拆除爆破施工在隧道改擴建中關(guān)鍵技術(shù)研究

熊小軍　粟瓊林　蔣弘斌　廖孫念　鄭繼有　黃朝喜　覃勇然

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)有的道路遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足交通的需要，在道路改擴建工程中，隧道的改擴建是一項難度較大的工程，本文通過雙向四車道隧道擴建為雙向六車道隧道的工程實例，結(jié)合爆破參數(shù)的設(shè)計，爆破危險有害因素的控制，揭示拆除爆破施工在隧道改擴建中的應(yīng)用，總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗，為今后類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：拆除爆破;隧道;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：U445.6 文獻標(biāo)識碼：A

0 前言

拆除控制爆破是通過控制爆破的形式拆除地面、地下、水下建筑物的一種技術(shù)。拆除爆破的理論經(jīng)歷了經(jīng)驗化向定性化、定量化的發(fā)展階段。由于傳統(tǒng)的爆破技術(shù)的自身局限性，使其無法直接用于拆除控制爆破。拆除控制爆破則是在充分借鑒爆炸力學(xué)、工程力學(xué)及空氣動力學(xué)等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的新方法。該法在實際運用中也需結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)特征、材料性質(zhì)、荷載及穩(wěn)定狀態(tài)等因素綜合考慮。目前，拆除控制爆破在工程中已得到廣泛運用，與傳統(tǒng)的工法相比（人工、機械拆除等），拆除控制爆破法效率及可靠度均更高，優(yōu)點突出，但其作業(yè)風(fēng)險大，特別是將其應(yīng)用于隧道、地下暗挖等復(fù)雜條件下的地下工程中時，需特別注重安全問題，并制定詳盡可行的爆破專項施工方案。在方案實施時，務(wù)必嚴(yán)格控制其過程，結(jié)合經(jīng)審核的安全與防護技術(shù)措施，這就使得控制爆破技術(shù)對實施者有較高的技術(shù)實力與經(jīng)驗要求。因此，在復(fù)雜工況或地質(zhì)條件下，運用控制爆破技術(shù)對依托工程中的襯砌結(jié)構(gòu)進行拆除時就必需展開前期研究。在此類拆除工程中，需對爆破方案進行動態(tài)控制，并不斷優(yōu)化，通過調(diào)整各參數(shù)來檢驗方案的安全可靠性或有效性，以達到保障拆除工程安全施工的目的。

1 工程簡介

1.1 工程概況

廣西天峨至北海高速公路巴馬至平果段（巴馬至羌圩共線）與賀州至巴馬高速都安至巴馬高速公路羌圩段交匯重合，原都巴高速公路設(shè)計為雙向四車道高速公路，并已完成主線（含隧道）施工，為滿足兩條高速匯合后導(dǎo)致車流量大增的需要，現(xiàn)擬對原廷心隧道進行擴建至雙向六車道，擴建隧道位于廣西河池市大化縣羌圩鄉(xiāng)洪籌村廷心屯附近，采取原位改擴建，其中隧道撐砌鋼筋混凝土采取爆破拆除的方法進行施工。

既有廷心隧道右洞樁號為YK435+105～YK435+621，長561 m;左線樁號為ZK435+115～ZK435+622.5，長507.5 m。廷心隧道為雙向四車道中長隧道，建筑限界：寬11.0 m，高5 m。擴建后為雙向六車道中長隧道，隧道建筑限界：寬14.5 m，高5 m。最大擴寬3.62 m。隧道原初支為I25b工字鋼，鋼架0.5 m/榀，雙層φ8鋼筋網(wǎng)15×15 cm，C25噴射混凝土，厚度0.3 m;二次襯砌拱墻、仰拱厚度0.6 m。改擴建如圖1。

1.2 工程地質(zhì)

隧道區(qū)屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大，廷心隧道穿越相同山體，地面高程在210～339 m之間，相對高差約129 m，隧道洞身埋深不深，最大埋深109.6 m。進口出口段山體斜坡自然坡角約40～60°。隧道區(qū)多覆蓋厚度不大的第四系覆蓋層，地表植被較發(fā)育，主要為灌木及松樹等。根據(jù)鉆探及工程地質(zhì)測繪，隧道區(qū)地層主要由第四系坡殘堆積層、三疊系百逢組地層組成。隧道所穿越山體主要為三疊系百逢組砂巖為主，隧道進出口段主要是由碎石及強風(fēng)化砂巖組成，巖質(zhì)較軟，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，呈薄層夾中厚層狀構(gòu)造，巖體破碎;洞身段主要為中風(fēng)化巖，巖質(zhì)較硬，局部裂隙很發(fā)育，多呈張開閉合狀態(tài)，力學(xué)強度較高，抗風(fēng)化能力強，工程地質(zhì)穩(wěn)定性較好。隧道位于山坡上隧道埋深山坡部位深度較大，兩側(cè)埋深逐漸變淺，地表水沿覆蓋層中的空隙或沿縱向裂縫垂直下滲，隧道開挖時洞室一般以淋雨或涌流狀出水為主，局部裂隙發(fā)育，巖體破碎地段可能出現(xiàn)突水的地質(zhì)災(zāi)害，要注意防范。

2 優(yōu)選拆除方案

2.1 常規(guī)拆除方案及存在問題

2.1.1 機械拆除工法

炮機、鉤機拆除對含筋率較高的砼構(gòu)件，其破壞隧道結(jié)構(gòu)整體性效果較差，且工作效率較低，耗時較長，但工期不允許。

2.1.2 膨脹劑靜態(tài)破碎工法

靜態(tài)爆破就是利用裝在介質(zhì)鉆孔中的靜態(tài)破碎劑加水發(fā)生水化反應(yīng)，使破碎劑晶體變形，產(chǎn)生體積膨脹，從而緩慢的、靜靜地將膨脹壓力（可達30～50 MPa，最大實驗值可達120 MPa，混凝土拉伸強度一般在2～6 MPa）施加給孔壁，經(jīng)過一段時間后（12～24 h）達到最大值，將介質(zhì)脹裂破碎。作業(yè)人員人置于高處鉆孔作業(yè)，對鋼筋混凝土破碎效果差，還需結(jié)合機械拆除，工作效率不高。

2.2 確定拆除方案

以“確保安全、節(jié)省工期和提高工效”三方面為基本原則確定拆除方案，經(jīng)對廷心隧道前期初支施工調(diào)查，在加強現(xiàn)場監(jiān)測的前提下，結(jié)合項目實際情況，采用控制爆破技術(shù)拆除襯砌鋼筋混凝土，輔以機械二次破碎鑿除，并采取人工回收鋼筋。這樣可減少對圍巖和初期支護的擾動，并確保該處初期支護結(jié)構(gòu)與洞門的穩(wěn)定，防止塌方。經(jīng)過上述方案的對比分析，確定采取以環(huán)向鉆孔、縱向分段爆破剝離及機械二次破碎的工法為最終拆除方案。廷心隧道屬于中長隧道，采取單洞雙向掘進，按“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、強支護、勤量測、快封閉、早成環(huán)、緊襯砌”的新奧法組織施工，以減少對圍巖的擾動，確保開挖工作安全、順利的進行。采用上下臺階開挖法，具體施工工藝如下：

（1）利用洞渣回填形成平臺，然后進行超前導(dǎo)管支護（導(dǎo)管規(guī)格：Φ50*5 mm，長度4.5 m/根）。再對原襯砌上半斷面進行拆除。

（2）采用減弱松動爆破拆除上臺階原二襯及初支，采用機械清理松散體并切割鋼架及鋼筋。由于原隧道施工時已對周圍的圍巖產(chǎn)生多次擾動，本次擴建爆破拆除原二襯及初支會對隧道圍巖產(chǎn)生再次擾動，存在較大的安全隱患，爆破拆除進尺長度應(yīng)控制在3 m以內(nèi)，最大震動速度控制在10 cm/s以下。

（3）圍巖擴挖：

①土質(zhì)圍巖及松散破碎圍巖采用液壓碎碎機和挖掘機配合擴挖。

②硬質(zhì)圍巖可采用減弱松動爆破進行，機械輔助擴挖。

③擴挖后及時施工初期支護，并加設(shè)臨時支撐，臨時支撐側(cè)墻分節(jié)位置不應(yīng)與上下臺階分界線處于同一水平面。

④在原右側(cè)壁直墻頂立I18型鋼（@50 cm）中支撐至拱頂。設(shè)置臨時仰拱橫撐，及時跟進初期支護使拱腳落地。

（4）仰拱。清除仰拱底部虛渣及廢料，開挖仰拱至標(biāo)高位置，復(fù)核承載力后進行主洞仰拱施作，全環(huán)鋪設(shè)防水板，采用模板臺車全斷面一次性澆筑二次襯砌混凝土，注意待初期支護變形穩(wěn)定后方可施工二襯。

（5）上臺階初期支護。安裝鋼拱架→打設(shè)鎖腳錨桿→掛鋼筋網(wǎng)→安裝錨桿→噴混凝土。

（6）下臺階。二襯拆除、擴挖清理洞渣，采用分層弱爆破施工，機械拆除路面及仰拱填充層。

3 隧道拆除爆破施工難點

（1）二襯厚度僅0.6 m，鋼筋布置密集，爆后清渣未到位，未切割拆除二襯鋼筋就實施鉆孔，爆破鉆孔施工較為不易。

（2）待擴寬的圍巖裂隙較多，鉆孔容易變形，導(dǎo)致裝藥卡孔，施工困難。

（3）期洞口爆破時警戒困難，隧道一邊開挖，一邊通車，洞口施工人員車輛往來頻繁，洞口生活區(qū)、施工便道、路基、橋面及橋底下便道均需要配備警戒人員。

（4）爆破后，由于爆破振動，圍巖不穩(wěn)定，局部存在冒頂、塌方等安全隱患，如若有盲炮，處理難度大，耗時長。

（5）擴建爆破次數(shù)頻繁，爆破產(chǎn)生的振動、噪聲及空氣沖擊波等有害因素對隧道圍巖自穩(wěn)及周邊環(huán)境造成一定影響。

4 爆破參數(shù)及安全防護措施

4.1 爆破參數(shù)設(shè)計

4.2 爆破安全防護措施

4.2.1 爆破地震的安全控制措施

根據(jù)不同圍巖、斷面特點優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)計，采取分段延時起爆，嚴(yán)格控制最大單響藥量可大大減少地震波的影響。

4.2.2 爆破飛散物的控制措施

爆破飛石是指爆破時個別或少量脫離爆堆、飛得較遠(yuǎn)的石塊或碎塊。在爆破施工中，爆破飛石往往是造成人員傷亡、設(shè)備和建（構(gòu)）筑物損壞的主要原因。因此，在爆破施工中控制飛石是防止發(fā)生事故的一項重要措施。

（1）爆破飛散物的飛散距離的規(guī)定。爆破產(chǎn)生個別飛石的最大距離由下式確定：

Rmax=Kfqd

式中：Rmax------ 爆破產(chǎn)生個別飛石的最大距離，m;

Kf------與爆破方式、填塞狀況、地質(zhì)地形有關(guān)的系數(shù)，取1.0～1.5;

Q------炸藥單耗，0.6～1.4 kg/m3;具體根據(jù)爆破效果適當(dāng)調(diào)整;

d------藥孔直徑，取40 mm。

計算結(jié)果：φ40 mm孔 Rmax=（34.8～55.2）m。

按《爆破安全規(guī)程》規(guī)定：淺孔爆破個別飛石對人員的安全允許距離不小于200 m（復(fù)雜地質(zhì)條件下或未形成臺階工作面時不小于300 m），沿山坡爆破時，下坡方向的個別飛散物安全允許距離應(yīng)增大50%。

（2）控制爆破產(chǎn)生飛散物的預(yù)防措施：

①炮孔設(shè)計合理、炮孔位置測量和驗收嚴(yán)格，是控制飛散物事故的基礎(chǔ)。清理工作面上松動的石塊;裝藥前應(yīng)認(rèn)真校核各藥包的最小抵抗線，嚴(yán)格按設(shè)計控制單孔藥量。

②施工時慎重對待軟弱帶、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙較發(fā)育的區(qū)域，采取優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)、間隔裝藥、確保堵塞質(zhì)量和長度。

③堵塞長度必須大于最小抵抗線，堵塞必須密實;確保堵塞質(zhì)量，堵塞物中避免夾雜碎石。

④采用低爆速炸藥，不耦合裝藥和毫秒起爆等，可以起到控制飛散物的作用。

⑤合理設(shè)置毫秒延期時間。

⑥加強爆破安全警戒，確保警戒距離符合規(guī)范要求。

4.2.3 爆破沖擊波的預(yù)防措施

由于本項目是采取鉆孔裝藥爆破，炸藥的能量主要消耗在破碎巖石和轉(zhuǎn)化為地震波的危害，其爆破的沖擊波在對地下巖體爆破做功后，在露天衰減很快，不足以對建（構(gòu)）筑物造成損害。爆破沖擊波的預(yù)防措施主要如下：

（1）避免裸露爆破，一次爆破炮孔間延時不要太長，以免因延期時間過長使后響的炮孔抵抗線變小或變成裸露爆破。

（2）控制一次起爆藥量，將爆破總藥量均勻分布到各個爆破部位，使爆炸能量最大限度得到有效利用，將耗于爆炸沖擊波的無效能量減至最小限度。

（3）嚴(yán)格控制最小抵抗線、方向和數(shù)值，確保堵塞長度和質(zhì)量。

（4）有水炮孔要用鉆孔時產(chǎn)生的巖屑堵塞，而不能用黃泥進行堵塞。

（5）采用毫秒微差起爆方式，在設(shè)計中要考慮避免形成波束。

（6）考慮地質(zhì)異常，需采取措施。例如斷層、張開裂隙處要間隔堵塞，大裂隙處要避免過量裝藥。

（7）爆破時，除爆破操作人員外，其他人員應(yīng)在爆破警戒線外等候。

5 結(jié)語

分段爆破，二襯爆破時混凝土與鋼筋基本脫落，炮孔利用率達到90%以上，圍巖炮孔利用率達到85%以上，無超挖。爆破能量通過巖石擠壓破壞工字鋼初支，連接處變型。爆破采用上下臺階有利于大型機械施工，初支閉合時間縮短，閉合時間早，爆破循環(huán)時間相對縮短，爆破對圍巖及新建初支和二襯影響較小。

爆破前需收集原隧道支護類型及二襯鋼筋大小及分布情況，為實施鉆孔、確保爆破拆除效果提供了有效的依據(jù)。上臺階爆破拆除與擴建圍巖同時實施爆破一次成形，給下一步施工提升了空間和時間。下臺階采用掏槽的方式，把圍巖擴建部分先開挖，清理出臨空面后再對仰拱實施爆破，確保仰拱的爆破效果。實施過程逐步優(yōu)化參數(shù)，結(jié)合全過程監(jiān)控量測，未造成初支、防水板及二襯結(jié)構(gòu)附加損傷，拆除與重建的工作安全、按期、按質(zhì)完成，驗證了本文的拆除爆破方案高效、可行，可在類似工程中推廣應(yīng)用。

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作者簡介：熊小軍（1974—），男，廣西灌陽人，本科，工程師、爆破工程技術(shù)人員（C）、一級安全評價師、注冊安全工程師，從事爆破技術(shù)的研究和安全管理工作。