小凈距隧道圍巖開挖施工中如何做好控制爆破與過程檢測

摘 要：在小凈距隧道施工時，開挖范圍內(nèi)圍巖爆破同時對周邊有既有構(gòu)造物造成影響，必然存在爆破開挖圍巖和保護圍巖以及保護周邊既有構(gòu)造物這一相互矛盾，如何解決好此問題是施工中關(guān)鍵及難點。隧道圍巖開挖施工時合理選擇爆破方法和爆破參數(shù)，做好控制爆破與加強檢測，可以最大限度降低爆破對圍巖的損傷及對周邊建筑影響控制在安全范圍之內(nèi)。文章以嘎拉山隧道右線施工為例進行淺述。

關(guān)鍵詞：小凈距；隧道圍巖施工；控制爆破；檢測

1 工程概況

本項目為拉薩至貢嘎機場專用公路貢嘎機場連接線工程，本項目利用原拉薩至貢嘎機場公路上的既有嘎拉山隧道作為右線隧道，隧道長2448米/1座（以單洞計），利用原嘎拉山隧道的輔助導(dǎo)坑新建左線隧道2448米/1座（以單洞計）。新建隧道與既有隧道凈距不足30m（最小凈距僅為26m），按照隧道設(shè)計規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)屬于小凈距隧道。

1.1 新建隧道地質(zhì)情況

1.1.1 隧道巖土體工程地質(zhì)特征

隧址區(qū)的巖土類型其工程地質(zhì)性質(zhì)有明顯差異，根據(jù)其成巖作用的不同劃分成巖體和土體兩大類型：土體類和巖體類。

1.1.2 隧道圍巖分級

該隧道圍巖以Ⅲ級為主，局部有Ⅳ級。隧道圍巖為花崗閃長巖。

1.1.3 隧道洞室及進出口的穩(wěn)定性

（1）洞身段圍巖穩(wěn)定性。隧址區(qū)地處崗底斯～念青唐古拉板片南緣與雅魯藏布江縫合帶北緣的接觸地帶，屬于強震帶中的想對穩(wěn)定區(qū)，隧址區(qū)場地基本穩(wěn)定。（2）洞口斜坡穩(wěn)定性評價。隧道進、出口地表覆蓋有厚度小于0.5m的薄層第四系坡殘積碎石土，下伏基巖風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，在洞口開挖施工中易產(chǎn)生松散層破碎，風(fēng)化層掉塊、崩塌等現(xiàn)象，對洞口斜坡穩(wěn)定造成一定影響，建議施工是予以清除并做好洞口支護措施。

1.2 既有隧道概況

既有嘎拉山隧道作為右線隧道，隧道長2448米/1座（以單洞計），新建左線隧道與既有隧道凈距不足30m（最小凈距僅為26m），原既有嘎拉山隧道位于直線上，縱坡采用人字坡，建筑界限凈寬10.50，凈高5.0m，隧道內(nèi)輪廓采用三心圓斷面，采用錨噴支護復(fù)合模注砼襯砌，內(nèi)夾防排水層，路面采用單向橫坡，坡度2%。

2 關(guān)于爆破振動要求

為保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全，確保隧道開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性。對鉆爆施工進行嚴(yán)格的監(jiān)測和控制，設(shè)計建議按一下標(biāo)準(zhǔn)進行控制：一般段振動速度10cm/s；對既有隧道存在縱向裂縫、裂縫密集段落，爆破振動速度按5cm/s控制。

3 控制爆破

3.1 控制爆破參數(shù)

根據(jù)設(shè)計文件及施工組織要求采用楔形掏槽及微差控制爆破方式。

3.1.1計算炮眼數(shù)量N

N=qS/ηγ

式中：N-炮眼數(shù)量，不包括未裝藥的空眼；q-單位炸藥消耗量；S-開挖段面積（m2）；η-裝藥系數(shù)；γ-每米藥卷的炸藥質(zhì)量，kg/m。

3.1.2 炮眼深度及直徑

炮眼深度受開挖面大小的影響，炮眼過深，周邊巖石的夾制作用較大，故炮眼深度不宜過大，一般最大炮眼深度取斷面寬度（或高度）的0.5～0.7倍，同時考慮到本項目每循環(huán)掘進要求進行深度。為克服及減少巖石的夾制作用，掏槽眼、底眼深度、輔助掏槽眼深度加深，周邊眼、輔助眼不進行加深。鉆孔采用YT-28風(fēng)鉆，鉆頭直徑為Φ40mm，炮眼孔徑為Φ42mm。

3.1.3 光面爆破不耦合系數(shù)（D）及裝藥直徑（d）

D=dk/di

式中：D-不耦合系數(shù)；dk-炮眼直徑（cm）；di-裝藥直徑（cm）。

3.1.4 周邊眼間距（E）、最小抵抗線（V）和相對距系數(shù)（K）

最小抵抗線與開挖的隧道斷面大小有關(guān)。在斷面跨度大，光爆眼所受到的夾制作用小，巖石比較容易崩落，最小抵抗線可以大些；斷面小，光爆眼所受到的夾制作用大，最小抵抗線可以小些；最小抵抗線與巖石的性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造也有關(guān)，堅硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石最小抵抗線可大些。

3.1.5 每一循環(huán)裝藥量計算及分配

Q=qV

式中：Q-一個爆破循環(huán)的總用藥量（kg）；q-爆破1m3巖石炸藥的消耗量（kg/m3）；V-1個開挖循環(huán)進尺爆落巖石總體積，m3。

3.1.6 各炮眼裝藥量分配

因為計算炮眼數(shù)量時，取定了一個η值，由周邊眼裝藥集中度q可以計算出周邊眼裝藥系數(shù)η4，再設(shè)其它各炮眼裝藥系數(shù)取值：掏槽眼η1，底板眼η2，輔助眼η3，則

a×η1+b×η2+c×η3+d×η4=（a+b+c+d）η

式中：a-掏槽眼個數(shù)；b-底板眼個數(shù)；c-輔助眼個數(shù)；d-周邊眼個數(shù)。

對比計算所得的η值是否與前面取定的η值一致，若一致則按上列裝藥系數(shù)進行分配是可以的；若計算結(jié)果不一致，則需重新調(diào)整η值代入N=qS/ηγ，并適當(dāng)調(diào)整所設(shè)掏槽眼、底眼、輔助眼裝藥系數(shù)，使試選η值與計算η相符。

確定裝藥系數(shù)后就可以計算每個炮眼的裝藥量。

M=γLη

式中：M-單個炮眼的裝藥量（kg）；γ-每米藥卷的炸藥質(zhì)量，kg/m；L-炮眼深度（m）；η-裝藥系數(shù)。

計算得每個炮眼的裝藥量后再根據(jù)炸藥類型確定單孔條數(shù)。

3.1.7 裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式

施工中采用如圖1裝藥結(jié)構(gòu)：（1）1/2普通標(biāo)準(zhǔn)藥卷（Φ32）起爆；（2）普通標(biāo)準(zhǔn)藥卷沿長度方向?qū)Π肭校ㄏ喈?dāng)于Φ20小藥卷）不耦合間隔裝藥。周邊眼詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.8 光面爆破的分區(qū)起爆順序

掏槽眼——輔助掏槽眼——輔助眼——底板眼——周邊眼。采用多段微差起爆（由內(nèi)向外），其中主爆區(qū)的周邊眼比輔助眼眼跳2段起爆，并用同一段雷管。主爆區(qū)使用非電毫秒雷管，周邊眼用導(dǎo)爆索一次同時起爆。

3.2 爆破沖擊波安全允許距離

根據(jù)GB6722-2011《爆破安全規(guī)程》和《新編爆破工程實用技術(shù)大全》規(guī)定：

爆破時空氣沖擊波的安全距離為

RK=KKQ■

式中：RK-空氣沖擊波對掩體內(nèi)人員的最小允許距離，單位為米（m）；KK-系數(shù)，對于人員為25～60；Q-一次爆破的炸藥量，秒延時爆破取最大分段藥量計算，毫秒延時爆破按一次爆破的總藥量計算，單位為千克（kg）。

上式適于平坦地形，當(dāng)?shù)匦螚l件不同時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。如在狹谷中爆破時，沿溝的方向安全距離應(yīng)增大50%～100%；處于山坡背面時，安全距離值可減少30%～70%。

4 鉆爆方案的選用

4.1 鉆爆方案一

此方案適用于新建嘎啦山隧道有輔助通道的Ⅲ級圍巖全斷面開挖地段。

4.1.1 方案一炮眼布置圖（見圖2）

圖2 炮眼布置正面圖

4.1.2 方案一鉆爆參數(shù)（表1）

表1 方案一鉆爆裝藥參數(shù)表

4.2 鉆爆方案二

此方案適用于新建嘎啦山隧道有輔助通道的Ⅳ級圍巖地段。

4.2.1 方案二上臺階爆破設(shè)計

（1）上臺階炮眼布置圖（見圖3和圖4）

圖3 上臺階炮眼布置正面圖

圖4 IV級圍巖垂直楔形掏槽布置圖

（2）上臺階鉆爆參數(shù)（表2）

表2 方案二上臺階鉆爆裝藥參數(shù)表

4.2.2 方案二下臺階爆破設(shè)計

（1）下臺階炮眼布置圖（見圖5）

圖5 下臺階炮眼布置正面圖

（2）下臺階鉆爆參數(shù)（表3）

表3 方案二下臺階鉆爆裝藥參數(shù)表

4.2.3 方案二仰拱爆破設(shè)計

（1）仰拱炮眼布置圖（見圖6）

圖6仰拱炮眼布置正面圖

（2）仰拱鉆爆參數(shù)（表4）

5 爆破安全檢算

5.1 爆破用藥量檢算

5.1.1 安全用藥量

根據(jù)爆破安全規(guī)程規(guī)定，并結(jié)合設(shè)計、現(xiàn)場實際、工程類比及提高安全系數(shù)綜合考慮，允許安全振速小于5cm/s，其中Ⅲ級圍巖無輔助通道進尺為2.5m地段，允許安全振速小于10cm/s。可計算隧道掘進爆破每循環(huán)最大單段起爆藥量。

式中：V-質(zhì)點允許振動速度5cm/s（Ⅲ級圍巖無輔助通道進尺為2.5m地段允許振速為10cm/s）；R-新建到既有隧道邊墻外側(cè)的水平距離；K-硬巖50～150；中硬巖150～250；軟巖250～350；α-衰減系數(shù)，硬巖1.3～1.5；中硬巖1.5～1.8；軟巖1.8～2.0。

（1）方案一：K取100，α取1.4。

當(dāng)R=26m時， ；

（2）方案二：K取200，α取1.65。

當(dāng)R=26m時， ；

5.1.2 實際單段最大用藥量

根據(jù)上述不同工法不同進尺的鉆爆設(shè)計計算，可得出最大段實際用藥量如下所示：

（1）方案一：

（2）方案二：

結(jié)論：實際用藥量均小于鉆爆設(shè)計中安全用藥量，因此鉆爆設(shè)計是可行的。

5.2 爆破振動檢算

根據(jù)公式 分別計算出七種鉆爆方案的振速并匯總?cè)绫?：

表5 爆破振動檢算值匯總表

結(jié)論：上述方案均符合《爆破安全規(guī)程》及相關(guān)規(guī)范的要求，同時滿足一般段振動速度10cm/s要求以及在既有隧道存在縱向裂縫、裂縫密集段落，爆破振動速度按5cm/s控制的要求。

6 爆破過程檢測

6.1 爆破振動檢測目的

現(xiàn)場測試擬達(dá)到以下目的：（1）通過最大振動速度測試，為依托工程提供爆破測試結(jié)果，指導(dǎo)承包人修正爆破參數(shù)，以確保施工安全。（2）收集現(xiàn)場爆破振動各項技術(shù)要點，對測試結(jié)果進行匯總分析，回歸確定振動速度方程中的K、α值，為將來的施工應(yīng)用提供更多參考依據(jù)。（3）了解振動速度在隧道內(nèi)的空間分布規(guī)律，以便明確施工布置上應(yīng)注意的問題。（4）通過實測，明確安全起爆段差。（5）通過實驗測試，確定安全振動速度。

6.2 爆破振動監(jiān)測

6.2.1 震動測試實施流程圖（如圖7）

圖7 振動測試實施流程圖

6.2.2 儀器選用及應(yīng)用

記錄儀使用TC-3580Usb爆破振動記錄儀，該儀器已通過中國測試技術(shù)研究院鑒定。測點放置兩個水平和一個垂直傳感器，傳感器托盤采用石膏粉（石膏粉加水?dāng)嚢瑁昼姾竽蹋┕潭ㄓ陬A(yù)先筑好的漿平臺上。三向測點上使用的水平傳感器方向與垂直向垂直，傳感器上的水平指示氣泡應(yīng)在中間。為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和保護設(shè)備的安全，每個測點上的設(shè)備全部用一個40mm*40mm*15mm厚的鋼板長方體罩子蓋住，具體儀器和傳感器的連接方法如圖8。

圖8 震動測試儀器與傳感器連接示意圖

利用TC-3580Usb專門分析軟件，可完成對儀器工作狀態(tài)的設(shè)置和讀回采集到的波形進行分析和處理。圖9為TC-3580Usb分析軟件界面。

根據(jù)薩道夫斯基回歸公式 的原理，利用分析軟件所帶的回歸公式，通過不同位置測點的振動速度計算得出K、α值。并根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，調(diào)整爆破參數(shù)，將一般段振動速度控制在10cm/s以內(nèi)，對既有隧道存在縱向裂縫、裂縫密集段落，將爆破振動速度控制在5cm/s以內(nèi)。同時，根據(jù)現(xiàn)場爆破情況及監(jiān)測結(jié)果，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)開挖進尺。

圖9 TC-3580Usb 分析軟件界面

7 結(jié)束語

小凈距隧道爆破施工合理選擇爆破方法和爆破參數(shù)，過程中做好控制爆破與加強檢測，最大限度降低爆破對圍巖的損傷及對周邊建筑影響，最終確保安全前提下實現(xiàn)隧道順利貫通。

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作者簡介：韓發(fā)輝（1977，6-），男，現(xiàn)任中鐵十二局集團第三工程有限公司項目經(jīng)理部總經(jīng)濟師，工程師。