新建永興二號隧道洞口坡體爆破設(shè)計與加固技術(shù)研究

周軍偉

(云桂鐵路廣西有限責(zé)任公司 廣西南寧 530000)

1 前言

至2020年底，我國已建高速鐵路隧道數(shù)量達3 600多座，隧道總長達6 000 km，新建隧道的爆破振動可能危害到周邊工程結(jié)構(gòu)物的安全，如何保證其安全是關(guān)注的重點。

在山嶺隧道施工中，振動效應(yīng)[1]可能會破壞隧道及周邊結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，如隧道洞口的邊坡穩(wěn)定受到裝藥量[2-3]、破振動的強度、持續(xù)時間、開挖距離以及洞口坡體[4]等因素的影響，為此，需采用不同的施工方法和支護手段對邊坡進行支護[5]。

王剛[6]提出了隧道爆破作用下高順層巖質(zhì)邊的動力穩(wěn)定系數(shù)計算式。苑雪飛[7]提出采用半明半暗淺埋偏壓蓋挖進洞施工工法以減少隧道洞口的土石方開挖，提高洞口邊坡的穩(wěn)定性。張乾坤等[8]總結(jié)了黃土隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析的管控技術(shù)要點。侯秋萍[9]對隧道洞口高邊坡的加固措施進行了分析，分析得到管棚超前支護對邊坡的整體沉降控制效果最好。宋佳[10]提出在隧道洞口設(shè)置大截面的框架梁可以提高邊坡穩(wěn)定性。狄琛等[11]利用數(shù)值分析手段優(yōu)化了隧道洞口邊坡的放坡位置。黃海寧等[12]研究了隧道洞口邊坡落石的危害性，指出需要采取相應(yīng)的防治措施。

由于建設(shè)場地地質(zhì)條件的不確定性和建設(shè)環(huán)境的復(fù)雜性，山嶺隧道施工控制具有極強的個案性。本文依托新建貴南高鐵永興二號隧道建設(shè)工程，考慮廣西地區(qū)山體易受振動擾動的特點，提出先行對山體進行爆破施工與機械施工相結(jié)合開挖，形成邊坡后進行隧道開挖的施工思路，設(shè)計現(xiàn)場爆破方案并對爆破后隧道和邊坡的穩(wěn)定性進行驗算分析，驗證該施工方案的可行性，為今后類似工程建設(shè)提供重要參考。

2 工程概況

新建貴陽至南寧高速鐵路站前GNZQ-4標永興二號隧道所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，進出山體地形險峻，對隧道的貫通形成了極大的挑戰(zhàn)。隧道施工區(qū)域主要工程地質(zhì)問題有危巖落石、巖溶、破碎帶、緩傾巖層及弱膨脹土。危巖為弱風(fēng)化的灰?guī)r、白云巖，石質(zhì)堅硬，節(jié)理裂隙、裂縫較發(fā)育，由于不斷被溶蝕結(jié)構(gòu)面和節(jié)理結(jié)構(gòu)面切割、分離，巖體完整性較差，局部形成孤石，危巖運動主要以落石形式發(fā)生，崩塌形式次之。

永興二號隧道洞口設(shè)計斷面圖如圖1所示。

圖1 永興二號隧道洞口設(shè)計斷面圖

隧道里程為 DK287+940～DK288+274，全長334 m，最大埋深148 m，隧道絕對高程190～367.7 m，相對高差為30～80 m，洞口距地面27 m。永興二號隧道所處地質(zhì)條件依次為:(1)地表黏土，呈現(xiàn)灰褐色～棕黃色，硬塑狀，含有少量的灰?guī)r質(zhì)角礫和塊石，其中塊石土呈淺灰色，母巖為灰?guī)r，為山體陡崖崩落堆積，塊徑為0.5～1.5 m，主要分布于山坡坡腳及斜坡地帶，厚度為2～6 m，屬于Ⅴ級次堅石；(2)灰?guī)r及白云巖，呈現(xiàn)灰～深灰色，隱晶～細晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙較發(fā)育裂隙張度1～5 cm，最大約30 cm，巖表溶蝕凹槽、溶隙較發(fā)育，屬Ⅴ級次堅石。

在隧道進口上方，仰坡順層清方開挖成五級邊坡，因此需對山體進行爆破施工，山體開挖東南兩面均為空地，在隧道出口處正東方向30 m處存在錨墩，連接2根60 m長斜拉鋼索，錨索架高過江輸油管道，隧道出口正前方27 m處存在埋深約為0.8 m的輸油管道，山體西面350 m處存在居民房屋，山體隧道進口位于背面，地勢平緩，植被發(fā)育，用于2號隧道相鄰1號隧道的堆渣場地，山體西側(cè)山腳下用于2號隧道堆渣場地。

3 爆破方案設(shè)計及安全距離校核

3.1 爆破方案的總體設(shè)計

本工程的特點是修建一條環(huán)山的施工便道公路，路面寬4 m，屬露天石方爆破，由于該山體整體坡度較陡峭仰角約50°，爆區(qū)地處山區(qū)，需采用小孔徑鉆機鉆孔，并進行淺孔松動爆破。該山體巖性屬弱風(fēng)化石灰?guī)r，可爆性好，大部分應(yīng)選擇淺孔臺階爆破，按公路部門設(shè)計要求，部分邊坡采用光面爆破。每50 m修建交匯停車區(qū)長約8 m寬約7 m；滿足大型施工機械、運輸車輛的順利通行，坡度按照每公里20°～30°。

為方便修建施工便道，采用鉆孔直徑為38～42 mm的小型鉆機鉆孔，采用鉆孔直徑90 mm的淺孔鉆機鉆孔，采用中(深)孔松動控制爆破完成山頂?shù)氖奖?，采用微差起爆技術(shù)對總藥量進行控制，設(shè)置合理爆破參數(shù)以減少爆破振動、飛石、沖擊波、噪聲和煙塵的危害。

3.2 炮孔參數(shù)和起爆網(wǎng)路設(shè)計

3.2.1 炮孔參數(shù)設(shè)計

在實際施工過程中，根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，先鉆少量炮孔裝藥試爆，視試爆的爆堆密集度、大塊產(chǎn)出率、飛石距離、塊度均勻度、爆破對周邊的影響狀況，綜合考慮，再調(diào)整出合理的鉆孔、爆破參數(shù)。

針對淺眼排孔爆破，各參數(shù)設(shè)置如下，孔徑d＝42 mm，開挖高度H＝3.0 m，最小抵抗線W＝0.4H＝1.2 m，炮孔間距a＝0.6W＝1.8 m，超深h＝H＝0.3 m，炮孔深度L＝H+h＝3.3 m，炸炸單耗q＝0.3 kg/m3，每廷米裝藥量P＝1.0 kg，單孔裝藥量Q＝q˙W˙a˙H＝1.94 kg，裝藥長度L2＝Q/P＝1.94 m，填塞長度L1＝L-L2＝1.36 m，表1給出了不同鉆孔深度對應(yīng)的鉆孔爆破參數(shù)。

表1 不同鉆孔深度對應(yīng)的爆破參數(shù)

針對山體仰坡進行光面爆破，為保持邊坡的平整度和穩(wěn)定性，各參數(shù)設(shè)置如下，臺階高度H＝4 m，傾角α與設(shè)計邊坡一致，孔深L＝H/sinα，孔距a＝0.4 m，排距b＝1.2 m，炸藥單耗q＝0.25 kg/m3，單孔裝藥量Q＝q˙a˙b˙l＝0.25×0.4×1.2×4＝0.48 kg，底部0.5 m處加強裝藥，藥量為正常藥量2倍，上部填塞長度取1.0 m，靠填塞段下面1 m為減弱裝藥段，裝藥量為正常裝藥量的0.5倍，孔內(nèi)采用導(dǎo)爆索，裝φ＝25 mm藥卷與導(dǎo)爆索捆扎在竹片上裝入孔內(nèi)，孔口留0.5 m用黃泥進行堵塞。

針對中(深)孔控制爆破參數(shù)，孔徑d＝90 mm，臺階高度H＝5.0 m，鉆直孔角度φ＝80°～85°，超深h＝0.2h＝1.0 m；炮孔深度L＝H+h＝6.0 m；底盤抵抗線W1＝3.0 m；炮孔間距a＝4.0～4.5 m，排距b＝3.0～3.5 m，堵塞長度L2＝3.0～4.0 m，炸藥單耗q＝0.40～0.55 kg/m3，裝藥線密度ρ90＝5.0 kg/m；采用人工連續(xù)柱狀耦合裝藥方式，表2為孔徑90 mm時單孔裝藥量的計算表。裝藥結(jié)構(gòu):根據(jù)巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)變化情況，靈活適用調(diào)整。

表2 炮孔直徑d＝90 mm單孔裝藥量計算

一次爆破規(guī)模10孔:一般2排孔進行爆破，單排孔數(shù)約5～6個，一次爆落方量V＝2 300 m3，一次炸藥總量Q＝1 000 kg。

3.2.2 裝藥填塞及起爆網(wǎng)路

采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)和臺階中深孔爆破孔布置剖面圖如圖2所示。裝藥前對炮孔孔位、炮孔深度和炮孔內(nèi)積水進行檢查，對積水采用人工排水或壓氣排水處理。對于堵塞段無水的炮孔，孔口一律采用炮泥，填塞時應(yīng)邊填邊輕輕搗實，少填勤搗，防止卡孔，并注意保護雷管線。對于孔口填塞段有水炮孔，先將水抽干，后進行堵塞。

圖2 連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)

爆破使用導(dǎo)爆管起爆法，采用孔內(nèi)延期或孔內(nèi)孔外延期接力起爆網(wǎng)路:(1)孔內(nèi)延期需按所要求的起爆順序放入相應(yīng)段別的延期雷管，做到單孔單段；(2)孔內(nèi)孔外接力起爆一般采用孔外傳爆雷管串聯(lián)，孔內(nèi)延時雷管并聯(lián)?？變?nèi)起爆雷管采用高段位，孔外傳爆雷管采用低段位，以確保起爆網(wǎng)路的準爆性，每孔內(nèi)裝1～2發(fā)(視作業(yè)實際要求情況靈活變動)塑料導(dǎo)爆管雷管。使用擊發(fā)針對連接網(wǎng)路進行起爆。圖3分別給出了光面爆破裝藥網(wǎng)路連接圖和淺孔爆破網(wǎng)路串聯(lián)起爆圖，其中圖中數(shù)字代表爆破時間，對應(yīng)為山體爆破和施工便道爆破。

圖3 爆破起爆網(wǎng)路

3.3 爆破允許安全距離校核

根據(jù)現(xiàn)場實際對爆破振動速度和最大單響藥量進行校核驗算，以保證周邊建(構(gòu))筑物、人員及其他設(shè)施的安全，將各種有害效應(yīng)控制在最小范圍內(nèi)。

3.3.1 爆破振動速度與最大單響藥量

為控制爆破振動對周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生危害，需控制一次齊爆的最大允許裝藥量。

取齊發(fā)爆破總藥量Q＝72.0 kg，延時爆破總藥量Q＝3.0 kg，露天爆破，管道和民房R＝350 m；修路與管道，R＝30 m，經(jīng)計算得:Q＝72.0 kg時，V管道＝0.07 cm/s；Q＝3.0 kg時，V管道＝0.8 cm/s，V民房＝0.06 cm/s；都小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的爆破安全振動距離最小值2.0 cm/s。

3.3.2 爆破沖擊波安全允許距離

在露天炮孔施工爆破中，該工程采用松動爆破施工，也采用分段起爆、減小藥量的方式控制沖擊波。該場地四周較空曠，空氣沖擊波易衰減，實際影響較小，忽略不計。

3.3.3 個別飛石的最大距離

個別飛石的最大距離按下式計算:

Rmax＝kd

式中，Rmax為飛石的飛散距離；k為安全系數(shù)，取值范圍為15～16；d為炮孔直徑。

取k＝16，對于中深孔爆破，取d＝9.0 cm，Rmax＝144 m，對應(yīng)中深孔的個別飛石為144 m；對于淺孔爆破取d＝4.2 cm，Rmax＝67.2 m，對應(yīng)淺孔的個別飛石為67.2 m；符合《爆破安全規(guī)程》的安全警戒半徑300 m的要求范圍。

4 洞口山體加固及坡體穩(wěn)定性分析

在進行山體爆破清方后，隧道進口設(shè)置永久護坡，設(shè)置6級護坡，在第1、3、5、6級仰坡坡面采用錨桿框架梁內(nèi)生態(tài)護坡，邊坡分級高度為20 m，采用形式為框架梁與噴錨網(wǎng)護坡防護結(jié)合的方式，框架梁節(jié)點間距為4 m，正方形布置，錨桿設(shè)置在框架梁的節(jié)點上，按與水平面向下25°施作，錨桿直徑110 mm，邊坡最底部一排錨桿長度為5 m，其余錨桿長度均為12 m。圖4為仰坡施作完成后現(xiàn)場圖。

圖4 仰坡完成后現(xiàn)場

為研究山體爆破清方后坡體的穩(wěn)定性，建立有限元數(shù)值計算模型，分析不同施工階段的坡體和隧道的穩(wěn)定性及對應(yīng)的位移?？蚣堋⑺淼啦捎冒鍐卧?，錨索錨桿采用桿單元，巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，巖石體重度23 kN/m3、彈性模量2.6 GPa、泊松比0.23、粘聚力300 kPa、內(nèi)摩擦角35°；框架梁厚度 0.1 m，重度 25 kN/m3、彈性模量 30 GPa、泊松比0.28；隧道厚度1 m、重度25 kN/m3、彈性模量40 GPa、泊松比0.25；錨桿軸向剛度EA＝6.5e6 kN、錨索彈性模量300 GPa、重度24 kN/m3、直徑0.11 m、預(yù)應(yīng)力200 kN。設(shè)置節(jié)點數(shù)為18 989，限于篇幅，圖5給出了隧道完成后仰坡的穩(wěn)定性云圖，經(jīng)計算，坡體清方(未支護)的最大位移為22 mm，仰坡施作后山體的最大位移10 mm，隧道施工完成后坡體位移為2 mm。由強度折減法計算坡體安全系數(shù)，仰坡施作后強度折減后安全系數(shù)為1.935，隧道施工后，安全系數(shù)略有降低，為1.761。

圖5 三維模型穩(wěn)定性分析(隧道完成后仰坡)

5 結(jié)語

針對新建貴南高鐵永興二號隧道洞口山體危巖和落石的現(xiàn)狀，為保證隧道進洞施工安全，設(shè)置合理的爆破參數(shù)和爆破方案，并對完成支護后的仰坡穩(wěn)定性進行分析。得到以下結(jié)論:

(1)首先對山體實施爆破清方，對施工便道和山體設(shè)計爆破方案，采用淺孔和中(深)孔進行爆破控制，清方完畢后，施作6級仰坡進行山體加固，隨后進行隧道施工，并對爆破安全距離進行校核。

(2)通過對山體設(shè)置6級邊坡支護，有效控制了山體清方后的位移，確保了隧道穿越山體的穩(wěn)定性，為后續(xù)隧道的爆破施工提供了有力保障，該工程可為在廣西地區(qū)的高鐵建設(shè)提供參考。