高鐵隧道鄰近古建筑施工控制爆破技術(shù)

侯峰

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的加快，隧道等地下工程建設(shè)日益增多，隧道近接既有構(gòu)筑物的案例越來(lái)越多[1-3]，近接建筑物諸如橋梁、隧道、建筑等。

自光面爆破施工技術(shù)提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐論證、廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)展成為隧道礦山法施工的一種主要工法[4-6]。目前，關(guān)于隧道近接既有構(gòu)筑物的研究主要集中在力學(xué)響應(yīng)及影響分析上[7-9]。葉云斌和方繼偉[10]為分析爆破施工對(duì)既有隧道的影響規(guī)律，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析方法，得到了爆破振動(dòng)速度的衰減規(guī)律。曹義[11]以鐵路隧道下穿某國(guó)稅局大樓施工為研究背景，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了振動(dòng)爆破的衰減規(guī)律。謝曉峰[12]以某立交隧道為工程背景，采用數(shù)值分析方法模擬了隧道爆破過(guò)程中的振動(dòng)，研究了隧道襯砌的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

目前對(duì)于光面爆破機(jī)理及參數(shù)的研究已具有較多成果，關(guān)于爆破施工對(duì)鄰近古建筑的工程案例相對(duì)較少，本文以杭紹臺(tái)東茗隧道側(cè)穿南巖為背景，研究了爆破施工對(duì)鄰近古建筑的影響。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

新建杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州鐵路東茗隧道位于嵊州市新昌縣，起迄里程DK95+920～DK114+146.15，為雙線鐵路隧道。穿行于丘陵區(qū)，海拔高度50～425 m，相對(duì)高差30～425 m，自然坡度25°～60°，隧道通過(guò)段內(nèi)山體多陡峻，溝谷及斜坡緩坡分布第四系土層。DK97+525～DK98+045段距隧道中心30 m左側(cè)為南巖寺，該寺廟建于清朝光緒年間，墻體為磚混結(jié)構(gòu)，屋頂為木結(jié)構(gòu)。最小埋深為46 m，為滿足工期要求，加快施工進(jìn)度，采用三臺(tái)階開(kāi)挖，隧道上臺(tái)階距離地表建筑物最近。

1.2 水文地質(zhì)概況

東茗隧道多位于剝蝕丘陵區(qū)和低山區(qū)，地形起伏，多呈“V”字型沖溝發(fā)育，東茗隧道側(cè)穿南巖寺處，依據(jù)地質(zhì)鉆探，該段圍巖為粉砂巖、砂礫巖，砂礫狀結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)。區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖和構(gòu)造裂隙水，主要接收大氣降水和水庫(kù)裂隙通道補(bǔ)給。

2 爆破方法及參數(shù)計(jì)算

2.1 爆破參數(shù)及炮眼布置

由于光面爆破技術(shù)對(duì)圍巖擾動(dòng)小，隧道爆破施工采用光面爆破。光面爆破的主要參數(shù)有：炮眼間距E、炮眼密集系數(shù)m、裝藥集中度q、最小抵抗線W、不耦合系數(shù)D等。

以隧道主洞Ⅳ級(jí)圍巖爆破施工為例，其參數(shù)選用為：E=45cm、W=55cm 、m=E/W=0.82，計(jì)劃掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為2.4 m，Ⅳ級(jí)圍巖爆破施工炮眼布置見(jiàn)圖1。

圖1 Ⅳ級(jí)圍巖光面爆破炮眼布置圖

2.2 爆破方案設(shè)計(jì)

（1）單循環(huán)爆破用藥計(jì)算

每一循環(huán)裝藥量按式（1）計(jì)算：

式中：Q-每一循環(huán)裝藥量， k g；

q-爆破1 m3巖石用藥量，kg/m3；

S-導(dǎo)坑斷面積，m2；

L-炮眼深度，m。

各導(dǎo)坑及炮眼循環(huán)進(jìn)尺單位耗藥量見(jiàn)表1，單位炸藥量與炮眼深度修正系數(shù)見(jiàn)表2所示。

表1 爆破1m3巖石用藥量（單位：kg/m3）

表2 單位炸藥量與炮眼深度修正系數(shù)

（2）炮孔裝藥量

①掏槽孔與輔助孔

掏槽孔和輔助孔炮孔裝藥量按式（2）計(jì)算：

式中：η-炮孔裝藥系數(shù)；

γ-每米長(zhǎng)度裝藥量，kg/m。

②光爆孔

光面爆破孔裝藥量通常為輔助孔的1/3～1/4。

（3）控制爆破設(shè)計(jì)裝藥量

隧道周邊采用光面爆破，不良地質(zhì)、淺埋地段采用微震控制光面爆破?？刂票谱鳂I(yè)最大一段允許裝藥量按式（3）計(jì)算：

式中：Qmax-最大一段爆破用藥量，kg；；

Vkp-安全速度，cm/ s；

R-爆破安全距離，m ；

K-地形、地質(zhì)影響系數(shù)；

α-衰減系數(shù)。

K、α是與爆破點(diǎn)至計(jì)算對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的影響系數(shù)和衰減系數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 爆破區(qū)不同巖性的K、α值

通過(guò)爆破設(shè)計(jì)，依據(jù)圍巖級(jí)別、炸藥種類(lèi)、掘進(jìn)進(jìn)尺，確定各類(lèi)炮眼裝藥量，Ⅳ級(jí)圍巖三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，光面爆破炮孔裝藥參數(shù)如表4所示。

表4 Ⅳ級(jí)圍巖光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

2.3 爆破流程及爆破順序

現(xiàn)場(chǎng)施工爆破流程為：測(cè)量放線→定位鉆孔→清理鉆孔→孔內(nèi)裝藥→現(xiàn)場(chǎng)爆破，炮眼裝藥結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

傳爆順序?yàn)椋簱舭l(fā)槍→導(dǎo)爆管→8號(hào)雷管→導(dǎo)爆管→孔內(nèi)非電毫秒雷管，爆破網(wǎng)絡(luò)復(fù)式連接示意見(jiàn)圖3。

圖3 爆破網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

圖4展示了南巖寺與隧道線路的空間位置，鄉(xiāng)村道路與隧道線路正交，南巖寺位于鄉(xiāng)村道路邊。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在離隧道開(kāi)挖面最近的寺廟墻角處，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用爆破振動(dòng)測(cè)試儀TC-4850采集，測(cè)點(diǎn)布置如圖4。

圖4 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)共持續(xù)12 d，部分爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表4可知，爆破振動(dòng)的主要頻率在22～82 Hz，其中最大振動(dòng)速度為0.434 cm/s，對(duì)應(yīng)主振頻率為81.6 Hz。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及參數(shù)選定，爆破振動(dòng)下既有建筑的安全速度限值見(jiàn)表6。

表6 爆破允許振動(dòng)速度限值

由于南巖寺為清末古建筑，墻體為磚混結(jié)構(gòu)，且爆破振動(dòng)頻率為22～82 Hz，因此確定其振動(dòng)安全速度為0.2～0.5 cm/s。

為研究振動(dòng)速度與爆破距離的關(guān)系，監(jiān)測(cè)得到振動(dòng)速度與爆心距離關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 振動(dòng)速度與爆心距離關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著爆破中心與古建筑距離的增大，振動(dòng)速度逐漸減小。爆破振動(dòng)速度最大為0.434 cm/s，低于振動(dòng)速度限值，南巖寺受隧道爆破施工振動(dòng)影響較小，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階開(kāi)挖，掘進(jìn)進(jìn)尺2.4 m施工方案是可行的。

4 結(jié)論

本文對(duì)隧道爆破施工進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)隧道爆破近接既有古建筑的振動(dòng)影響進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

（1）參照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，東茗隧道采用爆破方案、炮眼布置及設(shè)計(jì)參數(shù)合理可行；

（2）隨著爆心距離的增大，古建筑的振動(dòng)速度減小，爆破振動(dòng)頻率范圍在22～82 Hz；

（3）依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，隧道采用爆破施工對(duì)既有古建筑的影響較小，但在爆破施工中仍應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、弱爆破”原則，保證最大掏槽眼炸藥量不超過(guò)限值。