新苔井山隧道平行近接爆破設(shè)計(jì)及施工研究

韓高升

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

新建結(jié)構(gòu)物鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工，可能對(duì)既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響的工程稱(chēng)為近接工程，有關(guān)近接工程的施工稱(chēng)為近接施工。與隧道及地下工程有關(guān)的近接工程施工稱(chēng)為和隧道及地下工程近接施工。

近年來(lái)許多學(xué)者針對(duì)近接隧道工程影響范圍以及近接隧道爆破影響分析開(kāi)展了大量研究。日本在總結(jié)日本地鐵實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了近接隧道施工影響范圍分類(lèi)，將相互影響范圍分為無(wú)影響范圍、要注意的影響范圍和必須采取措施的范圍三個(gè)區(qū)域來(lái)考慮。

仇文革提出了近接施工的有關(guān)定義，并以彈塑性理論為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用隧道力學(xué)、巖土力學(xué)及既有結(jié)構(gòu)健全度理論闡明了地下工程近接施工的力學(xué)原理，指出近接施工的影響范圍是局部的，新建工程施工引起的圍巖應(yīng)力再次重分布是產(chǎn)生近接施工影響的根源[1]。王明年等建立了能全面反映盾構(gòu)隧道掘進(jìn)全過(guò)程的三維模擬方法，并采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則對(duì)盾構(gòu)隧道重疊段進(jìn)行了橫向近接分區(qū)，同時(shí)采用位移變化速率準(zhǔn)則對(duì)盾構(gòu)隧道重疊段進(jìn)行了縱向近接分區(qū)。萬(wàn)飛等運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS-GTS進(jìn)行三維模型數(shù)值分析，對(duì)比明挖暗埋法和暗挖法新建隧道施工時(shí)既有隧道的變形及內(nèi)力變化規(guī)律，對(duì)既有隧道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。秦輝輝對(duì)小曲線疊落式隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[2]。崔光耀利用反應(yīng)位移理論的基本原理，建立了隧道洞口淺埋段縱向和斷裂粘滑隧道抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法，通過(guò)動(dòng)力時(shí)程法對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)。針對(duì)斷裂粘滑隧道的震害特點(diǎn)，對(duì)采用減震縫或減震層的六種減震方式進(jìn)行了靜力錯(cuò)動(dòng)模型試驗(yàn)研究[3]。劉小果、劉康、王璞、吳波、和林立宏等學(xué)者利用數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，研究了接近爆破對(duì)鄰近建構(gòu)筑物振動(dòng)效應(yīng)的影響。鐘冬望等結(jié)合在建的貴昆線六盤(pán)水至沾益段增建Ⅱ線扒挪塊隧道開(kāi)挖工程，采用動(dòng)力有限元程序建立了三維模型，對(duì)貴昆線獅子口隧道混凝土襯砌的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度以及應(yīng)力分布情況進(jìn)行了計(jì)算[4-7]。為分析在建的石長(zhǎng)鐵路增建二線汪家山隧道爆破施工對(duì)鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，楊光運(yùn)用ANSYS 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法，分析隧道拱頂有裂縫缺陷的襯砌結(jié)構(gòu)在爆破荷載沖擊作用下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，獲得存在不同深度裂縫缺陷的襯砌在不同爆破荷載沖擊速度下的應(yīng)力分布規(guī)律和容許安全系數(shù)。

新建隧道的開(kāi)挖是個(gè)動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，必須掌握全過(guò)程的變化規(guī)律，才能進(jìn)行好設(shè)計(jì)與施工。目前的理論分析主要考慮近接施工的空間位置和工法，還應(yīng)考慮時(shí)間效應(yīng)，并采用理論計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)分析鄰近既有隧道的受力與變形。另外，對(duì)于鄰近既有隧道的安全閾值如何給予界定是一值得探討的課題。

福平鐵路新苔井山隧道與既有鐵路苔井山隧道近接，為保證新建隧道和既有隧道的施工與運(yùn)營(yíng)安全，基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及與隧道近接情況，提出了合理的近接爆破設(shè)計(jì)、近接施工方案和安全控制閾值，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工程概況

新苔井山左線隧道起訖里程XLDK0+970～XLDK3+213，全長(zhǎng)2.243 km。右線隧道起訖里程SLDK0+967～SLDK3+260，全長(zhǎng)2.293 km。新建隧道線路與既有沿海鐵路聯(lián)絡(luò)線并行，左右線隧道分布在既有線兩側(cè)，夾既有苔井山隧道，大部分段落平行近接。右線至既有隧道最小凈距為8 m，左線最小凈距為25.8m。新苔井山左、右線隧道近接示意圖見(jiàn)圖1。

隧道大部分為淺埋隧道，進(jìn)口段約500 m采用礦山法爆破施工，該段隧道處于花崗巖地層中，褐黃色～肉紅色，全～強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育；地下水主要為孔隙潛水，較發(fā)育。圍巖等級(jí)為Ⅳ～Ⅴ級(jí)。

2 隧道近接掘進(jìn)工法及爆破參數(shù)

2.1 近接隧道施工工法

在兼顧圍巖條件及控爆規(guī)模的情況下，暗挖施工主要采用短臺(tái)階法。

Ⅳ級(jí)圍巖采用短臺(tái)階法光面爆破開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，掛網(wǎng)支護(hù)。Ⅴ級(jí)圍巖洞口段30 m采用短臺(tái)階法人工配合機(jī)械開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺0.7 m，其余區(qū)段采用小藥量松動(dòng)爆破，循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，I18工字鋼拱架，間距80 cm。

短臺(tái)階法施工工序：

(1)開(kāi)挖頂部臺(tái)階，施作超前支護(hù)及洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)。

(2)上臺(tái)階施工至適當(dāng)距離后(3～5 m)，開(kāi)挖中部臺(tái)階，施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)。

(3)中臺(tái)階施工至適當(dāng)距離后(10～20 m)，開(kāi)挖下臺(tái)階，施做洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)。

(4)開(kāi)挖仰拱，初期支護(hù)后，灌注仰拱。

(5)利用襯砌模板臺(tái)車(chē)，一次性灌筑二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)

2.2 近接隧道爆破參數(shù)

新苔井山隧道現(xiàn)場(chǎng)主要為Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖，以臨近既有隧道振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)3 cm/s進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。以Ⅴ級(jí)圍巖為例，設(shè)計(jì)如下：

Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖斷面B×H=853 cm×1061 cm，采用四級(jí)短臺(tái)階法光面爆破施工，循環(huán)進(jìn)尺0.8 m。

第一級(jí)斷面炮孔數(shù)計(jì)算

(1)

式中：N為炮孔數(shù)目，個(gè)；F為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，平均取f=10；s為巷道掘進(jìn)斷面面積，s=9.1 m2。

代入式(1)計(jì)算結(jié)果N=32個(gè)，光面爆破增加26%，得N=41個(gè)，按此布置炮孔。

掏槽孔布置在上半斷面正中間偏下，采用傾斜兩級(jí)掏槽。槽孔共8個(gè)，一級(jí)掏槽孔4個(gè)，孔口距80 cm，孔底距20 cm，孔深為0.55 m，孔長(zhǎng)0.63 m，角度均為62°；二級(jí)掏槽孔4個(gè)，孔口距40 cm，孔底距30 cm，孔深1.0 m，孔長(zhǎng)1.2 m，角度為57°。輔助孔8個(gè)，光面孔15個(gè)，底孔10個(gè)，共41個(gè)，孔深均為0.9 m，單耗按1.5 kg/m3，孔間距0.5 m，在靠近營(yíng)業(yè)線側(cè)設(shè)置減震孔(空孔)，周邊φ50減震孔6個(gè)，掏槽φ110減震孔3個(gè)。

光面孔線裝藥密度取0.25～0.28 kg/m，單孔藥量0.2 kg。爆破參數(shù)見(jiàn)第一臺(tái)階開(kāi)挖爆破參數(shù)表1。

表1 第一臺(tái)階爆破參數(shù)表Table 1 Parameters of the first step blasting

第一斷面開(kāi)挖后，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。在第一斷面開(kāi)挖、支護(hù)完成推進(jìn)3～5 m后進(jìn)行第二臺(tái)階開(kāi)挖。形成正臺(tái)階開(kāi)挖，其參數(shù)為孔徑D=40～42 mm，孔深L=0.8 m，第二臺(tái)階開(kāi)挖比第一斷面增加了一個(gè)自由面，因此，炮孔數(shù)及單耗均可減少，按臺(tái)階布孔，排距取0.65 m，孔距0.8 m，單耗取q=0.4 kg/m3；光面孔距取0.5 m，光面孔14個(gè)，線裝藥密度：ρ=0.25～0.28 kg/m。在靠近營(yíng)業(yè)線側(cè)設(shè)置減震孔(空孔)，周邊φ50減震孔7個(gè)。

第二臺(tái)階開(kāi)挖后，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。在第二臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù)完成推進(jìn)10～20 m后進(jìn)行三臺(tái)階開(kāi)挖，其參數(shù)為孔徑D=40～42 mm，孔深L=0.8 m，按臺(tái)階布孔排距取0.6 m，孔距0.8m，單耗取q=0.4 kg/m3；光面孔距取0.5 m，光面孔12個(gè)，線裝藥密度：ρ=0.25～0.28 kg/m。在靠近營(yíng)業(yè)線側(cè)設(shè)置建減震孔(空孔)，周邊φ50減震孔6個(gè)。

第三臺(tái)階開(kāi)挖后，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。在第三臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù)完成推進(jìn)3～5 m后進(jìn)行仰拱開(kāi)挖。其參數(shù)為孔徑D=40～42 mm，孔深L=0.8 m，按臺(tái)階布孔，排距取0.6 m，孔距0.8 m，單耗取q=0.6 kg/m3；在靠近營(yíng)業(yè)線側(cè)設(shè)置減震孔(空孔)，周邊φ50減震孔2個(gè)?？傮w爆破炮孔布置圖見(jiàn)圖2。

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)路

隧道掏槽孔、輔助孔和周邊光面孔按設(shè)計(jì)裝入不同段別非電毫秒雷管進(jìn)行網(wǎng)路聯(lián)接裝藥，除周邊光面孔外都采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

起爆網(wǎng)路采用非電導(dǎo)爆管毫秒雷管，每臺(tái)階炮孔起爆順序與雷管段別如圖2所示，用一把抓的方式，孔外用1段雷管聯(lián)網(wǎng)。采用LS-2型脈沖高壓起爆器起爆。

3 近接隧道施工監(jiān)測(cè)

3.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在新建隧道爆破施工期間，在既有隧道內(nèi)臨近開(kāi)挖斷面里程前后100 m的隧道兩側(cè)側(cè)壁布置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀共計(jì)10臺(tái)，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。施工期間，每炮均測(cè)，在隧道外爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)室內(nèi)接收數(shù)據(jù)。

3.2 邊墻位移監(jiān)測(cè)

在隧道施工過(guò)程中，監(jiān)控量測(cè)新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響是其中重要的一部分，而既有隧道周邊位移是監(jiān)控量測(cè)中的必測(cè)項(xiàng)目。通常情況下，周邊位移的量測(cè)采用收斂計(jì)進(jìn)行水平收斂量測(cè)。由于收斂點(diǎn)都布置在拱頂、拱腰位置，量測(cè)時(shí)需架設(shè)平臺(tái)或梯子進(jìn)行工作，實(shí)際操作既不安全也不方便，有時(shí)甚至不能進(jìn)行工作。采用全站儀免棱鏡測(cè)距技術(shù)能很好地解決這些問(wèn)題，但由于進(jìn)出既有線作業(yè)時(shí)間全部在夜間，要在很有限的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行全站儀的測(cè)量作業(yè)是比較困難的，綜合考慮，邊墻位移監(jiān)測(cè)工作采用激光測(cè)距儀完成，激光測(cè)距儀一經(jīng)安裝，通電條件下即可在很短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量作業(yè)。

測(cè)量?jī)x器選用Insight-60激光測(cè)距傳感器，傳感器布設(shè)斷面如圖3所示，安裝位置如圖4所示。

將激光測(cè)距傳感器固定在支架上，照準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，避免移動(dòng)。隨著施工的進(jìn)行，定時(shí)記錄傳感器讀數(shù)。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

爆破振動(dòng)方面，在按控制爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破開(kāi)挖施工中，既有隧道的振動(dòng)均未超過(guò)3 cm/s的控制值，大部分在2 cm/s以?xún)?nèi)。

通過(guò)為期1個(gè)月的監(jiān)測(cè)，得到近接隧道開(kāi)挖過(guò)程中既有隧道邊墻凈空隨時(shí)間的位移變化量，整理如圖5。

位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，在近接隧道施工1～3 d后既有隧道出現(xiàn)一個(gè)較小的位移量(0.1～0.4 mm)，隨著時(shí)間的發(fā)展位移量逐漸增大，但位移的增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸放緩，一般一周后位移量基本不再變化。綜合整體監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，新建隧道施工對(duì)既有隧道邊墻位移量的影響較小，且位移量發(fā)展較快的時(shí)間段為新建隧道施工的初期。第二次測(cè)量結(jié)果同第一次測(cè)量結(jié)果基本相同，既有隧道隧道邊墻幾乎沒(méi)有位移或有一個(gè)很小的位移量。

通過(guò)對(duì)既有苔井山隧道的監(jiān)測(cè)分析可得，在按控制爆破設(shè)計(jì)的施工爆破開(kāi)挖中，既有隧道爆破振動(dòng)值均未達(dá)到3 cm/s，在此條件下，近接隧道施工對(duì)既有隧道的影響較?。贿厜ξ灰屏堪l(fā)展較快的時(shí)間段為新建隧道施工的初期，均小于閾值。綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以推斷既有隧道受新建隧道的開(kāi)挖影響很小，未對(duì)其安全造成影響。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道近接設(shè)計(jì)及施工中，科學(xué)合理確定爆破的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，是保證近接施工中臨近建構(gòu)筑物安全的關(guān)鍵。在以往多條鐵路工程實(shí)踐中，采用5～2 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)。爆破振動(dòng)在結(jié)構(gòu)上一方面是對(duì)圍巖及結(jié)構(gòu)即時(shí)的不利影響，另一方面是對(duì)既有結(jié)構(gòu)已有或潛在缺陷進(jìn)一步激發(fā)劣化發(fā)展的影響。對(duì)于前者，目前工程實(shí)踐控制標(biāo)準(zhǔn)是可行的，參照《爆破安全規(guī)程》中的參數(shù)還有進(jìn)一步放寬的空間；對(duì)于后者，則應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合近接影響建筑物的具體情況考慮，同時(shí)對(duì)既有鐵路隧道，還應(yīng)考慮運(yùn)營(yíng)設(shè)備的抗振能力。在福平鐵路隧道施工中，多個(gè)臨近既有隧道工點(diǎn)均采用3 cm/s的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐證明是安全可行的，尚留有較大的安全空間。

在既定爆破控制振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)條件下，研究控制爆破技術(shù)，針對(duì)性進(jìn)行爆破施工設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)控制近接隧道施工不利影響的關(guān)鍵。

近接爆破施工中，對(duì)新建及近接隧道布置施工監(jiān)測(cè)體系，對(duì)施工安全控制及指導(dǎo)調(diào)整施工是必須且有效的。

近接施工條件下，結(jié)合鐵路管理特點(diǎn)，合理安排爆破開(kāi)挖施工組織，加大關(guān)鍵控制工序的資源配置，提高天窗時(shí)間隧道的爆破施工效率是提高整個(gè)臨近施工效率的關(guān)鍵。