淺埋隧道下穿民房軟弱圍巖段微振動控制爆破研究

李 龍，張永紅，楊再玉，段金曦，寧鵬飛

(1.中國建筑第五工程局隧道公司，湖南長沙 410000；2.國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長沙 410072)

淺埋隧道下穿民房軟弱圍巖段微振動控制爆破研究

李 龍1，張永紅1，楊再玉1，段金曦2，寧鵬飛2

(1.中國建筑第五工程局隧道公司，湖南長沙 410000；2.國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長沙 410072)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，我國鐵路交通事業(yè)也迎來了飛速發(fā)展的黃金時期，因此穿越重要建構(gòu)筑物的淺埋鐵路隧道工程也就越來越多。盡量降低爆破振動危害，有效解決爆破振動控制與隧道施工效率之間的矛盾，已成為淺埋鐵路隧道爆破施工的關(guān)鍵問題之一。結(jié)合湖南懷邵衡陽鐵路巖面前隧道實際情況，提出的三臺階四步開挖法、短進(jìn)尺多循環(huán)、大空孔直線掏槽等綜合減振技術(shù)，確保了隧道安全穿過復(fù)雜地段，取得了良好的效果，為類似工程提供了有益的參考。

淺埋隧道；軟弱圍巖；開挖方案；微振動控制爆破

1 概 述

新建懷化至邵陽至衡陽鐵路巖面前隧道地質(zhì)條件、爆破作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜。該隧道位于湖南省邵東縣火廠坪鎮(zhèn)，為單洞雙線淺埋鐵路隧道，設(shè)計高度11.93 m，寬度13.86 m，全長740 m，最小埋深僅10 m。隧道洞身處于巖溶區(qū)，巖體破碎，圍巖等級為Ⅳ～Ⅴ級。

由于隧道頂部基巖厚度小于10 m，上方分布有民房(一般為砌體結(jié)構(gòu)、部分為磚混結(jié)構(gòu))，若采用普通控制爆破技術(shù)施工，所產(chǎn)生的爆破振動將對爆破周邊環(huán)境產(chǎn)生多種危害，一方面是使隧道施工區(qū)上方民房發(fā)生不同程度的損壞而與群眾發(fā)生工程糾紛，既影響工程施工進(jìn)度也影響公司形象。此外，由于爆區(qū)巖體破碎，所產(chǎn)生的爆破振動易引起洞身塌方、冒頂事故的發(fā)生，不利于生產(chǎn)的安全控制。采用普通控制爆破技術(shù)施工將存在極大風(fēng)險。

為此，中國建筑第五工程局隧道公司組織精干力量開展了“淺埋隧道下穿民用建筑的微振動爆破掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究”，所取得的研究成果一方面提升了公司控制爆破技術(shù)水平，提高了公司安全生產(chǎn)控制能力，規(guī)避了工程風(fēng)險，避免了工程糾紛，保障了施工進(jìn)度計劃的如期實現(xiàn)。另一方面也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為公司贏得了良好的社會聲譽(yù)。

2 三臺階四步開挖法基本方案

2.1 隧道掘進(jìn)方案的確定

在隧道工程施工中，圍巖級別及其物理力學(xué)性能決定了在該條件下的最大開挖穩(wěn)定高度hmax，當(dāng)隧道設(shè)計高度小于最大開挖穩(wěn)定高度時，可采用全斷面開挖方式；當(dāng)隧道設(shè)計高度大于最大開挖穩(wěn)定高度時，需要采用臺階開挖方式。因而，隧道設(shè)計高度是確定隧道開挖方法的主要依據(jù)之一。圍巖開挖最大穩(wěn)定高度 hmax可參照以下經(jīng)驗公式計算得出[1]。

式中，hmax為掌子面最大穩(wěn)定垂直高度，m；c為巖體粘結(jié)力，kPa；φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°)；γ為圍巖容重，t/m3。

根據(jù)巖面前隧道Ⅳ～Ⅴ級圍巖特性，其物理力學(xué)參數(shù)取值為下：γ＝2.25 t/m3，φ＝12°，c＝50 kPa，代入上式可計算出hmax＝5.49 m。

巖面前隧道設(shè)計高度H＝11.93 m，大于最大開挖穩(wěn)定高度5.49 m的兩倍，因此，本隧道開挖必須采用上中下三臺階法開挖。

此外，由于巖面前隧道穿越第四系粉質(zhì)黏土層及粉砂質(zhì)泥巖，圍巖松散、裂隙發(fā)育，隧道開挖后拱頂部位掉塊現(xiàn)象比較嚴(yán)重。隧道設(shè)計寬度13.86 m，跨度大，全跨斷面施工極易引起塌方、冒頂事故，為此，決定對隧道上臺階采用中隔壁法施工技術(shù)。

綜合上述情況，考慮到施工方便性，巖面前隧道施工區(qū)域劃分為：上臺階開挖高度3.5 m，中臺階臺階開挖高度3.63 m，下臺階開挖高度4.8 m。其中上臺階由中隔壁分割為左右兩個施工區(qū)域，整個掌子

面共劃分為4個作業(yè)區(qū)域，如圖1所示。

圖1 巖面前隧道三臺階四步開挖法規(guī)劃

2.2 開挖循環(huán)進(jìn)尺的確定

隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺的大小對于拱頂及掌子面的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，進(jìn)尺過小影響施工進(jìn)度，進(jìn)尺過大容易引起塌方、掉塊產(chǎn)生超挖，從而增大工程成本和施工風(fēng)險。

原鐵道部在鐵建設(shè)[2010]120號文件中對于軟弱圍巖隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級地段采用臺階法施工時，明確規(guī)定如下：

(1)上臺階每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺Ⅴ、Ⅵ級圍巖不應(yīng)大于1榀鋼架間距，Ⅳ級圍巖不得大于2榀鋼架間距；

(2)邊墻每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺不得大于2榀。

巖面前隧道設(shè)計鋼拱架間距為0.5 m，所以確定上臺階每循環(huán)最大開挖進(jìn)尺為1榀鋼拱架長度0.5 m，中、下臺階每循環(huán)最大開挖進(jìn)尺為2榀鋼拱架長度1.0 m。

2.3 三臺階四步開挖法掘進(jìn)方案

根據(jù)施工區(qū)域劃分方案，以及各臺階每循環(huán)最大開挖進(jìn)尺，決定采用三臺階四步開挖法掘進(jìn)方法。

(1)臺階長度?？紤]到人員、機(jī)械的安全施工距離，上、中、下3個臺階長度取5～6 m，其中上臺階左、右側(cè)臺階錯開2～3 m，如圖2所示。

圖2 巖面前隧道三臺階四步開挖法掘進(jìn)示意

(2)三臺階四步開挖法。第一步先行掘進(jìn)上臺階左側(cè)一區(qū)，第二步掘進(jìn)上臺階右側(cè)二區(qū)，第三步掘進(jìn)中臺階三區(qū)，第四步掘進(jìn)下臺階四區(qū)。具體作業(yè)時根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺不同區(qū)分為兩個爆破循環(huán)，第一爆破循環(huán)為上臺階左、右側(cè)(一、二區(qū))，循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m；第二爆破循環(huán)為整個掌子面，上臺階一、二區(qū)進(jìn)尺0.5 m，中、下臺階三、四區(qū)進(jìn)尺1.0 m。

3 微振控制爆破參數(shù)設(shè)計

國際上，將強(qiáng)度低、破碎、風(fēng)化的巖層統(tǒng)稱為軟弱圍巖，在軟弱圍巖中建造的隧道統(tǒng)稱為軟巖隧道。最大限度的降低軟巖隧道爆破開挖中的爆破振動，減少對周邊環(huán)境的擾動和保持圍巖穩(wěn)定是軟巖隧道爆破設(shè)計需要重點考慮的問題。一般地，應(yīng)采用微振動控制爆破方法，

3.1 微振動爆破設(shè)計基本原則

在微振動控制爆破方案設(shè)計中，為有效降低爆破振動，其基本原則可從以下幾個方面來考慮。

(1)采用大直徑直線掏槽減振技術(shù)。由于巖石的夾制作用，以及掏槽爆破的單一臨空面，掏槽裝藥單耗必然是最大的，其所產(chǎn)生的爆破振動必然也是最主要的，因此，采用合適的掏槽技術(shù)，降低掏槽爆破振動，是降低整個掌子面爆破振動峰值的關(guān)鍵技術(shù)。大直徑直線掏槽減振理論是利用外圍多個大空孔提供的自由面和補(bǔ)償空間，中心裝藥孔爆炸將介于掏槽孔與空孔之間的巖石破碎，并使碎塊在高壓氣體的作用下沿槽腔運(yùn)動完成掏槽，在下沿大空孔底部裝填的小藥卷拋擲將槽腔內(nèi)的碎塊拋出，形成良好的掏槽效果。實踐上是直接由鑿巖機(jī)的鉆鑿來完成槽腔體積的擴(kuò)大以減少掏槽裝藥量，從而達(dá)到減振目的。

(2)采用分臺階分部微差爆破減振技術(shù)。根據(jù)隧道施工的三臺階四步開挖法掘進(jìn)方案，首先采用了分臺階爆破作業(yè)，上臺階爆破面為小斷面，既減少了整體裝藥量降低爆破振動，又為中下臺階的大斷面爆破開創(chuàng)了隔離空間，有效阻隔了爆破振動上傳至地面。其次采用了分部微差爆破作業(yè)，一～四區(qū)分為四個起爆區(qū)段采用非電毫秒雷管(1～15段)微差起爆，各區(qū)段內(nèi)再根據(jù)計算所確定的最大單次起爆藥量進(jìn)行分區(qū)微差起爆，通過控制同段雷管的用藥量，降低爆破振動速度，充分保證最大爆破振動峰值不超過設(shè)計允許值，達(dá)到安全作業(yè)目的。

(3)采用短進(jìn)尺多循環(huán)工序，減少單次裝藥總量，減少對圍巖的擾動。盡早對圍巖進(jìn)行支護(hù)，封閉

圍巖，最大限度的減少圍巖的暴露露時間，為保護(hù)圍巖的自身穩(wěn)定創(chuàng)造條件。

3.2 大空孔直線掏槽參數(shù)設(shè)計

所采用的大空孔直線掏槽技術(shù)要點為：外圍大空孔、中心裝藥孔、底部大空孔拋擲藥卷，如圖3所示。

圖3 巖面前隧道大空孔直線掏槽設(shè)計圖

具體參數(shù)設(shè)計為：周圍5個直徑80 mm的大空孔均勻分布，中間1個直徑40 mm的裝藥孔，空孔與中心孔的中心距12 cm；其中01號大空孔位于最下方，具有拋碴作用，深度為 110 cm，底部裝藥100 g；02號、03號、04號和05號炮孔深度為80 cm，不裝藥；1號炮孔深度為80 cm，裝藥500 g。

3.3 各分區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計

(1)一區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計。一區(qū)炮孔布置及起爆網(wǎng)路設(shè)計，如圖4所示；一區(qū)爆破參數(shù)如表1所示，1區(qū)共57個孔，合計裝藥9.35 kg。

表1 一區(qū)爆破參數(shù)

(2)二區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計。二區(qū)炮孔布置及起爆網(wǎng)路設(shè)計，如圖5所示；二區(qū)共38個炮孔，合計裝藥6.05 kg，具體參數(shù)如表2所示。

表2 二區(qū)爆破參數(shù)

(3)三、四區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計。三區(qū)炮孔布置及起爆網(wǎng)路設(shè)計如圖6所示；四區(qū)炮孔布置及起爆網(wǎng)路設(shè)計如圖7所示。

圖4 一區(qū)炮孔布置及網(wǎng)路設(shè)計

圖5 二區(qū)炮孔布置及網(wǎng)路設(shè)計

4 結(jié)束語

在巖面前隧道爆破施工中，采用三臺階四步開挖法、短進(jìn)尺多循環(huán)、大空孔直線掏槽等綜合減振技術(shù)進(jìn)行的淺埋隧道下穿民房軟弱圍微振動爆破取得了良好的效果，有效了減少了對隧道上方民房的影響，減少了對周邊圍巖的擾動，提高了公司的安全生產(chǎn)控制能力，規(guī)避了工程風(fēng)險，既產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，也保證了工程的按期完工。