復(fù)線隧道爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

柳 明 張昌鎖

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

復(fù)線隧道爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

柳 明 張昌鎖

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

以新風(fēng)平嶺2號(hào)隧道復(fù)線隧道進(jìn)口開(kāi)挖為研究對(duì)象，通過(guò)在隧道施工爆破過(guò)程中對(duì)鄰近隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，控制不同目標(biāo)、不同間距情況下最大起爆藥量，炮眼布置方案等。既有隧道和新開(kāi)發(fā)隧道間采用超前錨桿加固，增強(qiáng)穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)振速波形圖的分析，找到延時(shí)爆破最大振速的段位，降低該段位最大裝藥量以便降低最大振速，保證鄰近隧道振動(dòng)速度控制在安全范圍內(nèi)，指導(dǎo)后續(xù)施工。

復(fù)線隧道 上下分階爆破 爆破震動(dòng) 薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式 注漿錨桿加固

如何高效而安全的掘進(jìn)復(fù)線隧道成為現(xiàn)代隧道施工中的重點(diǎn)，難點(diǎn)，本研究根據(jù)對(duì)地質(zhì)實(shí)際條件的考察，結(jié)合薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式提出爆破方案，采用爆破震動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制最大裝藥量，保證了工程的安全進(jìn)行。

1 工程概況

新風(fēng)平嶺2號(hào)隧道起訖里程為DIK48+689～DIK49+565(對(duì)應(yīng)既有隧道里程為K48+692.85～K49+564.2)，為全長(zhǎng)876 m的單線隧道，地面標(biāo)高990～1 100 m，相對(duì)高差約110 m，最大深埋約87 m，隧道DIK49+487.76～DIK49+565位于曲線上，曲線半徑R=1 800 m，其余段落位于直線上，隧道內(nèi)線路為單面上坡，坡率為3.0‰。隧道進(jìn)口端為沖溝，右臨汾河灘，坡面陡直，植被較差，交通不便；隧道出口端為古交一電廠，隧頂有運(yùn)煤道路，地質(zhì)較差，交通不便。新風(fēng)平嶺2號(hào)隧道進(jìn)口見(jiàn)圖1。

圖1 新風(fēng)平嶺2號(hào)隧道進(jìn)口

該隧道位于山西省古交縣境內(nèi)，該段為中低山黃土丘陵地貌，主要形態(tài)有黃土梁、山峰相連，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形，地表多為種植土，出露巨厚的第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖積形成的砂質(zhì)黃土，二疊系上統(tǒng)石千峰組砂巖夾頁(yè)巖，呈灰黃色－灰色－紫紅色、強(qiáng)風(fēng)化－弱風(fēng)化－微風(fēng)化，砂巖為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，頁(yè)巖為鈣質(zhì)膠結(jié)，致密狀，沿層理面分裂成薄片，節(jié)理發(fā)育，工程地質(zhì)條件較好。隧道區(qū)位于古交掀斜地塊，屬于五臺(tái)山塊隆的南部，其中部被晉中新裂陷的北部斷陷疊加二分割成兩部分，地塊內(nèi)地層展布為南新北老，總體向南、南東緩傾，產(chǎn)狀平緩，傾角一般小于 10°。

隧道為淺埋偏壓臨近既有線小凈距隧道，與既有隧道基本平行，左側(cè)距既有太嵐線間距為14 m，隧道間巖柱體僅8 m。

既有風(fēng)平嶺2號(hào)隧道全長(zhǎng)871.35 m，為單線隧道，斷面凈寬5.5 m，隧道襯砌為整體式襯砌結(jié)構(gòu)，除多處存在滲水、裂縫等常見(jiàn)缺陷外，隧道整體結(jié)構(gòu)相對(duì)較好。

2 既有隧道爆破振速監(jiān)測(cè)

爆破施工前在既有隧道內(nèi)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，記錄質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，控制在5 cm/s之內(nèi)，振速監(jiān)測(cè)由太原理工大學(xué)爆破科研所實(shí)施。

(1)監(jiān)測(cè)儀器的選擇。結(jié)合監(jiān)測(cè)要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，本次測(cè)試儀器選用UBOX－5016爆破振動(dòng)智能檢測(cè)儀及配套的垂直、水平速度傳感器。本測(cè)試系統(tǒng)擁有量程大、通頻帶廣、自帶電池供電不需額外電源等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比省去了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的麻煩工作，克服了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量依賴交流電的缺點(diǎn)，使得現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試工作變得方便、可靠；另借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，能及時(shí)高效地處理數(shù)據(jù)，大大提高了工作效率。

(2)測(cè)點(diǎn)布置方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了確保新建隧道施工不影響既有線結(jié)構(gòu)安全及測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性，需要在隧道內(nèi)合理布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近爆心。由于新建隧道所處既有線承擔(dān)著重要的運(yùn)輸任務(wù)和客運(yùn)量，這使得采用常用儀器來(lái)科學(xué)合理反映爆破振動(dòng)強(qiáng)度變得更加困難，且測(cè)點(diǎn)的布置要將來(lái)自各方面的干擾降到最低。綜合各方面因素，為了精確地評(píng)估爆破作業(yè)對(duì)既有隧道的影響，在既有隧道中，每間隔60 m布置1組測(cè)點(diǎn)，并在與新建隧道掌子面同一斷面上加設(shè)1組測(cè)點(diǎn)。每次監(jiān)測(cè)新隧道開(kāi)挖掌子面前后布置的兩處測(cè)點(diǎn)及與新建隧道掌子面同一斷面上的測(cè)點(diǎn)，在既有隧道襯砌迎爆側(cè)邊墻或避車(chē)洞的墻中與墻下分別布置切向、徑向和垂直方向3個(gè)傳感器，將數(shù)據(jù)傳感與洞外的計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。此次全程監(jiān)控所采用的測(cè)點(diǎn)布置方式如圖2、圖3所示。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置確定后，采用角鋼托架通過(guò)螺母將傳感器固定在隧道中平整面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處。安裝垂直速度傳感器時(shí)盡量使其與水平面垂直，安裝徑向水平傳感器時(shí)盡量使其保持水平且朝著爆心方向，安裝切向水平速度傳感器時(shí)盡量使其與徑向相垂直且與水平面平行。

圖2 避車(chē)洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 振速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

(3)振速監(jiān)測(cè)。隧道爆破施工過(guò)程中需要安排專人負(fù)責(zé)每次爆破振速的監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，以動(dòng)態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)及爆破進(jìn)尺，起到指導(dǎo)施工的作用。為了保證既有隧道運(yùn)營(yíng)安全，每次爆破嚴(yán)格監(jiān)測(cè)既有隧道爆破振速，通過(guò)洞外計(jì)算機(jī)對(duì)每組測(cè)點(diǎn)振速分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄分析。測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振速隨測(cè)點(diǎn)距爆源距離的增大而衰減。為精確測(cè)得既有隧道爆破振速，須在既有隧道右側(cè)邊墻上與新建隧道掌子面同一斷面處增設(shè)1組測(cè)點(diǎn)，該組測(cè)點(diǎn)處布置的傳感器需隨新建隧道掌子面的掘進(jìn)不斷進(jìn)行移動(dòng)。移動(dòng)傳感器需要操作人員多次進(jìn)出既有隧道，因操作人員進(jìn)出既有隧道的人身安全及人員多次進(jìn)出既有隧道對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)造成的安全影響，該組測(cè)點(diǎn)只需在不同圍巖級(jí)別下監(jiān)測(cè)30 m范圍即可取消監(jiān)測(cè)，用避車(chē)洞處測(cè)點(diǎn)的安全振速范圍來(lái)替代該組測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)功能。即:每次爆破時(shí)該組測(cè)點(diǎn)的振速(控制在5 cm/s以內(nèi))值對(duì)應(yīng)避車(chē)洞處測(cè)點(diǎn)均有一振速值，避車(chē)洞處每個(gè)振速值組成1組對(duì)應(yīng)不同振源距離的振速范圍，當(dāng)取消掌子面斷面處的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)后，嚴(yán)格將避車(chē)洞處測(cè)點(diǎn)振速控制在該范圍內(nèi)即可達(dá)到安全要求，當(dāng)不同掌子面距測(cè)點(diǎn)距離與該范圍對(duì)應(yīng)距離有出入時(shí)，取距離較小值對(duì)應(yīng)的振速值，以確保安全。圖4為新風(fēng)平嶺2號(hào)隧道爆破過(guò)程中測(cè)量的既有隧道避車(chē)洞最近測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振速。

圖4 爆破振動(dòng)速度波形

由爆破振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出2號(hào)通道垂直方向的最大爆破振動(dòng)速度V=2.336 cm/s，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，其速度峰值小于5 cm，說(shuō)明復(fù)線隧道開(kāi)挖方案不影響既有隧道的安全。從波形圖中幾個(gè)振動(dòng)幅值的比較，還可以看出延時(shí)爆破第6段位的爆破振動(dòng)速度為各段位的峰值，綜合圖4通過(guò)控制其掏槽眼的裝藥藥量還可進(jìn)一步控制爆速峰值，降低最大的爆速。爆破振速計(jì)算薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式:爆破時(shí)地震波對(duì)鐵路既有線的影響主要取決于震源的大小、距離及介質(zhì)的條件，而震源的大小則與一次起爆的藥量有關(guān)。

根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算爆破振動(dòng)速度為

式中，V為爆破振動(dòng)速度；R為爆破地震波危險(xiǎn)半徑，新建隧道與既有隧道間巖柱體厚為8 m，爆源距新建隧道左邊墻為3.12 m，故R=11.12 m；K為與地震波傳播地段的介質(zhì)性質(zhì)及距離有關(guān)的系數(shù)，參照《爆破安全規(guī)程》規(guī)定并結(jié)合隧道圍巖巖性條件，圍巖取K=200；α為衰減指數(shù)，參照《爆破安全規(guī)程》規(guī)定并結(jié)合隧道圍巖巖性條件，Ⅲ級(jí)圍巖取α=1.7，Ⅳ級(jí)圍巖α=1.8；Q為最大單響裝藥量，根據(jù)爆破參數(shù)，設(shè)計(jì)Q=1.8 kg。

計(jì)算結(jié)果滿足對(duì)既有鐵路隧道爆破振動(dòng)的保護(hù)限值5.0 cm/s，符合安全要求，不會(huì)對(duì)既有隧道造成危害。將實(shí)際振速與裝藥量代回薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，求得K=163.4，α=2.1，滿足經(jīng)驗(yàn)公式的條件，將垂向最大爆速及其代入便求得裝藥量的極限值，施工過(guò)程中參考實(shí)際情況計(jì)算藥量的大小，進(jìn)一步驗(yàn)證施工方案的優(yōu)化特性。

3 總體施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

新建隧道左側(cè)與既有隧道間巖柱體僅8 m，新建隧道施工會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，在新建隧道開(kāi)挖前根據(jù)不同圍巖級(jí)別對(duì)新舊隧道間巖柱體進(jìn)行加固，并加強(qiáng)新建隧道初期支護(hù)的剛度和強(qiáng)度，可確保既有隧道的運(yùn)營(yíng)安全及新建隧道的施工安全。圍巖地段采用控制爆破上下臺(tái)階法開(kāi)挖。爆破參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，首先進(jìn)行試爆，確認(rèn)安全后方可進(jìn)行正式爆破施工。爆破施工須滿足《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，且爆破振速控制在5 cm/s以內(nèi)。

新舊隧道間巖柱體根據(jù)新建隧道圍巖情況進(jìn)行超前預(yù)加固，圍巖地段采用長(zhǎng)4.5 m，φ42 mm小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前預(yù)加固，并采用長(zhǎng)3.0 m，φ22 mm組合中空錨桿對(duì)巖柱體進(jìn)行二次注漿加固(圖5、圖6)，同時(shí)加強(qiáng)了初期支護(hù)強(qiáng)度；圍巖過(guò)渡段(20 m范圍)，采取長(zhǎng)4.5 m，φ42 mm小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前預(yù)加固；其余段落可不采用小導(dǎo)管加固，施工過(guò)程中若巖體破碎、節(jié)理發(fā)育，視具體情況適當(dāng)加固中間巖柱體。

3.1 既有線安全防護(hù)措施

圖5 兩隧道間巖柱體加固

圖6 小導(dǎo)管及組合中空錨桿布置

為確保既有線運(yùn)營(yíng)安全，防止爆破飛石的出現(xiàn)，洞口部位爆破時(shí)采取松動(dòng)弱爆破，并采用密目(方格小于2 cm)SNS防護(hù)網(wǎng)覆蓋防護(hù)，具體為裝藥、連線完畢后，將SNS防護(hù)網(wǎng)整體式覆蓋在爆破巖體表面上，覆蓋面外邊緣大于爆破體1 m以上，在爆破體外緣1 m以上的牢固巖石上打設(shè)長(zhǎng)3 m，φ22 mm錨桿，每米設(shè)置1根，外露10 cm，端部制作成鋼筋環(huán)，與密目網(wǎng)受力鋼絲繩串聯(lián)成整體，并采用沙土編織袋對(duì)既有線一側(cè)防護(hù)網(wǎng)邊緣進(jìn)行壓實(shí)，防止飛石從側(cè)面飛出。

3.2 施工工藝及方法

圍巖過(guò)渡段(20 m范圍)新建隧道靠近既有隧道側(cè)半輪廓設(shè)置長(zhǎng)4.5 m，φ42 mm的超前注漿小導(dǎo)管，相鄰兩環(huán)交錯(cuò)布置，外插角為30°，縱向兩排的搭接長(zhǎng)度為1.5 m，環(huán)向間距×縱向間距=0.4 m×2.4 m，小導(dǎo)管注漿采用1∶1水泥漿液和水玻璃雙漿液，水玻璃摻量為5%，注漿壓力采用0.3～0.5 MPa，注漿量按巖體孔隙率5%考慮。

3.3 隧道開(kāi)挖施工優(yōu)化

(1)開(kāi)挖方法、爆破進(jìn)尺及斷面確定。圍巖地段采用控制爆破上下臺(tái)階法開(kāi)挖，上下臺(tái)階步距控制在5～8 m，圍巖設(shè)計(jì)上臺(tái)階高4.79 m，下臺(tái)階高4.88 m。根據(jù)《GB 6722—2011 爆破安全規(guī)程》，規(guī)定交通隧道爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)為10～15 cm/s，為保證既有隧道運(yùn)營(yíng)安全，爆破振速嚴(yán)格控制在5 cm/s范圍內(nèi)，并根據(jù)量測(cè)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)及爆破進(jìn)尺，將爆破振動(dòng)降低到最小。開(kāi)挖采用多功能作業(yè)臺(tái)架配合氣腿式風(fēng)鉆(孔徑42 mm)鉆孔，炸藥采用低猛度、低爆速炸藥，塑料導(dǎo)爆管微差毫秒雷管起爆，采用斜眼楔形掏槽，周邊眼采用不耦合空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)。堅(jiān)持以“弱爆破、短進(jìn)尺”保證施工安全，圍巖設(shè)計(jì)爆破進(jìn)尺為0.8 m。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可適當(dāng)調(diào)整爆破參數(shù)及爆破進(jìn)尺，但爆破振速限值不得超過(guò)規(guī)范下限。

(2)爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圍巖分上下2階分階爆破，其周邊眼為例分析如下:①孔徑，選用風(fēng)鉆鉆眼，孔徑為42 mm；②孔深 ，L=1.2 m；③抵抗線W，考慮既有隧道安全，根據(jù)圍巖巖性，取值為45 cm；④間距a:考慮既有隧道安全，根據(jù)a=(0.8～1.2)W并根據(jù)圍巖巖性，取值為40 cm；⑤堵塞長(zhǎng)度，L2≥20 cm；⑥裝藥集中度 q，取0.10～0.20 kg/m。炮眼布置圖及詳細(xì)參數(shù)如圖7、圖8所示。

圖7 圍巖上下臺(tái)階法控制爆破炮眼布置

圖8 掏槽眼剖面

4 結(jié)語(yǔ)

(1)考慮對(duì)既有隧道振動(dòng)的影響，控制炮眼數(shù)量及合理布置，采用上下分階爆破方法。

(2)由爆破振動(dòng)圖譜分析得出延時(shí)爆破中最大振速段位，控制該段位的裝藥量減少開(kāi)挖隧道爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響，將爆速穩(wěn)定地控制在5 cm/s之內(nèi)。

(3)圍巖過(guò)度段采用小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)與組合中空錨桿支護(hù)，增加圍巖的堅(jiān)固程度，不易被振動(dòng)干擾。

(4)通過(guò)爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，對(duì)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行回歸分析，說(shuō)明了該公式的適用性并指導(dǎo)了后續(xù)施工的安全進(jìn)行。

［1］ 中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì).GB 6722—2011 爆破安全規(guī)程［S］.北京:中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì)，2011.

［2］ 朱正國(guó)，孫明路，朱永全，等.超小凈距隧道爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及動(dòng)力響應(yīng)分析研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33(12):3747-3752.

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Design and Practice of Optimizing Blasting of Double-track Railway Tunnel

Liu Ming Zhang Changsuo
(College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology)

Taking the entrance excavation of Xinfengpingling No.2 double-track railway tunnel as a research goal，and through the on-site monitoring on adjacent tunnel vibration blasting process in tunnel construction，Sadaovski formula is applied to making the regression analysis of the field monitoring data，and controlling maximum detonation quantity under different objective and different spacing，and hole arrangement etc..The forepoling bolts are adopted between the existing tunnel and newly-developed tunnel to enhance the stability.Through the analysis on the waveform of the vibration velocity，the maximum velocity section of delay blasting is found out.Reducing the maximum charge quantity can lower the maximum vibration velocity and control the vibration velocity of adjacent tunnel within a safe range，thus guiding the follow-on construction.

Double-track tunnel，Sublevel blasting，Blasting vibration，Sadaovski formula，Grouting and anchoring reinforcement

柳 明(1987—)，男，碩士研究生，030024山西省太原市迎澤西大街79號(hào)。

2013-07-28)