微震爆破技術(shù)在隧道下穿高速鐵路應(yīng)用分析

蔣耀鋒

摘 要：本文對(duì)寧蕪改線提前實(shí)施工程隧道施工方法總結(jié)、完善，為類(lèi)似下穿高速鐵路隧道的施工提供理論依據(jù)和施工經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：微震;爆破;震速;監(jiān)測(cè)

我國(guó)己成為世界上高速鐵路發(fā)展最快、系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家。京滬高速鐵路寧蕪段，線下有寧蕪隧道穿越，高鐵線路的地表路基沉降以及線下隧道的施工安全性都是重要課題。下穿隧道施工技術(shù)的研究直接關(guān)系著隧道本身質(zhì)量安全和高速鐵路施工運(yùn)營(yíng)安全。如果處理不好，不僅會(huì)對(duì)隧道的安全性造成影響，甚至?xí)绊懻麄€(gè)高鐵線路的安全運(yùn)行。

一、寧蕪改線隧道下穿高速鐵路基本情況

寧蕪改線提前實(shí)施工程HDK25+250～HDK25+550段隧道位于韓府山南麓及山前沖積平原，全長(zhǎng)300m，隧道內(nèi)為單面坡，隧道開(kāi)挖拱頂?shù)缴喜胯F路軌頂面最大埋深約27.3m。隧道下穿京滬高速（已開(kāi)始聯(lián)調(diào)）、滬漢蓉客專(zhuān)線（已運(yùn)營(yíng)）、寧安客專(zhuān)線（在建）段，需與在建的工程同步完成施工。隧道下穿段與地表京滬高鐵、滬漢蓉通道及寧安城際鐵路在平面位置上呈斜交，斜交角度約30°。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及調(diào)查，三條線路路基及下穿隧道平面對(duì)應(yīng)里程情況如下：

下穿隧道與地表線路路基相對(duì)位置及縱斷面圖分別見(jiàn)圖1-1、見(jiàn)圖1-2。

二、主要關(guān)鍵技術(shù)

由于本段隧道地表為現(xiàn)狀高等級(jí)高速鐵路京滬高鐵及滬漢蓉鐵路，施工過(guò)程中不但要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及規(guī)范組織施工，保證施工的安全質(zhì)量，更要在施工中采取必要的措施，嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)、隧道圍巖收斂及隧道地表土體失水沉降，盡量減少地表京滬高鐵軌道的沉降量，控制地表沉降在3.5mm以?xún)?nèi)。為此在施工過(guò)程中主要考慮采取以下施工技術(shù)方案控制及減少隧道施工對(duì)地表京滬高鐵及滬漢蓉通道的影響。

（一）寧蕪改線隧道的地理位置特殊，下穿京滬高鐵無(wú)砟軌道，地表埋深最大僅24米，必須對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，以便對(duì)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其對(duì)周?chē)h(huán)境的影響適時(shí)評(píng)判，及時(shí)預(yù)測(cè)和預(yù)防各種可能出現(xiàn)的不利局面，動(dòng)態(tài)地組織和指導(dǎo)施工。

（二）淺埋暗挖隧道施工對(duì)地表產(chǎn)生沉降的因素之一是圍巖開(kāi)挖后的收斂變形，控制圍巖收斂的關(guān)鍵是盡快完善初期支護(hù)系統(tǒng)，封閉圍巖。進(jìn)行方案比選后確定采用三層臺(tái)階施工技術(shù)，提前施作隧道仰拱，并在圍巖上臺(tái)階開(kāi)挖暴露后及時(shí)施作上臺(tái)階初期支護(hù)，并根據(jù)圍巖變形情況考慮架設(shè)臨時(shí)仰拱，采取“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”等施工措施減少?lài)鷰r收斂變形。

（三）采用精密微震控制爆破措施，細(xì)化爆破作業(yè)施工技術(shù)，優(yōu)先選用高猛度、低爆速炸藥，在施工過(guò)程中采用小藥卷炸藥，多打眼、少裝藥;應(yīng)用微差爆破技術(shù)多分段，不僅在起爆網(wǎng)絡(luò)上采用加大爆破段數(shù)的方法，在單個(gè)炮孔內(nèi)孔也應(yīng)用間隔裝藥方法，減少一次齊爆藥量;在爆破作業(yè)過(guò)程中加強(qiáng)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，使爆破震動(dòng)速度控制在地表鐵路聯(lián)調(diào)運(yùn)行允許范圍內(nèi)。

三、微震控制爆破技術(shù)研究

隧道爆破采用微震控制爆破，通過(guò)控制炸藥單耗實(shí)現(xiàn)降低爆破震動(dòng)強(qiáng)度，減少對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道的影響。采用光面爆破技術(shù)以盡可能減輕圍巖擾動(dòng)，充分利用圍巖自有強(qiáng)度維持隧道的穩(wěn)定性，有效控制地表沉降，控制隧道的欠超挖，達(dá)到良好的輪廓形狀

（一）微震控制爆破技術(shù)要點(diǎn)

1、采用分部、分臺(tái)階開(kāi)挖、多次裝藥爆破技術(shù)，合理布置爆破開(kāi)挖順序。周邊眼采用光面爆破，掏槽眼和輔助眼采用微振控制爆破，每次將掏槽區(qū)盡量靠近斷面底部，以增大掏槽爆破時(shí)爆源至地表的距離，減輕掏槽爆破對(duì)地表高鐵無(wú)砟軌道線路的震動(dòng)影響，然后對(duì)預(yù)留光爆層進(jìn)行光面爆破。

2、根據(jù)隧道分部開(kāi)挖斷面、巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造條件等因素，確定采用能最大程度減振的掏槽眼布置形式。本工程采用楔形掏槽。這種掏槽具有兩排以上相對(duì)的炮孔，爆破形成楔形空間，多用于中硬以上均質(zhì)巖石。每對(duì)炮孔孔底距離取為10～20cm，孔口距離則與孔深和傾角大小有關(guān)，炮孔傾角（與工作面交角）取60～75°。

3、對(duì)單段最大炸藥用量進(jìn)行控制，起爆采用非電毫秒雷管，大間隔微差起爆，使相鄰段別的起爆間隔大于100ms，以減少每段起爆的炸藥量及各段爆轟波的疊加，讓爆破地震主震波相間無(wú)疊加效應(yīng)，達(dá)到減小對(duì)圍巖擾動(dòng)的目的，嚴(yán)格將爆破震動(dòng)控制在1cm/s以?xún)?nèi)。.

4、實(shí)施全斷面光面爆破。以往說(shuō)的光面爆破技術(shù)通常是指將隧道的拱部和墻部開(kāi)挖按光面爆破進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使其爆破后周邊眼的炮眼痕跡率達(dá)到一定的值，但對(duì)隧道底部、墻角、仰拱、水溝、洞室的開(kāi)挖并沒(méi)有按光面爆破進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)施全斷面光面爆破不僅拱部、墻部要達(dá)到規(guī)范要求的光爆效果，墻角、底部、仰拱、洞室處也應(yīng)按光面爆破進(jìn)行設(shè)計(jì)，并同時(shí)達(dá)到和墻拱一樣的光面爆破效果，以減少超欠挖可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中，同時(shí)對(duì)圍巖的變形控制也起到了一定作用。

5、開(kāi)挖中嚴(yán)格遵循新奧法“弱爆破、短進(jìn)尺”的施工原則，嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺，以減小每次爆破的炸藥總用量。

6、建立一套完整的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行信息化施工。爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)主要是為了防止下穿隧道爆破施工對(duì)地表列車(chē)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，因此監(jiān)測(cè)的位置為每次爆破施工時(shí)，在地表軌道處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用IDTS3850爆破震動(dòng)記錄儀對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，將爆破對(duì)地表高鐵無(wú)砟軌道線路聯(lián)調(diào)運(yùn)行允許范圍內(nèi)。

（二）爆破作業(yè)技術(shù)

1、計(jì)算允許的單段最大共同作用裝藥量

爆破地震的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化規(guī)律可以用薩道夫斯基公式來(lái)描述

薩道夫斯基公式描述了爆破地震波強(qiáng)度隨傳播距離的增加而呈冪函數(shù)衰減的基本規(guī)律：在爆破近區(qū)，波陣面上的壓力、密度很大，致使地震波強(qiáng)度（能量）衰減很快;隨著傳播距離的增加，震動(dòng)強(qiáng)度的衰減速度減慢。

根據(jù)允許安全振動(dòng)速度（V≤1cm/s）通過(guò)公式（1）即可計(jì)算單段允許最大炸藥用量6.66Kg。

2、開(kāi)挖方案確定

根據(jù)圍巖等級(jí)采取合理的開(kāi)挖方案，做到弱爆破、短進(jìn)尺、分部開(kāi)挖。Ⅳ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階開(kāi)挖法，循環(huán)進(jìn)尺0.8～1.0m。

3、 爆破器材的選擇

控制爆破采用中低爆速炸藥，小直徑藥卷，可以明顯減輕爆破振動(dòng)效應(yīng)。

4、選擇合理的起爆段間時(shí)差

控制爆破選用100ms或200ms或半秒級(jí)的等差雷管，可以進(jìn)一步改善爆破效果，降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度。

根據(jù)工地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，軟弱圍巖中爆破振動(dòng)頻率比較低，一般多在100 Hz以下;振動(dòng)持續(xù)時(shí)間大多為100～200ms。為避免段間振動(dòng)疊加，段間隔時(shí)間必須大于100ms。

（三）控制爆破設(shè)計(jì)

弱爆破（控制單段炸藥總用量，選用低爆速小直徑光爆炸藥），短進(jìn)尺（循環(huán)進(jìn)尺L=0.8～1.0m），分部開(kāi)挖（三臺(tái)階開(kāi)挖）。

采取斜眼掏槽，炮眼深度：炮眼垂直深度1.1～1.3m（視圍巖情況），周邊眼鉆進(jìn)方向外插角為3～5°，炮眼為ф42mm，非電毫秒雷管隔段使用，實(shí)現(xiàn)孔微差起爆，達(dá)到光面爆破效果。

（四）爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

主要監(jiān)測(cè)儀器主要有：IDTS 3850爆破振動(dòng)自記儀，CD-1型和CDJ-1型速度傳感器，筆記本電腦等。

成都中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司研制生產(chǎn)的IDTS3850爆破震動(dòng)記錄儀，用于對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行信號(hào)記錄與數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出、顯示打印或存盤(pán)。它直接與拾振器相連，并將其模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行存貯，再經(jīng)自身的RS232接口和計(jì)算機(jī)通訊，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形顯示、譜圖顯示，波形的各種特征參數(shù)及測(cè)試結(jié)果的表格顯示、打印和存盤(pán)等。

由于本隧道控制爆破震速主要是保護(hù)高速鐵路無(wú)砟軌道板安全，根據(jù)要求爆破震速不能超過(guò)1cm/s，所以測(cè)點(diǎn)均設(shè)在京滬高無(wú)砟軌道板上。

通過(guò)爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，測(cè)點(diǎn)處的最大振動(dòng)速度及頻率均滿足爆破震速不能超過(guò)1cm/s要求。

四、應(yīng)用情況

本工程下穿段2010年12月17日從豎井進(jìn)入正洞施工， 2011年4月26日貫通，2011年5月13日完成襯砌施工。

采取以上措施后取得良好效果，隧道洞身收斂及沉降，地表沉降均在允許范圍內(nèi)。京滬高鐵無(wú)砟軌道板未發(fā)生明顯沉降和位移。

拱頂下沉量及圍巖周邊收斂最大均為HDK25+338處，拱頂下沉為4.7mm，圍巖周邊收斂為1.7mm。

地表沉降值綜合分析施工監(jiān)測(cè)、第三方監(jiān)測(cè)，地表路基最大沉降為1.8494mm（HDK25+435處），去除經(jīng)分析為非施工造成的沉降（8號(hào)點(diǎn)累計(jì)沉降量為1.0424mm，此點(diǎn)在施工作業(yè)影響區(qū)域外，不受施工作業(yè)影響），地表最大沉降量均不足1mm。

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