公路瓦斯长隧道爆破施工技术

公路瓦斯长隧道爆破施工技术

陈小媛

中国水电建设集团十五工程局有限公司

陕西省咸阳市712000

摘要：公路瓦斯长隧道爆破施工安全要求较高，施工工艺非常复杂且质量要求较高。目前，国内外对瓦斯条件下进行地下工程施工的技术研究还不够成熟。本文介绍了采用常规爆破炸材在瓦斯隧道中的爆破开挖施工方法及工艺, 并取得了较好的爆破效果，值得类似工程借鉴和参考。

关键词：公路瓦斯隧道；爆破；施工

1、工程概况

四川省成都市成洛大道东延线洛带古镇隧道工程, 穿越龙泉山, 路线总体呈西东走向 。洛带古镇隧道横穿龙泉山山脉中段 , 进口位于成都市龙泉驿区洛带镇东侧长安连接线公路旁，出口位于万兴乡南侧约500m的大石村三组。本隧道为一级公路分离式隧道, 左线隧道起点 ZK2+060, 终点 ZK4 +955, 长2895 m。 右线隧道起点K2 +060, 终点K4 + 930,长2870m。 隧道建筑限界10.75m × 5.0 m,最大埋深为151.58m。 隧道进口～出口的线间距 23.90m～27.65m，为小净距隧道。洞身围岩级别为 Ⅳ和Ⅴ级 , 以泥岩夹砂岩、砂岩为主，局部含有石膏。

隧道位于龙泉山背斜含气构造上, 是油气运输的有利指向区和储集区,且在石油钻探中已有显示, 只是未达到工业开采要求，加之其上覆有较厚的泥岩层作为盖层封闭，所以，油气易聚集而不易散发，综合判定为低瓦斯隧道。

2、施工重点及难点

(1)《铁路瓦斯隧道技术规范》5.0.3条规定，瓦斯工区的爆破作业必须使用煤矿许用炸药。本隧道开挖爆破均采用煤矿许用炸药及煤矿许用电雷管爆破。公路隧道对超欠挖控制很严格，而煤矿施工对超欠挖没有严格要求。因此，使用煤矿许用炸药进行超欠挖控制，对本隧道爆破作业是一个巨大的挑战，施工质量难以保证。

(2)根据《煤矿安全规程》第 295 条规定，在有瓦斯地层中，采掘工作面必须使用煤矿许用电雷管, 且最后一段的延期时间不得超过130ms, 这对于本隧道大断面开挖爆破网络分段布置非常不利。

(3)目前，对瓦斯隧道开挖爆破施工主要参照《煤矿安全规程 》和《铁路瓦斯隧道技术规范》。而上述两种规程规范仅适用于含煤层、煤质页岩等软弱岩石的开挖施工。本隧道油气沿裂隙涌出，岩石主要为泥岩、泥质砂岩且以砂岩为主。对于此种类型隧道的爆破开挖，目前国内外都没有综合性研究。故无足够的施工经验可借鉴。

3、爆破方案设计

3.1、炸材选用

洛带古镇隧道为瓦斯隧道, 规范要求开挖爆破炸药采用煤矿许用乳化炸药，雷管使用延时130ms 以内、段位1～5 段的煤矿许用电雷管, 起爆线使用软质铜芯线, 起爆器使用防爆起爆器。

本隧道所选用爆破器材为8 号覆铜壳煤矿许用毫秒延时电雷管及3号抗水煤矿粉状铵锑炸药, 其具有爆速低、爆力低、猛度低等性能。

3.2、爆破参数

(1)、钻孔直径及深度。

本隧道钻孔采用 YT28型风动凿岩机打孔, 钻孔孔径40～42mm。钻孔深度主要根据钻孔机具、掏槽形式、炸药性能及月进度要求确定。按月计划的要求进行炮孔深度计算如下：

I = (L × n1 ) /( 24 × n×η1×η)

式中I 为按月进度要求的炮孔深度m；L 为计划月进度, 按70m计算; n1为月施工天数，按30d 计算；n为每循环小时数，按24h计算；η1 为炮孔利用系数, 取0.8；η 为循环率, 取80%。则钻孔深度为: I = (90 × 24)/(24 × 30 × 0.8 × 80% ) ≈ 3.6(m)。为充分发挥钻孔机具的生产力并提前超额完成施工任务, 结合临空面大小, 取钻孔深度I =3.5m 。

(2)、钻孔数目 ( N ) 。

钻孔数目的确定通常先根据单位炸药耗量进行估算, 再根据实际施工过程作适当调整。本隧道以砂岩为主, 岩石硬度系数f = 6。单位炸药耗量根据类比法选取, q =1.5～1.8 kg/m3。本隧道实际单位炸药耗量q =1.0 kg/m N = (q × S ×η 2 × m ) /(a × G) 式中q 为单位炸药耗量，1.0 kg/m3；S为开挖断面面积。本隧道采用分部台阶法开挖，上台阶按 70m2 计算；η2为炮孔利用系数，取 0.8；m为每个药包长度，按 0.2m 计算G为每个药包质量，按0.15kg 计算；a为炮孔平均装药系数, 因本隧道为瓦斯隧道，取0.6。则钻孔估计数目为：

N = (1.0 × 70 × 0.8× 0.2)/(0.15 × 0.6)=124(个)

(3)、炮孔布置。

本隧道爆破采用掏槽眼爆破。根据分区炮孔作用不同分为：掏槽眼、主爆眼及周边眼。

1）、掏槽眼的布置方法

掏槽眼的作用：在开挖面适当部位先掏出一个小型槽口，形成新的临空面， 以达到提高爆破效果的作用。其特点为：掏槽眼本身只有一个临空面，需要采用较大的单位耗药量，以增大爆破粉碎区。为保证能有效将石渣抛出槽口，掏槽眼应比设计开挖进尺加深20cm, 并采用反向连续装药和双雷管起爆。掏槽形式应根据开挖断面的大小采用不同掏槽方式。本隧道分部上台阶开挖断面尺寸为 70m

2，隧道爆破采用楔形掏槽爆破效果较好。

2）、主爆眼的布置方法

为进一步扩大槽口体积和爆破量，并逐步接近开挖面形状，为周边眼创造有利的爆破条件，炮眼布置间距主要由岩石性质和最小抵抗线确定。本隧道以砂岩为主，岩石硬度系数f =6，根据爆破试验，确定主爆眼间距为80～100 cm。

3）、周边眼的布置方法

周边眼主要起隧道开挖成型作用，其间距比主爆眼小，目的是使爆破轮廓较为平顺并控制超欠挖量。 周边眼大小由岩石性质和最小抵抗线决定。 本隧道按45～50cm控制。

 (4)、装药结构及装药量。

洛带古镇隧道为瓦斯隧道，规范要求开挖爆破炸药需使用煤矿许用乳化炸药，雷管使用延时 130 ms以内、段位1～5段的煤矿许用电雷管，起爆线使用软质铜芯线，起爆器采用200 型防爆起爆器。洛带古镇隧道开挖岩石为泥岩，采用煤矿许用乳化炸药爆破爆炸威力不够，且因开挖断面大，段位1 ～5段的煤矿许用电雷管分段延时控制困难， 开挖进尺效果差，施工难度较大，难以满足施工进度的需要；同时，周边眼不能采用光面爆破，超挖现象突出，施工质量难以保证。

为保证工程进度及质量，降低施工成本，同时又能确保施工安全，对瓦斯设防段采用常规爆破器材。为保证爆破时不产生火花，装药时采用橡胶水袋隔离法和改变爆炸反应法，即掏槽眼及主爆眼堵塞先用自制食盐袋堵塞15cm, 再用自制条形橡胶水袋堵塞30cm，然后使用粘土或沙子、粘土和沙子的混合物填满， 并适当增长堵塞长度。对周边眼采用孔内间隔装药导爆索连接，同时将电雷管绑扎在端头最后一个药包上，堵孔采用自制条形橡胶水袋堵塞30cm, 再填满专用炮泥。

4、施工与应用情况

(1)、电力爆破的装药结构与非电爆破的装药结构基本上类似，不同之处在于《煤矿安全规程》在起爆方向上没有对电力爆破进行明确规定。一般都认为正向起爆安全，至今在煤矿井下还一直沿用正向起爆方法。从爆破作用机理看，正向起爆爆轰波运动方向冲向孔底；反向起爆爆轰波运动方向冲向孔口，爆轰波、爆震波与围岩抛掷方向是一致的。因此，洛带古镇隧道开挖爆破时，对掏槽眼采用反向装药起爆较合理，因为：煤矿许用电雷管为五段毫秒雷管，总延时100 ms, 小于《煤矿安全规程 》130 ms 的规定。根据所测得的爆后瞬间瓦斯浓度得知, 在360 ms 以内瓦斯浓度不超过1 %。 也就是说，毫秒雷管在爆炸完毕、瓦斯还没来得及泄漏而爆破早已完毕。从而为施工提供了安全保证。

(2)、采用普通 2# 岩石乳化炸药，爆破威力大，容易产生火花，在堵孔时加入自制的橡胶水袋可以解决该问题。水袋不但具有普通炮泥作用，还可以在爆轰波的作用下形成一道水幕，起到降尘消烟灭火的作用，同时还能降温、遏制火焰延续时间。瓦斯爆炸过程实际上是瓦斯的氧化反应， 即CH 4 + 2O 2 + 8N 2 → CO 2 + 2H 2 O + 8N 2 + 8O4 (kJ/mol) 。

研究表明：这个反应的产生物中有 OH-和CH- 等游离基和自由原子氧存在， 是一个游离基连锁反应。 基于这一点，在加大药量爆破区域，堵孔前加入食盐，使炸药爆炸瞬间改变反应速度和过程，能够达到消焰目的。

通过采用上述两种保证措施，确保2# 岩石化炸药在洛带古镇瓦斯隧道中的成功运用 。

5、结语

通过安全爆破，在隧道开挖爆破时将成功预防瓦斯燃烧和瓦斯爆炸事故发生。隧道开挖质量能够得到良好控制，具有显著的经济效益和社会效益，为今后类似瓦斯长隧道爆破施工提供了参考经验。

参考文献：

1、《铁路瓦斯隧道技术规范》 TB10120—2019；

2、《煤矿安全规程 》2017版