淺談靜力爆破在淺埋大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿高速公路施工中的應(yīng)用

尚寶江

摘要：淺埋大斷面隧道在下穿高速公路開挖過程中，具有較大的安全施工風(fēng)險，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖適用于圍巖較差的V級淺埋大斷面隧道，靜力爆破較傳統(tǒng)鉆爆能夠減少對圍巖的震動擾動，更能夠有效地控制地表沉降，確保高速公路行車安全。

Abstract： There are great safety risks in the construction of expressway under shallow-buried large-section tunnels. The double-side guide pit excavation is suitable for the V-level shallow buried large-section tunnel with poor surrounding rock. Static blasting. compared with the traditional drilling and blasting， can reduce the vibration disturbance to the surrounding rock， and can effectively control the surface settlement and ensure the safe driving of the expressway.

關(guān)鍵詞：雙側(cè)壁導(dǎo)坑；靜力爆破；地表沉降；行車安全

Key words： double side wall guide pit；static blasting；surface settlement；driving safety

中圖分類號：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0126-03

0 引言

隨著交通體系的不斷發(fā)展和完善，新建交通線路和既有交通線路呈現(xiàn)立體交叉結(jié)構(gòu)，即淺埋下穿或橋梁上跨既有線路，淺埋大斷面隧道下穿既有高速公路施工技術(shù)成為重點研究對象。隧道開挖一般采用鉆爆法，根據(jù)圍巖情況，調(diào)整炮孔間距、炮孔深度、裝藥量完成圍巖爆破施工。但常規(guī)爆破會產(chǎn)生振動沖擊波，在一些離周圍建筑物非常近、不能產(chǎn)生大的震動的地方，使用炸藥爆破就存在較大的風(fēng)險，因此這些特殊環(huán)境下需要一種更安全可靠的施工方法——靜力爆破。本文結(jié)合鼓樓隧道實例重點闡述靜力爆破技術(shù)在淺埋大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿高速公路施工中的應(yīng)用，減少對隧道初期支護(hù)的破壞和爆破振動對地層的不利影響，確保高速公路絕對行車安全。

1 依托工程簡介

1.1 基本概況

唐山市中心城區(qū)環(huán)線（二環(huán)路）工程B-13標(biāo)鼓樓隧道位于唐山市開平區(qū)境內(nèi)，下穿唐津高速及開鳳路，交叉處唐津高速公路樁號為K9+540，與唐津高速交叉角度約為53°，隧道內(nèi)頂至唐津高速路面高度14.95m，下穿高速段開挖斷面為164m2，為淺埋大斷面該隧道。該隧道為分離式隧道，兩洞測設(shè)中心線距離為46m，其中南側(cè)隧道長390m，北側(cè)隧道長365m。鼓樓隧道下穿唐津高速段北側(cè)隧道里程樁號為NK0+800-NK0+925，南側(cè)隧道里程樁號為SK0+850-SK0+975；唐津高速公路既是連接我國東北地區(qū)與華東、華南地區(qū)的快速通道，也是天津市東部和天津港對外的高速公路通道。工程處在十分敏感的地段，高速路上車流量大、車速快，為保證下穿段隧道施工期間高速路的絕對行車安全，因此必須降低隧道開挖期間及道路運營后高速公路路面絕對沉降值。

1.2 地質(zhì)情況

下穿唐津高速段隧址范圍內(nèi)圍巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，呈角礫碎石狀，巖層傾向155°，傾角38°，組織結(jié)構(gòu)大部分破壞，風(fēng)化裂隙很發(fā)育。隧道位于原不明礬土礦露采、洞采老采區(qū)，根據(jù)物探報告隧址范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3處采空區(qū)，均位于隧道上覆唐津高速兩側(cè)，不能排除采掘巷道的分布。經(jīng)鉆探，隧址范圍未見地下水。

2 隧道開挖、支護(hù)方法

隧道下穿唐津高速段開挖前施做？準(zhǔn)108洞身大管棚，隧道洞身管棚施工完成后，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖施工，為保證為保證下穿段隧道施工期間高速路的絕對行車安全，北側(cè)隧道樁號NK0+800-NK0+925，南側(cè)隧道樁號SK0+850-SK0+975段采用靜力爆破開挖。

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖、支護(hù)順序：

Ⅰ：導(dǎo)洞超前導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)；

2：左（右）側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖；

Ⅲ：左（右）側(cè)導(dǎo)洞上半斷面初期支護(hù)；

4：左（右）側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖；

Ⅴ：左（右）側(cè)導(dǎo)洞下半斷面初期支護(hù)；

Ⅵ：主導(dǎo)洞超前導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)；

7：主洞上部環(huán)形開挖；

Ⅷ：主洞拱部初期支護(hù)；

9：主洞核心土開挖；

10：主洞仰拱部分開挖；

Ⅺ：主洞仰拱初期支護(hù)。

注：阿拉伯?dāng)?shù)字代表開挖步序，羅馬數(shù)字代表支護(hù)順序。

2.2下穿唐津高速段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序平面圖見圖2

2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工關(guān)鍵控制工序

①施工過程中嚴(yán)格遵循“管超前，嚴(yán)注漿，短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤測量，早封閉”的原則；

②嚴(yán)格控制導(dǎo)洞開挖進(jìn)尺，每循環(huán)進(jìn)尺0.5m；

③嚴(yán)格控制臺階長度，確保安全步距滿足要求；

④側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)臨時支撐鋼拱架在主洞初期支護(hù)封閉成環(huán)后才能拆除。

3 靜力爆破施工方法

3.1 靜力爆破劑破碎原理

①靜力爆破劑進(jìn)行破碎的機(jī)理主要是靠破碎劑在被破碎體內(nèi)發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)和物理變化而使晶粒變形、溫度升高、體積膨脹，以致逐漸增大對孔壁的靜膨脹壓力作用，使介質(zhì)產(chǎn)生龜裂而解體，靜力膨脹破碎法也稱靜力迫裂和靜力破碎技術(shù)。

②巖石或混凝土等脆性介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，巖石的抗拉強(qiáng)度約為 5～10MPa，混凝土的抗拉強(qiáng)度約為 20～60MPa。通常無聲破碎劑的膨脹壓力可達(dá) 30～50MPa，當(dāng)炮孔中的靜力爆破劑發(fā)揮作用時，炮孔周圍介質(zhì)產(chǎn)生周向拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力值超過介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度時，炮孔之間便產(chǎn)生裂隙，隨著膨脹壓力的增加，裂隙逐步擴(kuò)展成裂縫，繼而導(dǎo)致介質(zhì)破壞。

③靜力爆破劑是以特殊硅酸鹽、氧化鈣為主要原料，配合其他有機(jī)、無機(jī)添加劑而制成的粉狀物質(zhì)，典型的化學(xué)反應(yīng)式為：CaO+H2O→Ca（OH）2+6.5×104J 式中，CaO—氧化鈣；H2O—水；Ca（OH）2—氫氧化鈣；J—焦（熱量單位）。當(dāng)氧化鈣變成氫氧化鈣時，其晶體由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)三方偏三角面體，這種晶體的轉(zhuǎn)化，會引起晶體體積的膨脹。根據(jù)測定，在自由膨脹的前提下，反應(yīng)后的體積可增長 3～4 倍，其表面積也增大近 100 倍，同時每 mol 還釋放出 6.5×10 J 的熱量。如果將它注入炮孔內(nèi)，這種膨脹受到孔壁的約束，壓力可上升到 50MPa，介質(zhì)在這種壓力作用下會產(chǎn)生徑向壓縮應(yīng)力和切向的拉伸應(yīng)力。

3.2 0靜力爆破設(shè)計方案

下穿唐津高速段V級圍巖靜力爆破鉆孔布置如圖3所示。

圖中：①鉆孔直徑為50mm。

②周邊眼間距為0.25m，輔助眼間距0.4m，凌空面0.9m*1.5m。

③爆破順序按照V級圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分七部施工。

④凌空面3個，周邊眼186個，輔助眼1106個，共計1292個。

3.3 靜力爆破施工工藝及關(guān)鍵控制點

3.3.1 靜力爆破法施工包括如下步驟：

①設(shè)計布孔及鉆孔。

1）開挖之前用鉤機(jī)將掌子面碎石清理干凈；

2）在開挖左右導(dǎo)洞上臺階和主導(dǎo)洞上臺階時，鉆孔前需用炮錘開挖一個0.9m*1.5m凌空面，深度0.8m；

3）按靜力爆破設(shè)計方案布設(shè)炮孔；

4）鉆孔：鉆孔直徑采用 50mm 的鉆頭，周邊和輔助眼深度0.8m，在鉆孔內(nèi)余水和余渣應(yīng)用高壓風(fēng)吹洗干凈，孔口旁干凈無土石渣。

②裝藥。

1）向下和向下傾斜的眼孔，裝藥步驟如下：

在藥劑中加入重量百分比為：22-32%的水拌成流質(zhì)狀態(tài)后，迅速倒入孔內(nèi)并確保藥劑在孔內(nèi)處于密實狀態(tài)；用藥卷裝填鉆孔時，應(yīng)逐條捅實。

2）水平方向和向上方向的鉆孔，裝藥步驟如下：

用比鉆孔直徑略小的高強(qiáng)長纖維紙袋裝入藥劑，按一個操作循環(huán)所需要的藥卷數(shù)量，放在盆中，倒入潔凈水完全浸泡，30-50 秒藥卷充分濕潤、完全不冒氣泡時，取出藥卷從孔底開始逐條裝入并捅緊，密實地裝填到孔口。

3.3.2 靜力爆破施工關(guān)鍵控制點

①靜力爆破施工時掌子面至少留有1個凌空面，以免四周擠著不好漲開，影響破碎效果。

②在施工中周邊眼間距過大，導(dǎo)致破碎效果不理想，因邊上鋼拱架阻礙，用挖機(jī)處理起來相當(dāng)困難，因此，要嚴(yán)格按爆破設(shè)計控制周邊眼間距。

③經(jīng)試驗，藥劑反應(yīng)中拌合水溫度控制在15℃-20℃，反應(yīng)時間2-8小時，如溫度過高，藥劑反應(yīng)過快，在裝藥過程中已裝好藥的起反應(yīng)，出現(xiàn)了噴孔現(xiàn)象；如水溫過低，藥劑反應(yīng)時間過長，超過10小時，影響工序循環(huán)。

控制藥劑反應(yīng)時間的方法為：在拌合水中加+入抑制劑或者嚴(yán)格控制拌和水、干粉藥劑和巖石的溫度；抑制劑為葡萄糖酸鈉緩凝劑，抑制劑加入量為拌合水的 0.5%-6%。

④裝填炮孔時，藥卷要搗實，孔口要用炮泥堵孔。

3.3.3 靜力爆破施工安全防護(hù)措施

①靜爆劑漿體略有腐蝕性，操作人員必須戴手套、防護(hù)眼鏡及口罩，工作完畢應(yīng)及時洗臉洗手，以防堿性刺激皮膚。

②在灌漿到到裂縫出現(xiàn)前，不得近距離直視孔口，以防發(fā)生噴孔現(xiàn)象，傷害眼睛。

③因洞內(nèi)施工，必須保證施工照明，施工現(xiàn)場設(shè)置專職安全防護(hù)人員，如經(jīng)理破碎時發(fā)生異常情況，必須停止作業(yè)，查清原因并采用相關(guān)措施后，方可繼續(xù)施工。

3.4 地表沉降觀測和圍巖監(jiān)控量測

3.4.1 地表沉降點布設(shè)

本工程專門對隧道下穿高速公路起點和終點四個關(guān)鍵風(fēng)險點進(jìn)行沉降檢測。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，每個斷面隧道中心線地表布設(shè)一點，沿隧道中心線分別向兩側(cè)間隔5m布設(shè)一點，共11點。加密風(fēng)險源處監(jiān)控布點測點分布及監(jiān)測情況如表1、圖4所示。

3.4.2 洞內(nèi)拱頂沉降和凈空收斂點布設(shè)

拱頂下沉測點和凈空變化測點布置在同一斷面上。測點應(yīng)盡量對稱布設(shè)，即“同面等高”，以便數(shù)據(jù)的相互驗證。水平收斂點位布設(shè)在拱架連接板以上0.5-1m的位置。測點間距誤差不能大于一榀鋼架的間距。測點布置如圖5所示。

3.4.3 觀測數(shù)值

經(jīng)累計觀測，下穿高速段左線地表沉降最大值19.34mm，右線地表沉降最大值19.1mm；隧道洞內(nèi)拱頂最大沉降值12.2mm，最大凈空收斂值14.5mm，均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

在鼓樓隧道下穿唐津高速公路施工過程中，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將大斷面隧道開挖分成7個小斷面用靜力爆破方式進(jìn)行開挖，減少了對周邊圍巖的擾動和爆破振動對高速公路行車的影響，將高速公路路面最大沉降值控制在2cm內(nèi)，于2017年11月份安全穿過唐津高速，確保了高速公路行車安全。施工過程中，經(jīng)對鉆孔間距、角度、深度和破碎藥劑溫度不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，靜力爆破取得了較好的爆破效果，碎渣尺寸20～40cm，可直接裝車運輸，具有較好可操作性，對淺埋大斷面隧道下穿重要結(jié)構(gòu)物施工有很好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊林德.公路施工手冊隧道[M].人民交通出版社，2011，07.

[3]由唐山規(guī)劃建筑設(shè)計研究院設(shè)計的鼓樓隧道工程施工圖紙.