緊鄰既有隧道的新建鐵路隧道控制爆破技術(shù)探析

崔文濤

摘要：緊鄰既有公路隧道進行新建鐵路隧道的爆破掘進時，爆破對既有隧道襯砌等建筑設(shè)施造成危害，從而影響了公路隧道的安全運營。本項目施工時對控制隧道掘進爆破振動的技術(shù)措施進行了研究及探索，通過采用中空大直掏槽眼、調(diào)整開挖順序、微差爆破、預裂切縫等減振技術(shù)及方法，并對爆破震動進行嚴密監(jiān)測，以確保既有公路隧道的結(jié)構(gòu)安全。

Abstract： In excavation blasting construction of railway tunnel adjacent to the existing highway tunnel， blasting will harm existing tunnel lining and other construction facilities， thus affecting the safe operation of highway tunnel. In the construction of this project， technical measures to control the blasting vibration in tunnel excavation are studied and explored， through the use of a large hollow straight cut hole， adjusting the excavation sequence， millisecond blasting， presplit seam mitigation and other techniques and methods for vibration attenuation， close monitoring of blasting vibration has been taken to ensure the safety of the existing highway tunnel structure.

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；控制爆破；緊鄰既有隧道；震動控制；震動監(jiān)測

Key words： railway tunnel；controlled blasting；adjacent to existing tunnel；vibration control；vibration monitoring

中圖分類號：U455.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0105-03

0 引言

隨著社會建設(shè)的發(fā)展，越來越多公路、鐵路及市政項目得以修建，在緊鄰既有建（筑）物、設(shè)施旁進行新建隧道的爆破掘進也就愈加常見。因爆源距既有隧道非常近，隧道掘進爆破的巨大振動引起既有建（筑）物、設(shè)施損壞等現(xiàn)象時有發(fā)生。但如果在隧道施工時，為了滿足安全要求，簡單采取過于保守的爆破震動控制措施，無疑會嚴重降低施工效率、增加施工成本及延長施工工期，是極不合理的。因此，探索如何有效控制爆破震動而不大幅降低施工效率顯得尤為重要。

1 項目概況

新建鐵路鄭州至萬州線棲霞隧道，位于重慶市云陽縣棲霞鎮(zhèn)境內(nèi)，起訖里程DK765+935～DK773+558，全長7623m，最大埋深371m。棲霞隧道洞身DK770+195～435段下穿渝宜高速公路隧道，棲霞隧道拱頂與公路隧道底面高差約23m。

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌，地形連綿起伏，溝壑縱橫，多形成深溝，陡坡地形，斜坡基巖出露較好。區(qū)內(nèi)地面坡度一般20～65度，局部有陡坡、陡崖，植被較發(fā)育。地表上覆第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、坡洪積層（Q4dl+pl）卵石土、坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土及粗角礫土、崩坡積層（Q4dl+col）碎石土和滑坡堆積層（Q4del）粉質(zhì)黏土，下伏三疊系上統(tǒng)須家河組（Txi）砂巖夾頁巖，中統(tǒng)巴東組四段（T2b4）、砂巖夾頁巖，中統(tǒng)巴東組四段（T2b4）泥質(zhì)砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r巴東組三段（T2b3）泥質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r、頁巖巴東組二段（T2b2）泥巖夾砂巖巴東組一段（T2b1）自云巖、泥灰?guī)r夾泥巖，圍巖整體性較好，基本為Ⅲ級圍巖。隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水與巖溶水。

2 安全辨識、排查及風險分析、評估

渝宜高速公路隧道于2014年建成通車，我方在施工前查閱了公路隧道的工程竣工資料及質(zhì)量檢測資料，資料表明，此隧道在鐵路隧道施工影響的范圍內(nèi)，在掘進施工時曾發(fā)生過一次塌方事故，塌方量為2300m3。

并與公路管理單位共同對爆破掘進影響段的公路隧道進行了調(diào)查，采用攝像、拍照等方式詳細記錄的橫裂縫，裂縫寬0～3mm，并有點滴狀滲水。施工前采用襯砌裂縫砂漿貼片進行了標識。

由調(diào)查可知，此段公路隧道掘進時出現(xiàn)塌方等質(zhì)量事故，且其所施工的襯砌也存在質(zhì)量問題。在鐵路爆破掘時，過大振動使公路隧道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞的安全風險較大。故需采取控制爆破技術(shù)，將爆破振動控制在安全范圍內(nèi)，避免公路隧道免受爆破振動的危害。

按《爆破安全作業(yè)規(guī)程》規(guī)定，普通隧洞的安全振動速度值為10～15cm/s，但考慮到既有隧道的現(xiàn)狀，為確保安全，經(jīng)綜合分析及評估，將安全振動速度值設(shè)為2.5cm/s。

3 最大裝藥量計算

本項目鐵路隧道與公路隧道的最近距離為23m，經(jīng)安全評估，要求安全振動速度值不能超過2.5cm/s。按《爆破安全規(guī)程》GB6722-2011中的薩道夫斯基公式計算本隧道爆破單段最大裝藥量。

Q=R3（V/K）3/α（1）

式中：Q為隧道爆破時允許的單段最大裝藥量，單位為kg；R為鐵路隧道與公路隧道的垂直最短距離，單位為m；V為公路隧道所在地質(zhì)點允許的振動速度，單位為cm/s；K、α分別為與鐵路隧道和公路隧道之間地形、地質(zhì)狀況所決定的系數(shù)和衰減系數(shù)，

式（1）中R取23m；V取2.5cm/s；按《爆破安全規(guī)程》GB6722-2011中的建議值，介質(zhì)系數(shù)取250，衰減系數(shù)α取1.8。將取值代入公式計算得：

Q=233×（2.5/250）3/1.8=5.65kg

計算結(jié)果表明，隧道掘進爆破時單段最大裝藥量不能超過5.65kg，方能確保公路隧道的受振安全。

以上計算所得單段最大裝藥量作為爆破起爆方案網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的依據(jù)，但實際進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計算時，在滿足單段最大裝藥量的要求下，還盡量減少爆破振動，以避免因不可預計因素而出現(xiàn)公路隧道病害。

4 爆破掘進方案及減振技術(shù)措施

4.1 爆破掘進方案及振動控制措施

因新建鐵路隧道與既有公路相隧道鄰較近，為了達到減小爆破振動的目的，關(guān)鍵是需對單段爆破掘進的裝藥規(guī)模進行控制，本項目為雙線隧道，隧道斷面較大，如果采用全斷面法或是上下臺階法進行掘進，則裝藥量過大，達到不控制振動的目的，因此本項目將斷面劃分為面積基本相同的四個分區(qū)，依次進行爆破掘進。如圖1所示。

4.2 采用小循環(huán)進尺

在分區(qū)的同時，也采用1.0m小循環(huán)進尺，其裝藥量也相對少了許多，能夠很好地降低爆破振動。

4.3 采用大孔徑中空直眼掏槽

通常進行隧道爆破掘進時，采用楔形掏槽，雖然周邊眼及掘進眼因炮眼數(shù)量多而裝藥量較大，但可通過分段別起爆而控制了齊爆藥量?？墒翘筒垩坌枰淮纹鸨?，故掏槽眼單段起爆裝藥量往往成為控制值。因此需采取技術(shù)措施重點減少其裝藥量。

本項目通過采用大孔徑中空掏槽孔的技術(shù)方法，即在掏槽眼的中部位置采用管棚鉆機鉆4個？準110mm的大孔徑中空孔，人為地為掏槽眼增加了更多的臨空面，使得掏槽眼裝藥量得到有效降低，從而減少了爆破振動。經(jīng)試爆，在采用大孔徑中空掏槽孔的技術(shù)措施情況下，掏槽眼齊爆裝藥量從5.8kg降低至3.6kg。

大孔徑中空直眼掏槽方式結(jié)構(gòu)見圖2所示。

4.4 預裂切縫減振爆破技術(shù)

沿隧道開挖輪廓線，進行密集鉆孔和間隔裝藥（即2個裝藥孔中間有一不裝藥的空孔，空孔起到切縫導向的作用）。預先起爆后，沿隧道開挖輪廓線形成切割縫的控爆技術(shù)。

本項目預裂切縫的炮眼間距為20cm，深度為120cm，由于導向孔的存在，切割爆破也可分段起爆，以達到降低爆破振動的目的。

工程實踐經(jīng)驗表明，形成完整封閉的切割縫可使隧道掌子面的爆破振動速度降低30%左右。

4.5 采用微差控制爆破技術(shù)

掘進采用微差控制爆破，控制一次齊爆裝藥量，以達到降低爆破振速的目的。目前使用的非電毫秒雷管的1～7段中相鄰段別的延時時間為50s，超過7段的相鄰段別的延時時間大于50s，爆破實踐表明，起爆延時超過50s后爆破產(chǎn)生的振動基本不疊加，故本隧道爆破時，雷管1～7段跳段使用，大于7段按順序使用。

4.6 炮眼水壓封堵

為了更進一步減少爆破的振動，本隧道掘進還采用了水壓封堵爆破法。

通常炮眼的堵塞采用炮泥，但本項目在炮眼炸藥段的前后用不壓縮的水（用跟炮眼直徑相同的袋裝水袋）進行堵塞。水袋封堵不僅能夠提升爆破效果，還能有效降低爆破的振動。以往實踐施工的測試表明，水壓封堵爆破法可以降低爆破振動速度9%左右。炮眼水袋封堵結(jié)構(gòu)見圖3所示。

5 爆破參數(shù)設(shè)計

5.1 周邊眼設(shè)計

周邊眼為預裂切縫，以減少振動的爆破技術(shù)，周邊眼間距為40cm，深度為1.2m，中間加鉆不裝藥的空孔。裝藥量為單孔0.15kg。

周邊眼預先起爆，總裝藥孔數(shù)為54個，為了降低爆破振動，分1、3、5共三個段別進行起爆，每次起爆的炮眼為18個，最大齊爆裝藥量為2.7kg。

5.2 掏槽眼設(shè)計

采用大孔徑中空直眼掏槽，共有裝藥炮眼8個，分1、3共兩個段別進行起爆，單孔裝藥量0.9kg，每次起爆的炮眼為4個，最大齊爆裝藥量為3.6kg。

掏槽孔爆破參數(shù)設(shè)計如表1所列。

5.3 掘進孔設(shè)計

為了減少爆破振動，本隧道全斷面分成4個區(qū)域，按次序進行掘進，每個區(qū)域間實微差控制爆破，炮眼基本間距為80cm，單孔裝藥量根據(jù)爆破時的臨空面情況按0.35kg、0.40kg、0.42kg等進行裝藥，隧道掘進齊爆裝藥量最大為B區(qū)域的13段，共12個炮眼，裝藥量為4.2kg。滿足不超過5.65kg的設(shè)計要求。掘進孔爆破參數(shù)設(shè)計如表1所列。

說明：總斷面積為140.5m2，周邊預裂切割炮孔（含不裝藥空孔）107個，掘進及掏槽孔炮孔219個；單位面積炮孔數(shù)量為2.32個/m2.

6 爆破振動監(jiān)控量測

在鄰近既有公路隧道段施工時，委托了重慶一家具有相應(yīng)爆破振動檢測資質(zhì)的單位進行了爆破振動監(jiān)控量測及分析工作。施工中采用了精度較高的先進儀器進行檢測。

施工全程進行的爆破振動監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及分析研究的結(jié)果顯示，爆破振動對公路隧道產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度通常在0.15～1.35cm/s，最大的振動速度來源于DK770+366斷面掏槽眼起爆時，為2.06cm/s，表明本隧道爆破設(shè)計方案及減振技術(shù)措施的運用是科學合理的，公路隧道的振動速度在設(shè)計及爆破安全規(guī)程所要求及允許的范圍內(nèi)，確保了公路隧道安全無恙。

7 結(jié)束語

由于本隧道施工時采取了小循環(huán)進尺、大孔徑中空直眼掏槽、預裂切縫、微差爆破和炮眼水壓封堵等系列減振爆破技術(shù)，將隧道爆破掘進對既有渝宜高速公路隧道的振動影響控制在設(shè)計及爆破安全規(guī)程的要求范圍內(nèi)，確保隧道結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)安全及正常運營。為隧道爆破掘進的減振工作提供了很好的經(jīng)驗。

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