倒臺(tái)階法在近接隧道爆破控制中的應(yīng)用研究

王連華

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 引言

隨著我國(guó)交通行業(yè)迅猛發(fā)展，受地形和選線的限制，出現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜環(huán)境隧道工程，如近距離下穿城市建筑群、“零”距離下穿城市地鐵、鄰近運(yùn)營(yíng)既有線隧道等。復(fù)雜環(huán)境下的隧道爆破施工，必然對(duì)周邊既有結(jié)構(gòu)物帶來(lái)振動(dòng)影響，甚至造成既有結(jié)構(gòu)物的破壞。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的爆破控制展開(kāi)了研究。趙寶珠[1]對(duì)大斷面隧道近距離下穿建筑地表沉降控制與爆破控制技術(shù)展開(kāi)了研究。袁旭東[2]研究了花崗巖地層中隧道洞口與地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)零距離爆破進(jìn)洞施工方法。江龍[3]以青島地鐵2號(hào)線隧道側(cè)穿加油站為依托工程，通過(guò)采用大直徑雙中空孔減振方法，將振動(dòng)速度控制在0.5 cm/s內(nèi)。劉鶴冰等[4]以新雙碑隧道為工程依托，對(duì)隧道近距離下穿渣滓洞爆破控制技術(shù)進(jìn)行了研究，降低了隧道爆破對(duì)渣滓洞的振動(dòng)影響。周凱[5]以桑植隧道為工程依托，探討了隧道爆破振動(dòng)在雙洞隧道空間狀態(tài)下的影響規(guī)律，并提出了針對(duì)性的振動(dòng)控制措施。黃雄軍[6]提出了大斷層注漿段隧道爆破方案和爆破控制參數(shù)，確定了炮孔布置及起爆方法。賈明倫[7]對(duì)單線淺埋隧道爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。張彪[8]對(duì)孤石深孔爆破對(duì)鄰近豎井結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響進(jìn)行研究，提出了減振孔和隔離孔等減震措施。傅洪賢等[9]通過(guò)對(duì)隧道爆破振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，揭示了隧道爆破時(shí)圍巖振動(dòng)規(guī)律[10]。單仁亮等[11]以隧道下穿鐵路為工程實(shí)例，研究了雷管段位和炮孔類(lèi)型對(duì)爆破峰值振動(dòng)速度的影響。龔敏等[12]以蓮塘小凈距隧道為工程依托，獲取了雙臨空面的單孔波形，解決了第二臨空面形成后的波形計(jì)算問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者尚未對(duì)喀斯特地質(zhì)條件下隧道鄰近既有線隧道爆破施工展開(kāi)研究。本文以渝懷鐵路涪陵至梅江段增建第二線新張壩隧道為工程依托，針對(duì)喀斯特地質(zhì)條件下Ⅲ級(jí)及以上圍巖爆破施工控制技術(shù)展開(kāi)研究，提出了“倒臺(tái)階”隧道爆破施工工法。

2 倒臺(tái)階法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

2.1 依托工程

渝懷二線新張壩隧道為喀斯特地質(zhì)條件下新建鐵路復(fù)線隧道鄰近既有線隧道爆破施工工程。隧道屬低山地貌，線路由北向南沿秀山河右岸斜坡行進(jìn)，地形起伏較大，地勢(shì)陡峭。

新張壩隧道位于重慶市秀山縣境內(nèi)，全長(zhǎng)1 520 m，其中Ⅲ級(jí)圍巖1 285 m、Ⅳ級(jí)圍巖195 m(含進(jìn)口明洞10 m)、Ⅴ級(jí)圍巖30 m。隧道設(shè)計(jì)為單線隧道，隧道凈高6.69 m、凈寬5.62 m(含襯砌厚度)。新張壩隧道線路右側(cè)為既有張壩隧道，出口段與既有張壩隧道線間距約31 m，進(jìn)口段與既有線隧道最小線間距16.94 m，兩隧道最小凈距11.32 m，且既有隧道部分段落存在病害，必須采取控制爆破開(kāi)挖，避免既有病害加重，從而影響既有線隧道本身的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)造成安全隱患，見(jiàn)圖1。

圖1 新舊隧道位置關(guān)系

考慮既有隧道的運(yùn)營(yíng)安全，根據(jù)《成都鐵路局關(guān)于研究渝懷二線隧道控爆鄰近既有線施工相關(guān)事宜的會(huì)議紀(jì)要》要求，線間距在20～50 m之間隧道洞內(nèi)采用控爆開(kāi)挖，爆破對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的質(zhì)點(diǎn)振速不大于2.5 cm/s。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)爆破最大裝藥量計(jì)算

根據(jù)爆破安全規(guī)程[10](GB 6722—2014)，延時(shí)爆破最大一段藥量計(jì)算公式為:

式中:Qmax為炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)的總藥量，延時(shí)爆破時(shí)的最大一段藥量(kg)；V為保護(hù)對(duì)象所在地的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度(cm/s)，取2.5 cm/s；K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，分別取150和1.6。

隧道爆破均使用2號(hào)巖石乳化炸藥，掏槽孔和掘進(jìn)孔采用φ32藥卷，連續(xù)裝藥，采用塑料導(dǎo)爆管毫秒雷管孔內(nèi)延時(shí)起爆網(wǎng)路。周邊孔間隔裝藥，采用導(dǎo)爆索起爆，以減小起爆時(shí)差。按照對(duì)既有隧道最不利振速2.5 cm/s進(jìn)行不同線間距情況下的爆破控制藥量計(jì)算，得到控制爆破單段最大藥量見(jiàn)表1。

表1 單段最大藥量

Ⅲ級(jí)圍巖線間距小于35 m后，隧道采用全斷面法爆破無(wú)法滿(mǎn)足振動(dòng)控制要求，需采用臺(tái)階法施工，減少一次爆破裝藥量，降低新建隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道爆破振動(dòng)的影響。

3 倒臺(tái)階法在隧道中的應(yīng)用

倒臺(tái)階法是臺(tái)階法的一種特殊施工方法，其爆破順序與常規(guī)臺(tái)階爆破順序相反。倒臺(tái)階法適用于Ⅲ級(jí)及以上的圍巖，其主要原理是充分利用圍巖穩(wěn)定性，先爆破下臺(tái)階，上臺(tái)階爆破時(shí)充分利用下臺(tái)階爆破的臨空面，提高爆破效率，減少裝藥量以降低隧道爆破對(duì)鄰近建筑物的振動(dòng)。

3.1 倒臺(tái)階法爆破參數(shù)

根據(jù)線間距不同，倒臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺分別采用1.2 m和2.4 m。根據(jù)炮眼布置和爆破原則，炮眼布置見(jiàn)圖2，限于篇幅，僅列出開(kāi)挖進(jìn)尺為2.4 m的爆破參數(shù)，如表2所示。

圖2 倒臺(tái)階炮眼布置(單位:cm)

表2 Ⅲ級(jí)圍巖進(jìn)尺2.4 m倒臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺2.4 m時(shí)，下臺(tái)階斷面面積為20.8 m2，一次爆破量49.9 m3，一次總裝藥量50.9 kg，炸藥單耗1.0 kg/m3；上臺(tái)階開(kāi)挖斷面面積23.41 m2，一次爆破量56.2 m3，一次總裝藥量30.9 kg，炸藥單耗0.55 kg/m3。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺1.2 m時(shí)，下臺(tái)階一次總裝藥量25.5 kg，炸藥單耗1.0 kg/m3，單段最大起爆藥量為3.7 kg；上臺(tái)階一次總裝藥量16.5 kg，炸藥單耗0.59 kg/m3，單段最大起爆藥量為3.08 kg。

根據(jù)表1可知，最大控制爆破用藥量為12.51 kg。在線間距大于30 m時(shí)，可采用進(jìn)尺2.4 m的倒臺(tái)階法開(kāi)挖，其驗(yàn)算振速為2.08 cm/s；線間距在20～30 m范圍內(nèi)時(shí)，可采用進(jìn)尺1.2 m的臺(tái)階法開(kāi)挖，其驗(yàn)算振速為2.5 cm/s，滿(mǎn)足振動(dòng)控制要求。

3.2 倒臺(tái)階法施工工藝

倒臺(tái)階法開(kāi)挖隧道時(shí)，利用全斷面開(kāi)挖臺(tái)架一次性完成掌子面炮眼鉆孔。如圖3所示，先爆破下臺(tái)階，再微臺(tái)階倒序爆破上臺(tái)階。裝藥時(shí)，將起爆體和炸藥按設(shè)計(jì)要求放置在孔口附近；將炸藥輕送至炮孔底部，每裝入一定量的藥包后，應(yīng)測(cè)量裝藥長(zhǎng)度；裝入起爆藥包后，嚴(yán)禁強(qiáng)力搗壓藥包，尤其是起爆藥包，防止引起早爆事故。裝藥時(shí)嚴(yán)格按操作規(guī)程緩慢逐步進(jìn)行，并由專(zhuān)人進(jìn)行檢查，同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)記錄。

圖3 倒臺(tái)階法現(xiàn)場(chǎng)施工

下臺(tái)階出渣完成，上臺(tái)階可馬上裝藥、爆破、出渣，提高施工效率，縮短施工循環(huán)時(shí)間。

4 現(xiàn)場(chǎng)爆破效果

下臺(tái)階掌子面爆破作業(yè)之后，除去部分因爆破產(chǎn)生的碎渣，可以使上臺(tái)階掌子面土體靠近作業(yè)面的前端更多地處于懸空狀態(tài)，從而使得上臺(tái)階掌子面的爆破作業(yè)達(dá)到更好的效果，隧道爆破效果如圖4所示。

圖4 隧道爆破效果

采用TC-4850型爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)爆破施工現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)波速峰值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在既有隧道內(nèi)根據(jù)新建隧道爆破作業(yè)面對(duì)應(yīng)里程設(shè)置流動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置。由于既有隧道與新建隧道鄰近的迎爆側(cè)邊墻振動(dòng)強(qiáng)度通常大于背爆側(cè)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在既有隧道迎爆側(cè)邊墻下部，如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置及振動(dòng)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)爆破振速監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，爆破振速實(shí)際監(jiān)測(cè)值較設(shè)計(jì)稍小，但有0.5 cm/s的波動(dòng)值，其最大值均在理論計(jì)算范圍以?xún)?nèi)，在圍巖較破碎時(shí)，其爆破振速降低明顯。新張壩隧道控制爆破施工對(duì)既有隧道病害無(wú)影響。現(xiàn)場(chǎng)爆破效果進(jìn)一步驗(yàn)證了倒臺(tái)階法在鄰近隧道爆破中的應(yīng)用，未對(duì)既有隧道造成破壞。

5 結(jié)論

(1)倒臺(tái)階開(kāi)法工法，充分利用圍巖的穩(wěn)定性，先下臺(tái)階爆破，再上臺(tái)階起爆。上臺(tái)階爆破時(shí)充分利用下臺(tái)階爆破的臨空面，減少裝藥量，較好地控制施工過(guò)程中爆破振動(dòng)速度，減少隧道施工對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)的影響。

(2)鄰近既有線單線隧道倒臺(tái)階施工技術(shù)切實(shí)可靠、施工便捷、耗時(shí)短、機(jī)械效率高，且對(duì)既有結(jié)構(gòu)物影響小，施工安全可靠，為工期提供了良好的保障。

(3)倒臺(tái)階控制爆破技術(shù)與傳統(tǒng)全斷面爆破、正臺(tái)階施工方法相比，節(jié)省了炸藥消耗，加快了鉆眼和裝渣出渣進(jìn)度，每循環(huán)節(jié)約作業(yè)時(shí)間3.5 h，大幅降低施工成本。

(4)通過(guò)爆破振速監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，爆破設(shè)計(jì)振速實(shí)際監(jiān)測(cè)值最大不超過(guò)1.8 cm/s，在圍巖較破碎處爆破振速降低明顯。倒臺(tái)階法控制爆破施工對(duì)既有隧道病害無(wú)影響。