上跨既有線鐵路隧道路基石方控制爆破施工技術(shù)

趙富民

（中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司 山東日照 276826）

隨著我國交通運(yùn)輸工程的不斷進(jìn)步和發(fā)展，同一地區(qū)新建公路工程受地形、水文地質(zhì)條件、周圍建筑物的限制不可避免。而傳統(tǒng)的公路土方爆破會(huì)產(chǎn)生噪聲、飛石、振動(dòng)等有害影響［1］。當(dāng)公路跨越既有隧道時(shí)，爆破振動(dòng)控制關(guān)乎著既有隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，爆破開挖可能會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生整體隆起［2］等安全隱患。國內(nèi)目前有眾多學(xué)者對(duì)此類工程有過研究，張勤［3］等對(duì)旅游公路上跨高速公路隧道施工及運(yùn)營期間對(duì)隧道運(yùn)營安全的工程技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)踐效果較好。丁祥［4］采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究高速公路上跨隧道時(shí)路基石方爆破振動(dòng)影響，得到了振動(dòng)影響因素及振動(dòng)方向與爆源及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的關(guān)系。丁晨曦［5］通過數(shù)值模擬手段，對(duì)爆破施工對(duì)下方既有隧道的襯砌響應(yīng)進(jìn)行研究，得到了爆破位置、不同爆破荷載及機(jī)械/爆破混合方案對(duì)既有隧道的影響特征。Kaslik M［6］等對(duì)隧道上方發(fā)生爆破的結(jié)構(gòu)損壞進(jìn)行了研究，確定了隧道不同程度損壞相關(guān)的振動(dòng)水平。齊立賓［7］、趙晉超［8］等人介紹了上跨隧道路塹爆破的相關(guān)施工技術(shù)。目前，大部分的研究是通過數(shù)值模擬的手段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，本文從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，有針對(duì)性地制訂爆破方案與參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來驗(yàn)證其合理性，為今后類似工程的爆破施工提供參考。

1 工程概況

呈貢42 號(hào)路（黃馬高速呈貢南立交連接線）施工項(xiàng)目地處昆明市呈貢區(qū)吳家營街道，其中深挖路塹總長(zhǎng)700m，總挖方工程量達(dá)到243 萬m3，需爆破石方工程約214.6萬m3（占比達(dá)88%）。42號(hào)路主線路基上跨南昆客專新蓮隧道，最大挖高達(dá)到64m，爆破施工垂直距離與南昆客專新蓮隧道拱頂最近處僅73.7m，傳統(tǒng)爆破方案勢(shì)必會(huì)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)造成破壞。本次石方爆破開挖過程施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，需根據(jù)工程實(shí)際選擇合理的爆破方案和爆破參數(shù)加以控制。

2 爆破方案選取

呈貢42號(hào)路路塹開挖采用爆破法施工，對(duì)于爆破振動(dòng)對(duì)南昆客專新蓮隧道產(chǎn)生的影響，主要考慮通過控制鉆孔深度和試爆、施工總結(jié)的合理的孔網(wǎng)參數(shù)、減小爆破規(guī)模、采用數(shù)碼電子雷管逐孔起爆等措施來進(jìn)行安全控制。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》［9］、《鐵路工程爆破振動(dòng)安全技術(shù)規(guī)程》［10］，結(jié)合昆明市呈貢42號(hào)路（黃馬高速呈貢南立交連接線）上跨昆玉河、南昆客專部分施工圖設(shè)計(jì)涉及《鐵路隧道安全內(nèi)容評(píng)估報(bào)告》的評(píng)估結(jié)論及建議，本文將爆破振動(dòng)對(duì)南昆客專新蓮隧道的最大振速按2cm/s 進(jìn)行控制。并以隧道振動(dòng)速度80%，即將1.6cm/s 作為報(bào)警值。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［11］要求，呈貢42號(hào)路上跨既有鐵路隧道路基爆破施工為鄰近鐵路施工Ⅱ級(jí)，故爆破施工方案定在天窗時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，該時(shí)間段內(nèi)無列車通行。

3 爆破施工準(zhǔn)備

3.1 技術(shù)準(zhǔn)備

對(duì)路基中線進(jìn)行恢復(fù)，清理出路基邊線，釘牢路基邊樁，并依據(jù)實(shí)際地形與地質(zhì)特征、開挖爆破深度等選擇合理的爆破施工方案。做好安全交底和技術(shù)交底，讓現(xiàn)場(chǎng)施工人員都能有足夠的安全意識(shí)，了解此次爆破施工的安全隱患，并在開展工作時(shí)能嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3.2 材料與機(jī)具設(shè)備準(zhǔn)備

制定爆破材料與器材的存放儲(chǔ)存與運(yùn)輸措施，主要包括炸藥、導(dǎo)爆管、電子雷管、導(dǎo)爆索、卡口塞、四通管等。確保鉆機(jī)、空氣壓縮機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）及其他設(shè)備儀器滿足使用要求且沒有故障問題。

3.3 人員配備

爆破員、防護(hù)員、押運(yùn)員、安全員、倉管員等必須具有相關(guān)安全部門頒發(fā)的專業(yè)執(zhí)照，并且具有足夠的爆破施工經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔人員及爆破人員應(yīng)做好嚴(yán)格的防塵防爆保護(hù)措施。

4 爆破設(shè)計(jì)實(shí)施

4.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)原則

淺孔爆破施工中炮孔口徑要求不大于50mm，且深度要求不大于5m。針對(duì)本項(xiàng)目實(shí)際施工情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)淺孔爆破方案需從爆破振速、爆破殘?jiān)?、爆破危?個(gè)方面確保路基石方爆破施工不出現(xiàn)根底，并且爆堆呈現(xiàn)不分散及爆破后石方具有一定松散程度，以便于后續(xù)爆破殘?jiān)霓D(zhuǎn)載運(yùn)輸，爆破后大塊石方不大于5%，且石塊粒徑大小不大于30cm以便用于填石路基，若出現(xiàn)粒徑過大的爆后石塊，采用機(jī)械分解的方式進(jìn)行處理。另外，還要降低爆破危害效應(yīng)，即減小爆破產(chǎn)生的震動(dòng)、噪聲、飛石等對(duì)周圍建筑物及人員的危害?；谝陨显瓌t，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不斷調(diào)整和修改爆破參數(shù)，從而確定合理的布孔方式、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、裝填長(zhǎng)度、起爆方式、起爆順序和單位炸藥消耗量等參數(shù)，以期能達(dá)到最佳的淺孔精準(zhǔn)控制爆破施工效果。

4.2 爆破參數(shù)選取

本項(xiàng)目爆破施工采用全液壓露天鉆機(jī)，三角形布孔，鉆孔口徑42mm；使用2 號(hào)巖石乳化炸藥，直徑32mm，單卷長(zhǎng)度30cm，單卷重量300g，爆破方案相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 爆破方案參數(shù)取值

4.3 爆破網(wǎng)絡(luò)布置

電子雷管在安全性、降振性、便捷性方面相比其他起爆雷管有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在國家大力推廣電子雷管的大背景下，并且根據(jù)電子雷管使用的時(shí)間和使用數(shù)量的要求，本文選用電子雷管作為露天淺孔爆破首選的起爆器材，從而實(shí)現(xiàn)高精度的、可控的逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到控制爆破振速的目的。

4.4 爆破流程

爆破流程關(guān)系著最終的爆破施工效果，本次淺孔爆破流程為：施工前期準(zhǔn)備；爆破施工說明書的編制；確定爆區(qū)情況；選配機(jī)具設(shè)備與材料；檢查作業(yè)平臺(tái)；鉆機(jī)及爆破鉆孔人員就位；清理爆區(qū)剩余雜質(zhì)；鉆孔施工；裝藥填塞及炸藥與雷管聯(lián)結(jié)；爆破安全措施；警戒與起爆；安全隱患排除；清理啞炮；警戒信號(hào)解除；估爆破施工效果；修改設(shè)計(jì)參數(shù)；進(jìn)行下一循環(huán)爆破施工。

5 爆破安全控制及爆破實(shí)踐

5.1 爆破安全校核

5.1.1 爆破振動(dòng)安全容許距離

采用規(guī)范［9］中對(duì)于計(jì)算安全容許距離的相關(guān)公式：

式中，R為計(jì)算安全容許距離（m）；Q為裝藥量，齊發(fā)爆破方式和延時(shí)爆破方式分別為總裝藥量（kg）和最大單段裝藥量（kg）；V為爆破施工保護(hù)對(duì)象所能承受的安全容許質(zhì)點(diǎn)振速，按照鐵路局相關(guān)規(guī)定，選取預(yù)警值1.6cm/s；K、a分別為與爆點(diǎn)到目標(biāo)保護(hù)對(duì)象之間與地形和地質(zhì)工程條件相關(guān)的系數(shù)和衰減指標(biāo)，本文參照相關(guān)規(guī)程分別取180、1.6。

本次爆破施工最大單次爆破量約為1200m3，炸藥消耗400kg，炸藥單耗量為0.33kg/m3，其中具體布孔數(shù)量為10（排數(shù)）×10（單排孔數(shù)），孔深在5m 左右，單排炸藥量為40kg。下方新蓮鐵路隧道與爆破施工點(diǎn)相距73.7m，為最近結(jié)構(gòu)物即保護(hù)對(duì)象。

在允許最大振速1.6cm/s 的前提下，根據(jù)式（1）計(jì)算安全容許距離得R=65.5m，小于73.7m，路基石方爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)既有下方隧道產(chǎn)生有害影響。

5.1.2 爆破飛石距離

飛石飛散距離采用瑞典德湯尼克公式［12］：

式中，Rf為飛石計(jì)算距離（m）；Kq為安全系數(shù)，取值15.7；D為炮孔孔徑（cm），實(shí)際鉆孔孔徑為4.2cm。

根據(jù)式（2）計(jì)算飛石距離Rf為65.94m，滿足《爆破安全規(guī)程》中關(guān)于淺孔臺(tái)階爆破距離不大于300m的規(guī)定。為確保施工安全，仍按300m設(shè)置飛石警戒范圍。

在爆破振動(dòng)安全容許距離及爆破飛石距離都能達(dá)到相關(guān)規(guī)范的安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采用電子雷管高精度逐孔控制爆破施工，將最大限度地減少爆破對(duì)于下方既有隧道及周圍生態(tài)環(huán)境的影響。

5.2 安全技術(shù)措施

（1）在制作藥包時(shí)，炸藥和雷管二者之間的結(jié)合要確保牢固，避免炸藥和雷管之間發(fā)生松動(dòng)而引起拒爆。

（2）裝藥施工中要嚴(yán)格管控炸藥的填塞位置、長(zhǎng)度和質(zhì)量，填塞不得夾帶碎石，以免對(duì)起爆材料的性能、炸藥威力等產(chǎn)生影響。

（3）選擇合理的爆破孔網(wǎng)參數(shù)和炸藥單耗，采取密孔布置，采用低單耗和弱松動(dòng)的爆破原則，以減小爆破振動(dòng)的有害影響。

（4）避免結(jié)構(gòu)物方向與最小抵抗線方向相向，從而避免飛石破壞。

（5）嚴(yán)格實(shí)行300m 警戒范圍的設(shè)置，并且每次爆破中實(shí)行3次信號(hào)警示制度，即一炮三信號(hào)。

5.3 爆破實(shí)踐結(jié)果分析

整個(gè)上跨既有線鐵路隧道爆破施工實(shí)踐爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示，利用無列車通行天窗時(shí)間段，根據(jù)結(jié)構(gòu)物抗振實(shí)際情況，采用密打眼、少裝藥、多循環(huán)淺孔精準(zhǔn)控制爆破的方法有效地控制了爆破振動(dòng)速度。最終爆破后隧道內(nèi)的振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示最大為1.339cm/s，低于預(yù)警值的1.6cm/s，爆破振速始終在安全標(biāo)準(zhǔn)容許的范圍之內(nèi)，且與安全校核值相近。且通過對(duì)既有線鐵路隧道的裂縫和變形監(jiān)測(cè)和隧道交通運(yùn)營情況觀測(cè)結(jié)果顯示，隧道結(jié)構(gòu)并沒有受到損害，隧道運(yùn)營并沒有受到影響。實(shí)際爆破施工中沒有出現(xiàn)明顯的飛石，且出現(xiàn)的微弱的飛石情況并沒有對(duì)周圍建筑及人員造成傷害?？偠灾?，此次爆破施工安全有效，整體效果達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

公路路基石方爆破在遇到上跨既有鐵路隧道時(shí)，除傳統(tǒng)的飛石與噪聲危害需要注意外，更重要的是要防止爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的損傷。本文依據(jù)工程實(shí)際，合理地選擇爆破方案及制定相應(yīng)的安全技術(shù)措施后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐數(shù)據(jù)顯示，將爆破振動(dòng)速度完全控制在了規(guī)范允許的安全范圍之內(nèi)，該爆破技術(shù)對(duì)公路上跨既有鐵路隧道類似工程具有較高的普及推廣價(jià)值。