深埋隧道Ⅳ級中風(fēng)化圍巖爆破開挖風(fēng)險管控研究

楊海

（中鐵二局房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610032）

城市軌道交通隧道爆破施工，較之傳統(tǒng)的山體隧道爆破施工，對周邊環(huán)境的影響較大，把控減振爆破、深埋隧道控制爆破是隧道爆破開挖風(fēng)險控制的核心。本文根據(jù)重慶軌道交通15號線西南政法大學(xué)站控制性爆破工程的施工情況，對其進(jìn)行分析總結(jié)，為深埋隧道Ⅳ級中風(fēng)化圍巖爆破開挖風(fēng)險控制提供一些實用性案例。

1 爆破工程簡介

工程概況：重慶軌道交通15號線西南政法大學(xué)站采用暗挖法進(jìn)行施工，車站主要由施工斜井（施工隧道）、車站主體、越行線構(gòu)成，設(shè)計圍巖級別為Ⅳ級。其中，施工斜井前30 m采用機(jī)械開挖；30 m后，采用機(jī)械開挖為主，遇到堅硬孤石時，采取小藥量爆破+半斷面爆破方式；197 m后采用全斷面開挖，剩余479 m采用鉆爆法施工，爆破方量約為2.4萬m3。

車站上部采用初支拱蓋法開挖，車站下部采用爆破開挖，爆破方量約8萬m3。越行線采用爆破開挖，爆破方量約4.1萬m3。西南政法大學(xué)站爆破區(qū)域示意圖如圖1所示。

圖1 西南政法大學(xué)站爆破區(qū)域示意圖

地質(zhì)地貌：項目整體位于剝蝕丘陵地貌上，無明顯的延伸脈絡(luò)，呈渾圓狀或和緩的陵狀地形，地表形態(tài)起伏較大；新生代第四紀(jì)松散堆積物形成的地層厚度小，覆蓋較少，含水量低，地底基巖大片出露，侏羅系、三迭系的頁巖、泥巖等為相對隔水層，侏羅系、三迭系的砂巖為基巖裂隙水含水層，地下巖石含水量受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育控制；隧道洞頂圍巖主要為中風(fēng)化砂巖、頁巖，地下水多呈點滴狀出水，為深埋隧道，成洞條件較差，隧道自穩(wěn)性較差，成洞條件較差，拱頂易產(chǎn)生碎石掉落，側(cè)壁和掌子面的巖層受外力影響易發(fā)生局部溜坍。

周邊重要建（構(gòu)）筑物：西南政法大學(xué)站位于重慶市渝北區(qū)寶圣大道與金興大道下穿道正下方地塊內(nèi)，車站沿寶圣大道南北向敷設(shè)，車站下穿寶圣隧道，車站結(jié)構(gòu)頂板頂面距離下穿隧道底板豎向距離約41.655 m，具體如圖2—圖5所示。

圖2 西南政法大學(xué)站及施工通道平面示意圖

圖5 施工通道（197 m處，全斷面起點）位置關(guān)系示意圖

圖3 車站下部、越行線（爆破區(qū)域）與寶圣隧道位置關(guān)系圖

圖4 施工通道各里程至保護(hù)對象直線距離示意圖

2 爆破開挖對周圍建筑及管線主要危險分析

爆區(qū)施工范圍周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其主要風(fēng)險如表1所示。

表1 施工周邊環(huán)境統(tǒng)計表

3 爆破設(shè)計

3.1 總體思路

隧道洞身石方爆破，主要控制爆破效果、圍巖穩(wěn)定和對既有建構(gòu)筑物的質(zhì)點振動速度，嚴(yán)格控制單孔裝藥量和一次起爆藥量。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》設(shè)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本工程實際，設(shè)計安全振速按V≤1.0 cm/s進(jìn)行設(shè)計。

3.2 爆破器材選用

按照地址資料，本項目施工隧道穿越地層無煤層、瓦斯和燃?xì)?，故選用2#巖石乳化炸藥Φ32型號藥卷，雷管選用1～15段毫秒延時導(dǎo)爆管雷管。其炸藥性能如表2所示。

表2 炸藥性能指標(biāo)

3.3 爆破參數(shù)的選擇

3.3.1 施工通道

施工通道斷面開挖寬度6.48 m，開挖高度6.44 m，如圖6所示，根據(jù)現(xiàn)場具體情況，在不同的里程選用相對應(yīng)的開挖方式：①施工通道前30 m，采用機(jī)械開挖。②施工通道30～100 m，采用機(jī)械開挖為主，遇到少量堅硬巖石時，采用小藥量松動爆破法施工。裝藥量從0.1 kg起，最大單響藥量不超過0.6 kg。③施工通道100～130 m，采用機(jī)械開挖，遇到少量堅硬巖石時，采用小藥量松動爆破法施工。裝藥量從0.1㎏起，最大單響藥量不超過1.2 kg。④施工通道130～175 m，采用機(jī)械開挖，遇到少量堅硬巖石時，采用小藥量松動爆破法施工。裝藥量從0.1 kg起，最大單響藥量不超過1.5 kg。⑤施工通道175～197 m，采用機(jī)械開挖，遇到少量堅硬巖石時，采用半斷面（上下臺階）爆破法施工。最大單響藥量不超過2.0 kg。⑥施工通道197 m后，采用全斷面法施工。最大單響藥量不超過4 kg。

圖6 施工通道不同里程對應(yīng)的爆破方式示意圖

半斷面爆破設(shè)計中，上下臺階炮孔布置分別如圖7、圖8所示，爆破參數(shù)計算表如表3所示，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表如表4所示。

表3 （續(xù)）

表4 半斷面技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

圖7 上臺階炮孔布置圖（單位：mm）

圖8 下臺階炮孔布置圖（單位：mm）

表3 半斷面爆破參數(shù)計算表

全斷面爆破設(shè)計中，炮孔布置如圖9所示，爆破參數(shù)計算表如表5所示，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表如表6所示。

表5 全斷面爆破參數(shù)計算表

表6 全斷面技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

圖9 全斷面炮孔布置圖（單位：mm）

3.3.2 越行線

越行線斷面開挖寬度8.3 m，開挖高度9.5 m，按照圍巖ⅠV級施工要求，根據(jù)現(xiàn)場具體情況，采用上、下臺階法施工。越行線上、下臺階炮孔布置分別如圖10和圖11所示，爆破參數(shù)表如表7所示，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表如表8所示。

表7 越行線爆破參數(shù)表

表8 越行線經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

圖10 上臺階炮孔布置圖（單位：mm）

圖11 下臺階炮孔布置圖（單位：mm）

3.3.3 車站主體（下部）

車站主體（下部）總寬24.22 m（標(biāo)準(zhǔn)段），下部爆破高度約為10.752 m。按照圍巖ⅠV級施工要求，根據(jù)現(xiàn)場具體情況，可以采用地下淺孔臺階松動爆破法施工，其參數(shù)指標(biāo)如表9所示。使用的手持鉆D=40 mm，鉆爆（淺孔）參數(shù)如下。

表9 地下淺孔臺階松動爆破參數(shù)指標(biāo)表

炮孔直徑：d=40 mm。

爆破臺階高度：H=1.0～2.3 m，超深h=0.2 m。

炮孔深度：L=H+h。

底盤抵抗線：w1=（0.4～1）H。

炮孔間距：a=（1～2）w1。

炮孔排距：b=0.86a。

砂巖炸藥單耗q砂巖=0.5 kg/m3，頁巖炸藥單耗q頁巖=0.45 kg/m3，爆破施工中根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，并經(jīng)方案設(shè)計人書面同意。

堵塞長度L填=（20～30）d。

單孔裝藥量計算Q=q×a×b×H。

對于鉆孔方式及布孔形式，采用梅花形布孔。如圖12所示。

圖12 鉆孔方式及布孔示意圖

圖12中，W為最小抵抗線，H為臺階高度，L為炮眼長度，a為炮眼間距，b炮眼排距，h為超深。

為減小爆破振動，采用孔內(nèi)高段位、孔外低段位微差起爆網(wǎng)路，如圖13所示?？變?nèi)裝導(dǎo)爆管雷管15段，孔外3段，排間1、5、7段。最大單響藥量不超過1.6 kg，一次起爆不超過160個孔，一次爆破總裝藥量不超過256 kg。

圖13 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

注意事項：①根據(jù)車站下部的結(jié)構(gòu)特征和周邊建構(gòu)筑物的特點，爆破采用由上而下分層臺階式爆破開挖；②距離建構(gòu)筑物等保護(hù)對象小于40 m范圍內(nèi)不允許進(jìn)行爆破作業(yè)。

隧道起爆網(wǎng)絡(luò)如圖14所示，采用“一把抓”連接方式，每個連接雷管連接的導(dǎo)爆管不超過20根，雷管聚能穴反向傳爆方向，用膠布纏繞5～8層，確保纏緊。

圖14 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.4 爆破安全驗算

3.4.1 爆破振動的計算

施工通道（197 m處）距離勤業(yè)樓41.48 m，即：R=41.48 m。

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》公式：V=k（Q1/3/R）a，驗算爆破振動安全允許速度。其中Q為單段最大起爆藥量（kg），本項目施工通道爆破單段一次最大起爆藥量Q=4 kg，一次起爆最大藥量Q=23 kg。R為爆點至被保護(hù)對象的距離（m），Rmin=41.48 m。K、a分別為與爆破點至計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)以往類似工程案例，本工程K=200，a=1.65。計算得V施工通道≈0.92 cm/s。

施工通道半斷面（K0+175—197）、施工通道小藥量松動爆破（K0+130—175）、施工通道小藥量松動爆破（K0+100—130）、施工通道小藥量松動爆破（K0+030—100）等各段安全驗算表如表10所示。

表10 施工通道各處爆破振數(shù)表

同理，越行線和車站下部也可以采用類似公式進(jìn)行計算，越行線距離寶圣隧道52.89 m，車站下部距離寶圣隧道52.89 m，代上式數(shù)據(jù)入V=k（Q1/3/R）a，得V越行線≈0.77 cm/s，V車站≈0.37 cm/s。根據(jù)3處施工爆破振動驗算，得Vmax≈0.96 cm/s，滿足前面設(shè)計的V控制=1 cm/s，本方案設(shè)計參數(shù)較為合理。但在實際爆破過程中應(yīng)加強對相關(guān)保護(hù)對象爆破振動監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果調(diào)整爆破參數(shù)。

3.4.2 個別飛石安全距離

爆破時，將個別飛石對人員安全距離設(shè)定為300 m，本工程爆破均在地下，起爆站必須設(shè)置在洞外，但是當(dāng)進(jìn)洞較深不便于在外設(shè)置起爆點時，可以在洞內(nèi)選擇能夠防飛石、防沖擊波、防煙塵的橫向短洞或掩體內(nèi)設(shè)置起爆站；起爆前洞內(nèi)所有機(jī)械車輛和人員必須撤離至洞外或其他安全位置；在洞門前設(shè)置2層移動式防護(hù)排架，防護(hù)排架長、寬均大于洞口50 cm，爆破前由裝載機(jī)運至洞口，再用臺車固定，保持緊貼洞口。警戒范圍為洞正前方200 m，洞兩側(cè)100 m。洞口平面警戒示意圖如圖15所示。

圖15 洞口平面警戒示意圖

3.4.3 爆破沖擊波防護(hù)與控制

根據(jù)公式Rk=25Q1/3，Rk為空氣沖擊波對人員的最小允許距離，Q為一次最大起爆藥量。本方案一次最大起爆藥量Q=256 kg。

經(jīng)計算：Rk=25Q1/3≈159 m。由計算可知，隧道內(nèi)爆破沖擊波存在巨大危害，警戒范圍及要求要做到同本案防飛石要求一致（大于300 m）。

3.5 安全技術(shù)及防護(hù)措施

3.5.1 爆破管理措施

規(guī)范民用爆炸物品管理。一是炸藥選型應(yīng)選擇二號巖石乳化炸藥；二是必須根據(jù)每天爆破量，經(jīng)現(xiàn)場負(fù)責(zé)人、爆破技術(shù)員簽認(rèn)后發(fā)放炸藥和雷管，嚴(yán)禁超發(fā)民爆物品。

每班作業(yè)前，應(yīng)對現(xiàn)場管理人員和作業(yè)人員進(jìn)行安全技術(shù)交底，掌握爆破施工參數(shù)，按照技術(shù)交底進(jìn)行鉆眼布孔，嚴(yán)格按照設(shè)計參數(shù)進(jìn)行裝藥。

鉆孔作業(yè)和裝藥作業(yè)不得同時進(jìn)行，鉆孔人員鉆孔完畢撤離現(xiàn)場后，現(xiàn)場爆破員在現(xiàn)場臨時存放點領(lǐng)取當(dāng)班所需的民爆物品，采用人工運輸?shù)姆绞竭\輸至爆破作業(yè)現(xiàn)場。

民爆物品到達(dá)現(xiàn)場后，由爆破安全員對現(xiàn)場進(jìn)行排查，符合裝藥條件后，設(shè)置爆破警戒區(qū)域，裝藥應(yīng)按照爆破設(shè)計圖確定的藥量自上而下進(jìn)行，雷管“對號入座”。所有炮孔均以炮泥堵塞，堵塞長度不小于鉆眼深度的1/3。

爆孔布置要遵循奇偶匹配的原則，避免產(chǎn)生共振，減小對周圍建筑物的影響。另外每次爆前對炮孔裝藥量進(jìn)行確認(rèn)。裝藥完畢后，必須對現(xiàn)場人員進(jìn)行全部清理，退到爆破安全位置，并由現(xiàn)場爆破安全員進(jìn)行安全確認(rèn)后，方可進(jìn)行起爆。

3.5.2 盲炮的處理

爆破充分通風(fēng)后，由爆破員對爆破現(xiàn)場進(jìn)行排查，當(dāng)出現(xiàn)盲炮時，按照現(xiàn)場情況進(jìn)行處理：①當(dāng)爆破起爆網(wǎng)路完好時，經(jīng)現(xiàn)場爆破技術(shù)員和爆破員檢查符合起爆要求時，可重新聯(lián)結(jié)起爆網(wǎng)路，重新起爆。②當(dāng)爆破網(wǎng)路被破壞時，可采用現(xiàn)場打設(shè)炮孔間距不小于0.6 m的平行眼進(jìn)行誘爆?；虿捎媚竟骰蛑窆鳎p輕地將炮孔內(nèi)的堵塞物掏出，采用裸露藥包誘爆。

3.5.3 爆破噪聲安全防范措施

本項目處于西南政法大學(xué)校園內(nèi)，爆破產(chǎn)生的噪聲對校園師生存在較大影響，因此噪聲是本項目重點控制對象。根據(jù)聲壓級計算公式Lp=20Lg（P/Po）進(jìn)行計算。式中，Lp為聲壓級，現(xiàn)場監(jiān)測爆破分貝為85～90 dB；P為測點聲壓（N/m2）；Po為基準(zhǔn)聲壓，在空氣中取2×10-5N/m2。經(jīng)過計算，測點聲壓不會對社會環(huán)境及人體造成危害。

3.5.4 爆破粉塵和有害氣體的控制

爆破施工常常伴隨著大量的粉塵和有毒有害氣體，產(chǎn)生粉塵的主要施工工藝有鉆孔、爆破。爆破產(chǎn)生有毒有害氣體主要有一氧化碳、硫化物、氮化物等。當(dāng)人員長期處于粉塵和有毒有害氣體工作環(huán)境中，容易誘發(fā)職業(yè)病。主要防護(hù)措施如下：①使用前對民用爆炸物品進(jìn)行全面檢查，嚴(yán)禁使用劣質(zhì)或不合格的民用爆炸物品；②為作業(yè)人員配備合格的防護(hù)用品，并定期安排人員進(jìn)行職業(yè)病檢查；③施工現(xiàn)場配備有毒有害氣體檢測儀，爆破充分通風(fēng)后，經(jīng)過監(jiān)測合格后方可再次進(jìn)入施工現(xiàn)場。

4 施工總結(jié)

4.1 做好爆破施工安全管理

項目以項目經(jīng)理為組長、爆破技術(shù)人員為副組長，對爆破工程安全管理全面負(fù)責(zé)，在爆破施工前，必須建立爆破施工安全管理規(guī)章制度、操作規(guī)程，并組織相關(guān)人員進(jìn)行學(xué)習(xí)。爆破技術(shù)員必須加強對爆破環(huán)境的勘測，編制可實施的爆破施工方案，并經(jīng)過專家論證、審核通過后實施。

4.2 做好前期準(zhǔn)備工作

深埋隧道Ⅳ級中風(fēng)化圍巖爆破施工前，必須做好施工的前期準(zhǔn)備，包括但不限于施工前對地質(zhì)進(jìn)行勘察，做好對作業(yè)人員的安全教育培訓(xùn)和安全技術(shù)交底工作；對隧道掌子面圍巖進(jìn)行分析，針對圍巖破碎或不穩(wěn)定的地方進(jìn)行超前注漿，該項措施能有效地保障隧道爆破開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性，在一定程度上能防止拱頂破碎掉塊，提供穩(wěn)定的作業(yè)條件；根據(jù)圍巖斷面大小和爆破鉆眼位置，焊接便于操作的開挖臺階，提高鉆眼效率。

4.3 做好過程管控

城鎮(zhèn)隧道爆破施工時，需要提前對爆破信息進(jìn)行公示，并就爆破時間與周邊居民做好溝通協(xié)調(diào)，盡可能地將每天爆破時間控制在相同的時間段內(nèi)，同時加強對周邊居民的走訪工作，取得理解。在爆破控制方面，要根據(jù)每次爆破的爆破震數(shù)、爆破噪聲、爆破效果、圍巖狀況不斷優(yōu)化裝藥用量和結(jié)構(gòu)，將爆破影響降至最低。爆破過程中，要安排專職人員做好爆破警戒工作，防止非涉爆人員進(jìn)入爆破影響范圍。

5 結(jié)論

本研究以重慶軌道交通15號線西南政法大學(xué)站為工程背景，分析了深埋隧道Ⅳ級中風(fēng)化圍巖爆破開挖風(fēng)險管控研究，研究結(jié)果可為類似工程提供借鑒。

經(jīng)過實踐，優(yōu)化后的爆破參數(shù)取得良好的光面爆破效果，炮孔利用率達(dá)到了90%以上，隧道超欠挖控制在10 cm左右，有效解決了超挖嚴(yán)重的難題；日常爆破監(jiān)測振速在0.5～0.8 cm/s，對周邊環(huán)境影響較小。

按照現(xiàn)有爆破設(shè)計進(jìn)行施工，日循環(huán)進(jìn)尺能達(dá)到1.5～1.8 m，提高了勞動生產(chǎn)率和設(shè)備效率。