置，提升了效率，减少了炸药浪费。

　　5)组装聚能管装置和装填堵塞炮眼工艺简单，可操作性强。

　　6)聚能水压爆破在水平薄层围岩中，可根据围岩情况动态调整聚能管内炸药线装密度或采取间隔装药，线装密度小、装药均匀，不耦合系数大，对围岩破坏作用小，能较大限度地减小对围岩的爆破扰动;沿聚能槽方向切割岩面，使爆破后轮廓较圆顺，避免出现“台阶”等凹凸不平整现象;聚能水压爆破后掌子面更齐整，避免出现“挂口”现象，有利于大型机械下一循环开孔。

　　7)聚能水压爆破对钻孔要求相对较高，周边眼间要尽量互相平行，否则“水楔”作用沿开挖弧线切割岩石的效果不佳，直接影响光面爆破效果，聚能水压爆破效果如图5所示。

　　

　　图5 聚能水压爆破效果