緊鄰鐵路既有線隧道明洞開(kāi)挖控制爆破施工技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：介紹在山體陡峻且地表橫坡大、山體表面危巖落石發(fā)育、緊靠鐵路既有線且既有線位于施工地點(diǎn)下方等不利施工條件因素下，隧道明洞深基槽開(kāi)挖通過(guò)采取階梯深孔微差控制松動(dòng)爆破技術(shù)，并輔以主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)等安全技術(shù)措施，有效地解決了開(kāi)挖爆破作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的飛石和震動(dòng)引起山體表面危巖運(yùn)動(dòng)落入施工區(qū)和既有鐵路線內(nèi)的問(wèn)題，保證了施工及既有線上列車運(yùn)營(yíng)安全。

關(guān)鍵詞：鐵路；既有線；隧道；明洞；開(kāi)挖；控制爆破

一直以來(lái)，鐵路運(yùn)輸安全管理都是各級(jí)鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門的重中之重。在鐵路既有線旁邊進(jìn)行構(gòu)造物，深基槽石方開(kāi)挖爆破作業(yè)，稍有不慎，將使開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的飛石輕者落入既有線內(nèi)阻礙車輛正常運(yùn)行，重者或損壞鐵路既有線上運(yùn)營(yíng)設(shè)備造成運(yùn)營(yíng)中斷，或直接砸向正在行駛過(guò)的列車造成車輛損壞和人員傷亡，其施工安全隱患非常巨大。

我單位在新建鐵路云桂線（廣西段）重點(diǎn)控制工程那吉隧道出口明洞基槽石方爆破開(kāi)挖施工中，從爆破控制技術(shù)和防護(hù)措施上等方面著手，克服了山體陡峻、地表橫坡大、山體表面危巖落石發(fā)育、緊靠南昆鐵路既有線且既有線位于施工地點(diǎn)下方等不良地形地貌、工程地質(zhì)和附近地物因素的影響，規(guī)避了施工對(duì)既有線所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

新建鐵路云桂線（廣西段）重點(diǎn)控制工程那吉隧道全長(zhǎng)7645m，出口明洞起訖里程為DK131+980～DK132+450，長(zhǎng)470m，開(kāi)挖深度在10～32m左右。明洞所處位置山體很高，地形起伏劇烈，險(xiǎn)峻陡峭，地勢(shì)由西北方向東南方向傾斜，即呈右高左低的地貌，地表橫坡在45°～75°之間。明洞左側(cè)緊鄰南昆鐵路既有線，線路走向基本與既有線平行，與既有線相距100～120m，新建鐵路隧道明洞位于地勢(shì)較高處，其高程比南昆鐵路既有線高約70～100m。

隧道穿越山體巖性為三疊系中統(tǒng)果化組上段（T2g3）灰?guī)r，淺灰～青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，中～厚層狀，質(zhì)堅(jiān)、性脆、致密、堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部較破碎，呈碎塊狀結(jié)構(gòu)。山體表面基巖裸露，由于巖性為可溶性巖，地表溶蝕較強(qiáng)，出露的灰?guī)r由于不斷被溶蝕結(jié)構(gòu)面和和節(jié)理結(jié)構(gòu)面切割、分離，巖體完整性較差，部分已成孤石，在險(xiǎn)峻陡峭的山體地形條件下成為危巖，危巖中等發(fā)育，危巖運(yùn)動(dòng)以落石形式發(fā)生，崩坍形式次之。

2 爆破施工應(yīng)重點(diǎn)控制和注意的幾個(gè)問(wèn)題

從本隧道出口明洞所處位置的地形地貌、工程地質(zhì)、山體表面危巖落石發(fā)育情況及與南昆鐵路既有線相對(duì)位置的關(guān)系上看，爆破施工應(yīng)重點(diǎn)控制和注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）隧道明洞開(kāi)挖爆破緊靠南昆鐵路既有線，間距小，高差大，既有線上行車密度高，接觸網(wǎng)、通信電纜等復(fù)雜，防止爆破飛石對(duì)其進(jìn)行破壞。爆破施工時(shí)盡量不產(chǎn)生飛石，或只出現(xiàn)個(gè)別零星的小飛石，且飛行距離較近。

（2）爆破震動(dòng)易引起山體表面危巖運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的危巖以滾石的形式順陡峭的山體表面順勢(shì)而下落入既有線內(nèi)，破壞鐵路線路、接觸網(wǎng)和通信設(shè)施，影響列車行車安全及正常運(yùn)行；或者落入正在開(kāi)挖的塹槽內(nèi)，傷害正在作業(yè)的人或機(jī)械設(shè)備。因此，施工中應(yīng)盡量減少石方開(kāi)挖爆破作業(yè)時(shí)震動(dòng)的影響，使之不能引起山體表面大量的危巖產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)形成落石；

（3）此處爆破方量大，爆破頻率高，施工時(shí)間長(zhǎng)，為以防萬(wàn)一，還應(yīng)考慮山體表面危巖在爆破震動(dòng)影響下如何防止運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)后如何進(jìn)行有效的防護(hù)，以及爆破時(shí)如何防護(hù)以抑制產(chǎn)生飛石的問(wèn)題。

3 施工方案的確定

為達(dá)到上述目的，根據(jù)本隧道出口明洞基槽開(kāi)挖斷面的尺寸，施工技術(shù)總體指導(dǎo)思想確定為：采用階梯控制爆破方法，控制技術(shù)手段為通過(guò)減少一次同時(shí)起爆裝藥量的措施，來(lái)達(dá)到降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度和減少爆破作業(yè)產(chǎn)生飛石的目的。

一次同時(shí)起爆裝藥量的減少?gòu)囊韵露€(gè)方面考慮：一是爆破所采取的技術(shù)，采用的爆破技術(shù)不同，一次同時(shí)起爆裝藥量亦不相同，鉆爆設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用一次同時(shí)起爆裝藥量最少的爆破技術(shù)；二是在所采取爆破技術(shù)本身來(lái)尋求減少一次同時(shí)起爆裝藥量的方法，從目前國(guó)內(nèi)范圍土建工程施工爆破所采用的技術(shù)上來(lái)看，階梯爆破一次同時(shí)起爆裝藥量的減少主要通過(guò)微差控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用微差技術(shù)控制不同排間炮孔先后起爆順序以減少一次同時(shí)起爆裝藥量。

基于此，我們研究制定了以下施工方案：

3.1 開(kāi)挖控制爆破方案

采用階梯深孔微差控制松動(dòng)爆破，利用微差爆破技術(shù)嚴(yán)格控制一次齊爆裝藥量，以控制爆破震動(dòng)強(qiáng)度和飛石最大飛行安全距離。爆破開(kāi)挖臨空面選擇盡量避開(kāi)面向既有線方向，以控制飛石飛行方向。當(dāng)開(kāi)挖臨空面無(wú)法回避，只能面向既有線，以傳統(tǒng)炸藥爆破技術(shù)手段無(wú)法解決既有線施工所面臨的問(wèn)題時(shí)，采用挖掘機(jī)帶破碎錘進(jìn)行施工。

3.2 安全防護(hù)方案

為有效防止山體危巖形成落石后滾入既有線或明洞段開(kāi)挖溝槽內(nèi)以及爆破產(chǎn)生飛石飛入既有線內(nèi)造成重大安全事故，在實(shí)施隧道明洞段開(kāi)挖控制爆破時(shí)，所采取的安全防護(hù)措施如下：

（1）施工前對(duì)山體表面危巖進(jìn)行詳細(xì)排查，并對(duì)危石采取清除、支頂、嵌補(bǔ)等加固措施，以減少危巖運(yùn)動(dòng)發(fā)生落石、崩塌形式的概率。

（2）對(duì)于上述措施難以實(shí)施但又十分危險(xiǎn)的危巖，采取設(shè)置主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)加以約束。

（3）在山體坡面危石來(lái)源側(cè)隧道明洞開(kāi)挖邊坡外2m處設(shè)置一道6m高被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，以阻攔危巖落石滾入南昆鐵路既有線或明洞開(kāi)挖溝槽內(nèi)。

（4）為防止隧道明洞爆破開(kāi)挖飛石飛入南昆鐵路既有線內(nèi)，采取遮擋和覆蓋的措施進(jìn)行防護(hù)。遮擋的措施為在靠近既有線側(cè)隧道明洞邊坡外2m設(shè)置一道10m高鋼管排架并掛設(shè)竹排進(jìn)行防護(hù)，為提高鋼管腳手架的利用率，開(kāi)挖一段，搭設(shè)防護(hù)一段，周轉(zhuǎn)重復(fù)使用。覆蓋的措施為爆破時(shí)在炮口上面蓋設(shè)炮被。

本隧道出口明洞開(kāi)挖爆破施工安全防護(hù)設(shè)置方案見(jiàn)圖1所示。

4 主要施工技術(shù)

4.1 階梯深孔微差松動(dòng)控制爆破

4.1.1 爆破階梯深孔松動(dòng)爆破參數(shù)

緊鄰既有線隧道明洞開(kāi)挖爆破炮孔布置分為主炮孔、預(yù)裂爆孔和邊炮孔，緊鄰隧道明洞開(kāi)挖邊坡的炮孔為預(yù)裂孔，中間的炮孔為主炮孔，靠近既有線一側(cè)的一列炮孔為邊炮孔。階梯深孔松動(dòng)爆破施工示意見(jiàn)圖2所示，爆破參數(shù)選擇見(jiàn)表1所示。

4.1.2 深孔松動(dòng)爆破施工裝藥量計(jì)算

①單位巖石體積耗藥量q：q=K標(biāo)×F（n）×f，K標(biāo)=0.37×ρ3/2，F(xiàn)（n）=﹝（4+3n）/7﹞3，

式中：q—單位巖石體積耗藥量，kg/m3；，

K標(biāo)—標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗單位耗藥量，kg/m3；

F（n）—爆破作用函數(shù)；

ρ—巖石密度，取2.4～2.65g/m3；n—爆破作用指數(shù)，松動(dòng)爆破n≤0.75；f—臨空面修正系數(shù)，取0.8～1.2，當(dāng)臨空面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際最小抵抗線W值小于設(shè)計(jì)值時(shí)，f<1；當(dāng)臨空面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際最小抵抗線W值大于設(shè)計(jì)值時(shí)，f>1。

②單孔裝藥量Q

主炮孔距臨空面第一排孔單孔裝藥量Q：Q=qHaw；主炮孔其它炮孔單孔裝藥量Q：Q=qHab。邊炮孔、預(yù)裂孔單孔裝藥量Q：邊炮孔、預(yù)裂孔單孔裝藥量為主炮孔裝藥量的0.7～0.8。

4.2 微差爆破控制技術(shù)

根據(jù)爆破震動(dòng)效應(yīng)減弱和爆破飛石飛行距離原理，通過(guò)微差控制一次齊爆破裝藥量，將有效地降低地震效應(yīng)和減少飛石飛行距離，并隨著微差段數(shù)增加的數(shù)量越多，一次齊爆炸藥的裝藥量就越少，降低震動(dòng)影響效果和減少飛石飛行距離就越好。

微差控制爆破布孔、起爆順序主要有以下幾種方案：

方案1：規(guī)則眼，排間微差；方案2：梅花眼，排間微差；方案3：梅花眼，大斜眼微差起爆；方案4：梅花眼，正方形眼，楔形微差起爆；方案5：規(guī)則眼，孔間、排間微差起爆。具體微差控制爆破布孔、起爆順序見(jiàn)圖3。

4.3 爆破震動(dòng)強(qiáng)度控制

為了防止爆破震動(dòng)地震效應(yīng)引起山體表面危巖運(yùn)動(dòng)形成落石，故將本隧道明洞段開(kāi)挖爆破地震波作用距離控制在20～30m。爆破震動(dòng)控制，采用薩道夫斯基公式：R=（K/V）1/α×Q1/3，

式中：R—爆破振動(dòng)安全允許距離（m）；K—爆破點(diǎn)與計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，堅(jiān)硬巖石K=50～150，中硬巖石K=150～250，軟巖石K=250～350；V—保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度（cm/s），V=2.3～2.8cm/s。α—爆破點(diǎn)與計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)，堅(jiān)硬巖石α=1.3～1.5，中硬巖石α=1.5～1.8，軟巖石α=1.8～2.0；Q—炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量（kg）。

4.4 爆破飛石最大安全距離控制

爆破飛石最大飛行安全距離控制根據(jù)隧道所處位置與既有線相對(duì)關(guān)系確定。根據(jù)本隧道出口明洞所處位置與既有線相對(duì)距離和地表橫坡因素，開(kāi)挖爆破個(gè)別爆破飛石最大飛行距離控制在10～15m，按下式進(jìn)行計(jì)算：Rf=20×Kf×n2×W，

式中：Rf—個(gè)別爆破飛石最大控制安全距離；Kf—與地形、地質(zhì)、氣候及藥包埋深深度有關(guān)的安全系數(shù)，一般取用1.0～1.5，風(fēng)速大且順風(fēng)時(shí)，或山間、埡口地形時(shí)，取用1.5～2.0；n—爆破作用指數(shù)，小藥量松動(dòng)爆破作用指數(shù)n≤0.75；W—最大藥包的最小抵抗線。

4.5 安全防護(hù)工程

4.5.1 主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)

（1）技術(shù)要求

①縱橫交錯(cuò)的Φ16支撐繩與4.5m×4.5m正方形布置的錨桿相連接。

②支撐繩構(gòu)成的每個(gè)4.5m×4.5m網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)一張4.0m×4.0m的D0/08/300型鋼繩網(wǎng)，并與四周支撐繩間用縫合繩聯(lián)結(jié)并進(jìn)行預(yù)張拉。

③在鋼絲繩下鋪設(shè)網(wǎng)孔為50mm×50mm的4.0m×4.0m鋼絲格柵，以阻止小尺寸巖塊的塌落。

（2）工作內(nèi)容

①山體坡面防護(hù)區(qū)浮土、浮石及植被清除；②鉆孔、注漿并插入錨桿；③安裝橫縱向支撐繩；④鋪設(shè)鋼絲格柵；⑤鋪設(shè)鋼繩網(wǎng)并縫合。

4.5.2 被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)

（1）系統(tǒng)構(gòu)件技術(shù)要求

①鋼絲繩：公稱抗拉強(qiáng)度不小于1770MPa，熱鍍鋅為AB級(jí)。

②高強(qiáng)度鋼網(wǎng)繩：抗錯(cuò)動(dòng)力≥5KN，抗脫落力≥10KN，鋼繩網(wǎng)的形狀應(yīng)為菱形，采用D0/08/200型。

③格柵網(wǎng)：編制的格柵網(wǎng)的鋼絲應(yīng)滿足GB/T343或YB/T4026的要求。

④減壓環(huán)：?jiǎn)?dòng)荷載應(yīng)介于其相連的鋼絲繩最小斷裂拉力的10%～70%。

⑤鋼柱：采用雙拱增強(qiáng)型預(yù)應(yīng)力鋼柱，采用熱鍍鋅防腐處理。

（2）施工順序及工作內(nèi)容

①測(cè)量定位；②基礎(chǔ)混凝土澆筑；③鋼柱安裝；④預(yù)應(yīng)力鋼柱拉錨繩安裝；⑤上支撐繩安裝；⑥鋼繩網(wǎng)安裝及縫合；⑦格柵安裝及固定；⑧設(shè)置中間拉繩。

4.5.3 雙排鋼管腳手架掛設(shè)竹排

雙排鋼管腳手架掛設(shè)竹排由鋼管、竹排、防護(hù)網(wǎng)、鋼筋地錨、拉錨繩和扣件等構(gòu)件組成。排架高度為10m左右，鋼管規(guī)格為Ф50×3.5mm。立桿平面布置間距為橫×縱=1.0～1.5m×1.0～1.5mm，橫桿步距為1.0～1.5m，為保證雙層鋼管排架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在排架內(nèi)部設(shè)置剪力撐，沿排架縱向每5個(gè)立桿間距設(shè)置一道剪力撐，并與排架立桿、橫桿以十字交叉扣件連接牢固；在排架表面設(shè)置十字撐，其設(shè)置方式與剪力撐基本相同。排架內(nèi)側(cè)綁扎竹排，外側(cè)掛防護(hù)網(wǎng)，并以8號(hào)鐵絲與排架鋼管固定。其施工順序?yàn)榇钤O(shè)雙排鋼管排架→釘設(shè)地錨→拉拉錨繩固定。

4.5.4 炮被覆蓋

用于防止飛石炮口覆蓋的材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、彈性和韌性，不易折斷。比較有效的方法是三層覆蓋。

第一層：草席、草墊、荊笆或砂袋，干濕均可；第二層：廢舊輪胎簾，用廢舊輪胎編成?；蛴弥衽派细裁薇?。第三層：帆布，其尺寸應(yīng)稍大些，并用鐵絲或繩索拉緊和固定。

5 結(jié)語(yǔ)

在緊鄰鐵路既有線進(jìn)行隧道明洞或深路塹爆破開(kāi)挖工程技術(shù)難度很大，稍有不慎，極易引起山體表面危巖及爆破飛石落入既有線內(nèi)，后果很難想象。在此條件下進(jìn)行爆破施工，主要掌握以下幾點(diǎn)：

施工前，結(jié)合作業(yè)點(diǎn)地形地貌、工程地質(zhì)及附近地物情況，制定切合實(shí)際且行之有效的控制爆破鉆爆設(shè)計(jì)。嚴(yán)格控制鉆孔精度和裝藥量是施工成敗的關(guān)鍵。充分考慮足施工中存在的主要問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)估，一一對(duì)應(yīng)做好有效的安全防護(hù)技術(shù)措施。

由于我單位在新建云桂鐵路（廣西段）標(biāo)段管區(qū)線路走向基本與南昆鐵路既有線平行，大部分地段緊鄰既有線，為保證既有線運(yùn)營(yíng)安全，在那吉隧道出口明洞開(kāi)挖控制爆破施工取得成功的基礎(chǔ)上，將其施工過(guò)程中運(yùn)用的階梯深孔微差控制松動(dòng)爆破技術(shù)、靠既有線側(cè)搭設(shè)鋼管排架并掛竹排遮擋以及炮口覆蓋炮被等安全防護(hù)措施，應(yīng)用至工程地質(zhì)條件與其類似的DK123+600～DK123+820段深路塹開(kāi)挖施工中去。無(wú)論是在那吉隧道出口明洞，還是在DK123+600～DK123+820段深路塹，由于控爆技術(shù)方案選用合理，安全防護(hù)措施應(yīng)用得當(dāng)，整個(gè)開(kāi)挖爆破施工過(guò)程均為發(fā)生一起山體表面危巖、爆破飛石落入或飛進(jìn)鐵路既有線的情況，較好地保證了鐵路既有線運(yùn)行安全。

通過(guò)那吉隧道出口明洞以及DK123+600～DK123+820段深路塹爆破開(kāi)挖施工實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，露天臺(tái)階深孔松動(dòng)爆破抑制飛石產(chǎn)生的效果明顯好于淺孔爆破，為今后類似工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：徐光遠(yuǎn)（1971.02- ），男，遼寧大連人，本科，中交隧道工程局有限公司，工程師，研究方向：土木工程施工和技術(shù)管理。