大斷面隧道下穿既有高速公路單側(cè)掏槽+數(shù)碼雷管干擾減振施工技術(shù)

馮劍鋒

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

當(dāng)前我國(guó)鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展，公鐵網(wǎng)絡(luò)星羅密布，鐵路隧道下穿既有高速公路的工程項(xiàng)目屢見不鮮。隧道在開挖掘進(jìn)過(guò)程中，爆破振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載為大壓力幅的單脈沖，其持續(xù)時(shí)間短、壓力上升快，會(huì)對(duì)既有高速公路造成擾動(dòng)，可能引起既有高速公路隧道路面水平及豎向位移、二襯開裂等現(xiàn)象，對(duì)高速公路通行安全造成巨大的威脅，如何最大程度地減小隧道開挖對(duì)高速公路的影響成為備受關(guān)注并迫切需要解決的問(wèn)題。

有研究及實(shí)踐表明，采用非對(duì)稱掏槽、設(shè)置合理的起爆間隔時(shí)間利用爆破地震波干擾等方法，可有效的減小振動(dòng)速度[1-6],但利用非對(duì)稱掏槽技術(shù)與爆破地震波干擾相結(jié)合的方法減振，目前工程應(yīng)用的案例較少。為確保本工程安全、快速、經(jīng)濟(jì)的通過(guò)下穿段，決定采用單側(cè)掏槽+數(shù)碼雷管干擾減振的控制爆破技術(shù)，進(jìn)行隧道開挖。

1 工程概況

新建興泉鐵路七里徑隧道與已建成通車的泉南高速公路供坊隧道存在交叉情況，下穿高速公路段DK169+10～DK169+155共50 m，下穿高速公路影響段DK169+062～DK169+200共138 m，上臺(tái)階開挖寬度14.4 m，開挖高度8.2 m，開挖斷面積98 m2。高速公路設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬26 m，四車道高速公路設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)目前限速80 km/h。

七里徑隧道(DK169+125)與高速公路供坊隧道(K280+560)成平面交角48°斜交，二次襯砌拱頂外緣距高速公路隧道路面26 m，下穿段圍巖為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖，平面圖如圖1所示，剖面圖如圖2所示。

圖1 七里徑隧道下穿供坊隧道平面圖(單位：m)

圖2 七里徑隧道下穿供坊隧道剖面圖(單位：m)

下穿高速影響段落采用臺(tái)階法施工，隧道通過(guò)既有高速公路段圍巖為弱風(fēng)化花崗巖，灰白色、肉紅色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長(zhǎng)石、黑云母，弱風(fēng)化花崗巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊不易碎。地層分布如下：<68-1>中粗粒黃崗巖(J3GZ)，灰白色、肉紅色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長(zhǎng)石、黑云母。巖體差異風(fēng)化嚴(yán)重，局部全風(fēng)化層較厚，弱風(fēng)化花崗巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊不易碎。全風(fēng)化層(W4)呈土狀，厚約6 m，屬Ⅲ級(jí)硬土；強(qiáng)風(fēng)化層(W3)呈角礫狀，厚約4～5 m，屬Ⅵ級(jí)軟石；弱風(fēng)化層(W2)屬Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石。

既有高速公路隧道穿越W2、W3、W4不同巖層，新建鐵路隧道圍巖處于W2巖層，圍巖情況較好，無(wú)地下水。

2 常規(guī)鉆爆法振動(dòng)速度

在下穿段前方采用常規(guī)鉆爆法進(jìn)行開挖，掏槽方式采用掌子面兩側(cè)對(duì)稱掏槽，雷管采用普通毫秒延期電雷管。

爆破后，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度詳見表1，可以看出，1段y方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大，達(dá)到9.7 cm/s，無(wú)法滿足爆破振動(dòng)速度不大于5 cm/s的要求。同時(shí)y方向1段、3段、5段、7段質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度偏大，經(jīng)分析，是由于掏槽眼裝藥量較大、一次起爆藥量多造成的。因此，需減少掏槽眼數(shù)量，同時(shí)降低一次起爆藥量，方可降低振動(dòng)速度。

表1 常規(guī)鉆爆法質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值 cm/s

3 單側(cè)掏槽+數(shù)碼雷管干擾減振技術(shù)

隧道掌子面采用臺(tái)階法鉆爆開挖，其中上臺(tái)階寬14.4 m，高8.2 m，采用單側(cè)掏槽，以減少一次起爆炸藥數(shù)量，掏槽眼采用數(shù)碼雷管干擾減振技術(shù)起爆，降低爆破振動(dòng)速度。

3.1 單側(cè)掏槽及爆破參數(shù)

炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，在掌子面左側(cè)楔形掏槽，掏槽眼深度控制在2～3 m左右。部分炮眼中使用數(shù)碼電子雷管，其它炮眼使用普通毫秒延期電雷管。掏槽眼及輔助眼集中裝藥，周邊眼間隔裝藥導(dǎo)爆索連接。爆破參數(shù)見表2。

起爆順序：首先是掏槽眼按照設(shè)置間隔起爆，創(chuàng)造出臨空面，接著是輔助眼，由內(nèi)向外依次起爆、層層剝離，最后起爆周邊眼和底板眼。

表2 典型的爆破參數(shù)

施工過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整炮眼布置及爆破參數(shù)，典型的上臺(tái)階炮眼布置如圖3所示。由于隧道斷面較大，在掏槽眼制造出臨空面后，右側(cè)圍巖受到輔助眼爆破及重力作用自然掉落，無(wú)須進(jìn)行二次爆破，爆破效果如圖4所示。

由于采用了單側(cè)掏槽，掏槽眼數(shù)量減少，同時(shí)優(yōu)化炮孔布置形式，從而減少了裝藥量，對(duì)于開挖面積98 m2的斷面，需鉆眼120個(gè)，每循環(huán)進(jìn)尺可達(dá)1.8 m，單位炸藥消耗量為0.4 kg/m3，能夠有效的加快施工進(jìn)度，同時(shí)節(jié)省炸藥，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 數(shù)碼電子雷管干擾減振及施工工藝

數(shù)碼電子雷管具有高安全、高精度、寬延期范圍、在線可編程的特點(diǎn)。起爆系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼電子雷管上線注冊(cè)、在線檢測(cè)、延期編輯以及組網(wǎng)通信等功能。

圖3 典型的上臺(tái)階炮眼布置

圖4 爆破效果圖

在爆破近區(qū)，由于各類波重疊，各段別的地震波持續(xù)時(shí)間較短，疊加的可能性較小，可以設(shè)置較短的時(shí)間間隔；隨著爆破距離的加大，各種爆破地震波初至?xí)r刻逐漸分離，地震波在時(shí)間軸上擴(kuò)展，相鄰段別的地震波的波頭和波尾將產(chǎn)生疊加，甚至主震相疊加，因此需設(shè)置較長(zhǎng)的時(shí)間間隔[2]。

按照以上原則，數(shù)碼電子雷管延時(shí)長(zhǎng)短的設(shè)置依據(jù)為與既有高速公路的距離，即掌子面由上至下，延時(shí)長(zhǎng)度逐漸增加。同時(shí)由于爆破地震波受節(jié)理、裂隙、斷層、層面等多種因素影響，為確定準(zhǔn)確的延時(shí)參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定了不同段位延時(shí)時(shí)間，通過(guò)微差爆破可以實(shí)現(xiàn)真正意義的干擾降振，延時(shí)量見表3。

表3 數(shù)碼電子雷管延時(shí)表

通過(guò)以上設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)單側(cè)掏槽眼間隔起爆，在減少掏槽眼數(shù)量的同時(shí)確保掏槽效果。

數(shù)碼電子雷管具體施工順序?yàn)? 清理工作面→布孔→鉆孔→驗(yàn)孔→電子雷管檢測(cè)→裝藥→電子雷管注冊(cè)、標(biāo)號(hào)( 再次檢測(cè)) →堵孔→連網(wǎng)→網(wǎng)絡(luò)快速檢測(cè)→設(shè)置起爆時(shí)差→完全檢測(cè)→起爆→爆后檢查。

首次電子雷管檢測(cè)的主要目的是剔除有質(zhì)量問(wèn)題的電子雷管，第2 次檢測(cè)的目的是進(jìn)行注冊(cè)，要按照預(yù)先設(shè)定的起爆順序進(jìn)行注冊(cè)，每注冊(cè)1發(fā)，在雷管接頭上用油筆標(biāo)出順序號(hào)。注冊(cè)完成后，確定雷管沒問(wèn)題，再進(jìn)行堵孔。根據(jù)腳線編號(hào)，以并聯(lián)的方式，將各炮孔的腳線通過(guò)起爆線連為一體，然后起爆線與起爆器連接。

4 爆破振動(dòng)速度測(cè)試方案及結(jié)果分析

在高速公路隧道內(nèi)K280+560處線路左右兩側(cè)各設(shè)置一處爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 振動(dòng)速度信號(hào)采集點(diǎn)布置圖及采集界面

用L20-N型爆破振動(dòng)儀采集每次爆破振動(dòng)速度，采樣率5 120 sps，負(fù)延時(shí)-0.25 s，采樣時(shí)長(zhǎng)4.25 s，采用單側(cè)掏槽+數(shù)碼雷管干擾減振技術(shù)，不同段位質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度詳見表4，削峰效果明顯。

表4 單側(cè)掏槽+數(shù)碼雷管干擾減震質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值 cm·s-1

采用該技術(shù)進(jìn)行后續(xù)開挖，振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)詳見表5。

表5 振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)表

表5顯示，在下穿段開挖初期，點(diǎn)位1由于距掌子面較遠(yuǎn)、振動(dòng)速度較小，點(diǎn)位2距掌子面較近、振動(dòng)速度較大；隨著掌子面開挖，點(diǎn)位1與掌子面距離變小、振動(dòng)速度逐漸增大，點(diǎn)位2與掌子面距離增大、振動(dòng)速度逐漸減小。

實(shí)際振動(dòng)信號(hào)顯示，兩側(cè)點(diǎn)位的振動(dòng)速度均可控制在5 cm/s以內(nèi)，有效的減小了對(duì)高速公路的擾動(dòng)，滿足相關(guān)要求。

5 結(jié)論

采用單側(cè)掏槽+數(shù)碼雷管干擾減振的控制爆破技術(shù)，可將爆破振動(dòng)速度控制在5 cm/s以內(nèi)，明顯減小了隧道開挖對(duì)既有高速公路的擾動(dòng)，確保了高速公路通行安全。

該控制爆破技術(shù)單位炸藥消耗量可達(dá)到0.5 kg/m3左右，大大降低了炸藥消耗量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

運(yùn)用該控制爆破技術(shù)，經(jīng)測(cè)算，下穿段日平均進(jìn)尺可達(dá)到2.2 m，提高了施工效率，可有效緩解工期壓力。