臨近既有線隧道爆破施工技術(shù)研究

郭士維 GUO Shi-wei

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，石家莊050000）

1 工程概況

2 工程地質(zhì)

2.1 麻拉寨隧道泄水洞

該泄水洞所處地形總體趨勢為測區(qū)中部高東西兩側(cè)低的云貴高原斜坡地帶，山脊呈NNE走向。溝槽切割明顯劇烈。喀斯特地貌發(fā)育，東西兩側(cè)丘陵地貌發(fā)育，山頂渾圓，植被較發(fā)育。測區(qū)基巖大多裸露，為二疊系中統(tǒng)新苑組頁巖、白云巖；二疊系上統(tǒng)長興-大隆組-吳家坪組砂巖、灰?guī)r；二疊系上統(tǒng)吳家坪組硅質(zhì)頁巖夾煤、灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)梁山組泥巖夾砂巖、灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、粘土巖；泥盆系上統(tǒng)望城坡-堯梭組組灰?guī)r夾泥灰?guī)r。探明地勘區(qū)處于徑向隔槽式褶皺帶的背、向斜結(jié)合部，都勻向斜西翼。構(gòu)造線以北北東向為主，少部顯北西向。受都勻斷裂帶的影響，區(qū)內(nèi)褶皺多被破壞，斷層發(fā)育。泄水洞穿越渚拉窩當(dāng)斷層?？傮w地下水較發(fā)育，主要為碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。

2.2 茅坪山隧道泄水洞（1#泄水洞、2#泄水洞、3#泄水洞）

所處地形中部高四周低的云貴高原斜坡地帶，泄水洞全段穿越碳酸鹽巖分布區(qū)，屬于典型的喀斯特構(gòu)造剝蝕～溶蝕槽谷地貌特點。所處位置槽谷發(fā)育，斷層、大型節(jié)理構(gòu)造與槽谷發(fā)育的走向基本一致。山體兩側(cè)斜坡較陡，坡角達(dá)25～40°，多集中排泄地下室，沖溝明顯，勘查區(qū)域基巖裸露明顯，構(gòu)造覆蓋第四系坡洪積紅黏土、粗角礫土，緩坡上多為坡殘積碎石土及人工填土層所覆蓋，下伏基巖為寒武系中統(tǒng)高臺組、寒武系下統(tǒng)清虛洞組及寒武系下統(tǒng)杷榔組地層，總體構(gòu)造為傾斜構(gòu)造，構(gòu)造線的展布方向主體為北向東，少部呈近東西向展布。區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，但洞身穿越地段地層傾角較小，趨于平緩狀態(tài)，多波狀起伏，呈現(xiàn)大范圍撓曲特征，區(qū)域發(fā)育4條斷層，后山斷裂、隆昌斷層、茅坪山斷層及魚沖斷裂。地下水類型主要有基巖裂隙水、松散土層孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水三種。

3 光面爆破開挖技巧

3.1 光面爆破簡介

為充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)定能力，以巖體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，及時支護(hù)，采用錨噴支護(hù)的方法控制圍巖變形和松弛，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，將圍巖作為支護(hù)系統(tǒng)的一部分。主要通過毫秒爆破和光面爆破技術(shù)，減少對圍巖的擾動，避免對圍巖擾動太大后破損嚴(yán)重，從而失穩(wěn)坍塌。通過對圍巖和支護(hù)的量測、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道施工，結(jié)合變形情況及內(nèi)力檢測適時的進(jìn)行二襯施工，從而形成以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐為初期支護(hù)的柔性支護(hù)體系，使得泄水洞在因開挖過程成洞，使山體內(nèi)應(yīng)力重新分配，通過適當(dāng)釋放變形，使得巖體自身的承載能力得到充分的發(fā)揮，二次襯砌主要是作為一種安全儲備作用。而光面爆破就是為了最大限度減少開挖對圍巖的擾動，通過沿隧道開挖輪廓線布一圈較密的炮孔，采用間隔和不耦合形式裝藥，使爆破后隧道輪廓不受破壞或少受破壞，超欠挖量?。ㄉ俪偾?，超欠相抵），輪廓面比較完整平順，圍巖較好時在輪廓面上留有相當(dāng)數(shù)量的炮痕，炮痕率30～100%。輪廓面比較完整平順的一種開挖方法。具體見圖1。

圖1 光面爆破布設(shè)炮孔

3.2 鉆爆設(shè)計總體說明

為了保證爆破后的開挖輪廓線，避免超欠挖并減少對周邊圍巖及既有鐵路的擾動，保證開挖面的平整規(guī)則，采用光面控制爆破。而工程地質(zhì)狀況是決定光面控制爆破效果的關(guān)鍵因素。在施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)情況，合理選擇炮孔深度、孔徑、炮孔間距、裝藥類型等鉆爆參數(shù)，并結(jié)合實際情況，不斷優(yōu)化。鉆眼采用氣腿鑿巖機(jī)，臨空面采用楔形掏槽方式。單位炸藥消耗量應(yīng)滿足較高的炮眼利用率和降低大塊率要求，并便于機(jī)械裝碴。

3.3 光面爆破參數(shù)設(shè)計

光面爆破不偶合系數(shù)：

式中：D——不偶合系數(shù)；dk——炮眼直徑cm；di——炸藥直徑cm；α——爆生氣體分子余容系數(shù)；P0——爆生氣體的初始壓力，Pa；[σc]——巖石三軸抗壓強(qiáng)度，Pa；r——絕熱指數(shù)；

光面爆破周邊眼間距：E=54.2976Kpdi

式中：Kp——抗破壞屈服系數(shù)（巖石），具體見表1，di——炸藥直徑，cm；最小抵抗線：炮眼密集度系數(shù)即E/W=0.8。

N個感知半徑為Rs的傳感器節(jié)點S1,S2,…,SN隨機(jī)部署在長為L,寬為W的矩形區(qū)域內(nèi),假設(shè)該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下性質(zhì):①所有傳感器節(jié)點隨機(jī)部署后為靜止?fàn)顟B(tài);②可以通過定位技術(shù)確定每個節(jié)點的位置;③相對于節(jié)點的感知覆蓋范圍,目標(biāo)區(qū)域的面積足夠大,邊界效應(yīng)可以忽略;④節(jié)點采用布爾感知模型,網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)格覆蓋模型;⑤無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò),所有節(jié)點(不包括Sink節(jié)點)具有相同的參數(shù)和初始條件,節(jié)點的最大通信半徑Rc和感知半徑Rs無特定關(guān)系;⑥網(wǎng)絡(luò)無時鐘同步的要求。

表1 巖石抗破壞屈服系數(shù)Kp

式中：E——炮眼間距，cm；W——最小抵抗線，cm。

光面爆破炮眼裝填系數(shù)：

式中：β——光面爆破炮眼裝填系數(shù)；[τ]——巖石抗剪強(qiáng)度，Pa；[σe]——巖石抗拉強(qiáng)度，Pa；L——炮眼深度，cm。

3.4 Ⅲ、Ⅳ級采用全斷面開挖，Ⅴ級采用兩臺階開挖施工方法

①首先按照破空布置圖進(jìn)行測量放樣，采用紅油漆標(biāo)注開挖輪廓線，按照圖紙標(biāo)注掏槽、輔助、周邊眼的位置。采用YT-28型鑿巖機(jī)鉆孔，按照設(shè)計的角度進(jìn)行鉆孔，把誤差減到最小，以確保爆破質(zhì)量。掏槽孔要保證鉆孔角度，在輪廓線內(nèi)5cm傾斜打設(shè)周邊眼，外插腳1°～2°；周邊孔鉆孔誤差環(huán)向及徑向符合光面爆破相關(guān)要求；掏槽孔不大于3cm，其它孔開眼誤差不大于5cm。②鉆孔完成后，采用小直徑鋼筋及高壓風(fēng)管孔內(nèi)吹風(fēng)，將孔內(nèi)石屑及雜物清理干凈。經(jīng)檢查合格后方可裝藥。裝藥分片分組負(fù)責(zé)，應(yīng)自上而進(jìn)行裝藥，裝藥數(shù)量及雷管段位嚴(yán)格按照爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計進(jìn)行安防，按順序連接起爆網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)真檢查復(fù)核并依照爆破設(shè)計要求和《爆破安全規(guī)程》嚴(yán)格執(zhí)行。③采用間隔不耦合裝藥，采用炮泥對炮孔進(jìn)行有效堵塞，提高爆破效能及炸藥的利用率，降低炸藥用量。裝藥后用炮泥進(jìn)行認(rèn)真堵塞，掏槽孔要把不裝藥部分全部堵塞，周邊孔采用不小于20cm的炮泥堵塞，其余炮孔按照不小于最小抵抗線的80%的長度進(jìn)行堵塞，能夠有效保證爆破的安全及提高炸藥利用率。爆破采用光面控制爆破，非電毫秒雷管起爆。

4 控爆施工工藝

4.1 控爆總體方案

既有線總體爆破方案為：統(tǒng)攬全局、分段實施、防控結(jié)合、控制規(guī)?？乇瑓?shù)按照以下條件計算：炮孔直徑42mm，藥卷直徑32mm，藥卷長度20cm，藥卷質(zhì)量為200 g/條，炸藥為乳化炸藥。爆破雷管采用非電毫秒雷管，控爆方法采用楔形掏槽先爆形成臨空面，然后輔助眼及周邊眼相繼爆破，要求斜鉆孔，密布眼，少裝藥，且爆破時間為天窗點（23：00-5：00）。

4.2 炮孔覆蓋設(shè)計方案

炮孔阻塞：炮孔阻塞長度應(yīng)大于或等于最小抵抗線，阻塞材料采用沙土或者粘土（炮泥）堵塞，嚴(yán)禁采用含有尖銳石塊阻塞。

按照既有線不同的邊沿加寬厚度和開挖高度，靈活應(yīng)用淺孔臺階隔墻防護(hù)控制爆破的各項參數(shù)，孔網(wǎng)布置，裝藥結(jié)構(gòu)，爆破順序和起爆方法，嚴(yán)格控制最小抵抗線方向及炮孔阻塞長度，按照不同的淺孔臺階爆破參數(shù)。

4.3 爆破后檢查內(nèi)容

①爆破后超過5分鐘方可準(zhǔn)許檢查人員進(jìn)入爆破作業(yè)地點，如不能確認(rèn)有無盲炮，應(yīng)經(jīng)過15分鐘后才可進(jìn)入檢查。②地下爆破有無瓦斯及地下水流出，有無冒頂、危巖、支撐是否破壞，有毒氣體是否排除。③在爆破警戒區(qū)內(nèi)公共設(shè)施寫明警示，嚴(yán)禁其他無關(guān)人員進(jìn)入爆破區(qū)，檢查人員應(yīng)將檢查獲得的情況立即報告工作領(lǐng)導(dǎo)人，對重要的爆破工程項目應(yīng)填寫“爆破后檢查記錄表”，發(fā)現(xiàn)盲炮或其他險情應(yīng)立即上報并請示處理，在處理前應(yīng)在現(xiàn)場設(shè)立危險標(biāo)志，禁止無關(guān)人員進(jìn)入。發(fā)現(xiàn)殘存的爆破器材應(yīng)收集上交，集中銷毀。

5 爆破參數(shù)（具體見表2、表3）

表2 光面爆破參數(shù)表

表3 爆破器材選擇表

炮眼布置原則：布置炮眼時，先布置掏槽眼，其次周邊眼，最后輔助眼。掏槽眼布置在導(dǎo)坑的中央或者偏下方，為充分發(fā)揮掏槽眼創(chuàng)造臨空面的作用，比其他炮眼深10cm；其他炮眼（除底眼外）深度要一致，眼底應(yīng)落在一個平面上。掏槽范圍一般為1.6×1.6m；周邊眼應(yīng)嚴(yán)格沿設(shè)計開挖輪廓線均勻布置為40cm，幫眼和頂眼間距在堅硬巖層中和周邊眼的深度一致；在中硬巖層中正好為達(dá)到坑道的邊界；軟巖中在導(dǎo)坑邊線以內(nèi)10cm；底眼不論在任何情況下都超出導(dǎo)坑邊界10cm，深度與掏槽眼深度一致。周邊眼和掏槽眼之間距離過大時，應(yīng)適當(dāng)布置輔助眼，間距80cm-100cm。合理布置掏槽炮眼是直接關(guān)系到坑道的掘進(jìn)效率和炮眼的利用率，但掏槽的形式、掏槽炮眼的深度、掏槽眼的深度、掏槽眼的數(shù)目、間距及角度都是重要的因素。掏槽的形式一般分為斜眼和直眼兩種，我們一般采用斜眼垂直楔形掏槽，缺點是沒有直眼掏槽進(jìn)尺大。

6 爆破震速監(jiān)控

參考國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，具體見圖2。

圖2 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程

振動波示意圖，具體見圖3。

圖3 振動波示意圖

泄水洞與隧道位置斷面示意圖，具體見圖4。

圖4 泄水洞與隧道位置斷面示意圖

6.1 調(diào)整測振采集儀安裝位置方案

測振采集儀原安裝位置在側(cè)溝電纜槽的通信信號槽內(nèi)，由于貴州凱里地區(qū)進(jìn)入雨季，隧道內(nèi)過水量增大，導(dǎo)致電纜槽內(nèi)存在積水、過水情況，對采集儀造成嚴(yán)重威脅，為保證采集設(shè)備安全，測振工作的順利進(jìn)展，將原安放在電纜槽內(nèi)的采集儀位置調(diào)整至襯砌結(jié)構(gòu)上。具體見圖5。

圖5 測振采集儀安裝

6.2 布置原則

①最大振動斷面的位置和方向監(jiān)測；②爆破地震效應(yīng)的跟蹤監(jiān)測，爆破地震波衰減規(guī)律監(jiān)測；③本項目監(jiān)測以地震波質(zhì)點的振動速率作為衡量地震波強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。

6.3 監(jiān)測點的布置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況以全斷面開挖作為代表工況對爆破振動進(jìn)行數(shù)值模擬并結(jié)合爆破振動傳播規(guī)律及以往經(jīng)驗，在隧道斷面上，近爆源一側(cè)的振動峰值大于遠(yuǎn)爆源一側(cè)，因此在現(xiàn)場監(jiān)測中應(yīng)將測點布置在近爆源處。針對既有隧道現(xiàn)場不易放置測點的位置，例如拱頂、拱底、拱腰處，現(xiàn)場監(jiān)測時采用替代測點的方法進(jìn)行處理。①襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點布置。襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點考慮震源位于隧道靠下，隧道襯砌監(jiān)測點布置在最靠近震源一側(cè)的襯砌邊墻處。布置三矢量傳感器，具體位置見圖6：根據(jù)圖6“監(jiān)測點位置”，襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點布置在側(cè)溝電纜槽頂面與襯砌交接處。②接觸網(wǎng)支柱監(jiān)測點布置。鑒于本隧道已運行，可不在接觸網(wǎng)支柱上直接布置監(jiān)測點；根據(jù)爆破振動傳播規(guī)律以及以往經(jīng)驗，結(jié)合泄水洞與正洞位置關(guān)系，接觸網(wǎng)支柱的振動監(jiān)測以襯砌結(jié)構(gòu)處監(jiān)測點作為替代點，間接反映爆破振動對接觸網(wǎng)支柱的影響。③道床結(jié)構(gòu)監(jiān)測點布置。道床結(jié)構(gòu)監(jiān)測點布置在靠近震源一側(cè)的道床板頂面左側(cè)邊緣處。道床結(jié)構(gòu)監(jiān)測點處布置一個豎直向傳感器。具體位置見圖7。④變壓器設(shè)備監(jiān)測點布置。由于正洞變壓器設(shè)備安裝與變壓器專用洞室中，變壓器設(shè)備監(jiān)測可通過監(jiān)測洞室處襯砌結(jié)構(gòu)來反映變壓器設(shè)備的震動速度。

圖6 襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點位置

圖7 道床結(jié)構(gòu)監(jiān)測點布置