鐵路隧道跨越輸水隧洞的爆破及監(jiān)測方案分析

邵書語

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 概述

隧道爆破開挖是交通建設(shè)旳重點(diǎn)和核心工程。對此學(xué)者們對鐵路隧道爆破開挖進(jìn)行了多方面的研究，潘文韜等[1]對小凈距三洞并行公鐵隧道近接施工及爆破振動影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在極限安全距離內(nèi)采取隧道爆破施工，在極限安全距離外采取機(jī)械開挖；王洪存等[2]對新建隧道爆破施工對既有隧道交叉段影響進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：加強(qiáng)監(jiān)測隧道拱頂、拱肩爆破振動，能保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定；黃斌[3]對上跨臨近既有鐵路隧道爆破振動控制響應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：計算得到隧道最小斜距的爆破振動速度，能滿足爆破震動安全允許標(biāo)準(zhǔn)；胡平[4]對復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵隧道下穿建筑物減振爆破技術(shù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：采用先進(jìn)的減振爆破技術(shù)，能保證附近建筑物爆破振動安全；劉長文等[5]對數(shù)碼雷管隧道爆破施工對臨近民房的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：合理設(shè)置數(shù)碼雷管毫秒延期，爆破減震效果顯著；伍岳等[6]對隧道爆破對臨近高壓輸電鐵塔的振動影響進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：采用多段別延期起爆網(wǎng)路，能有效防止爆破振動對高壓鐵塔的危害。

以上研究并沒有聚焦于隧道上跨水庫輸水工程隧洞的爆破開挖技術(shù)研究，對此本文對鐵路隧道跨越輸水隧洞的爆破及監(jiān)測方案進(jìn)行了分析。

2 工程概況

本項(xiàng)目在撫順市東州區(qū)阿金溝附近與大伙房水庫地下輸水隧洞交叉，交叉點(diǎn)樁號為：沈白鐵路DK59+754.95m、大伙房水庫輸水(二期)工程輸水隧洞2+834.561m，交角約87.15°，鐵路工程在此處以隧道上跨的方式穿越輸水工程。該處地面高程約為150.6m，輸水隧洞洞底高程93.34m，洞徑6.0m，洞頂高程為99.34m；根據(jù)中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司提供的鐵路線路，目前交叉穿越位置軌面設(shè)計高程為131.05m，輸水隧洞頂距鐵路阿金隧道軌面距離約為31.71m，距離隧道開挖底約為28.96m。

3 爆破方案

3.1 爆破等級

根據(jù)爆破工程等級分類標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，本次爆破工程為巖土爆破工程，一次爆破藥量Q<0.5T。由于該工程洞身為隧道爆破工程，地下爆破系數(shù)0.5，三級圍巖上下臺階同時爆破時最大單次起爆藥量大于250kg，根據(jù)藥量劃分為C級巖土爆破工程。但由于距離該工程500m范圍內(nèi)有重要建筑設(shè)施(大伙房水庫輸水(二期)工程輸水隧洞)，根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》4.2要求，該爆破作業(yè)等級應(yīng)提高1個等級，為B級巖土爆破工程。

3.2 Ⅲ級爆破參數(shù)設(shè)計

如圖1所示，阿金隧道為單洞雙線隧道，隧道洞身采用毫秒延時微振控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制最大單響藥量。隧道Ⅲ級圍巖段爆破施工按照4m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行，掏槽為多楔形掏槽，先爆破掏槽孔孔距180mm，后爆破掏槽孔孔距50mm，輔助孔孔距80mm，周邊孔孔距55mm，最小抵抗線75mm，炸藥單耗1.1kg/m3，線裝藥密度280g/m，炮孔利用率90%。

圖1 Ⅲ級圍巖炮孔布置及起爆順序圖

3.3 Ⅳ級爆破參數(shù)設(shè)計

如圖2所示，阿金隧道Ⅳ級圍巖段爆破施工按照3m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行。DK60+179.3～DK60+200 Ⅳ級圍巖段屬于特殊控制段，循環(huán)進(jìn)尺即相關(guān)參數(shù)參照Ⅴ級圍巖，以現(xiàn)場試爆為準(zhǔn)調(diào)整具體相關(guān)參數(shù)，若不能達(dá)到監(jiān)控和要求標(biāo)準(zhǔn)，須按照施組要求按照電子雷管控制爆破重新進(jìn)行設(shè)計。掏槽為多楔形掏槽，先爆破掏槽孔孔距120cm，后爆破掏槽孔孔距60cm，輔助孔孔距90cm，周邊孔孔距75cm，最小抵抗線75cm，炸藥單耗0.97kg/m3，線裝藥密度240g/m，炮孔利用率88%。

圖2 Ⅳ級圍巖炮孔布置及起爆順序圖

3.4 Ⅴ級爆破參數(shù)設(shè)計

如圖3所示，阿金隧道V級圍巖段爆破施工按照1.2m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行。掏槽為多楔形掏槽，先爆破掏槽孔孔距100cm，后爆破掏槽孔孔距50cm，輔助孔孔距93cm，周邊孔孔距75cm，最小抵抗線90cm，炸藥單耗0.9kg/m3，線裝藥密度250g/m，炮孔利用率75%。

圖3 Ⅴ級圍巖炮孔布置及起爆順序圖

3.5 裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞和起爆網(wǎng)路

在裝藥前要對炮孔進(jìn)行吹孔，防止巖渣堵孔，影響裝藥。掏槽孔、輔助孔、底孔采用Φ32mm乳化炸藥，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，起爆雷管置于炮孔底部。周邊孔采用光面爆破，使用2#巖石乳化炸藥(Φ32mm)進(jìn)行不耦合裝藥(如圖4所示)，裝藥結(jié)束后，使用炮泥進(jìn)行良好堵塞。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5所示，炮孔填塞采用稍濕含細(xì)砂黃粘土，堵塞需分層搗固密實(shí)。光面爆破炮孔在孔口進(jìn)行堵塞，長度不小于20cm。爆破網(wǎng)路采用普通導(dǎo)爆管雷管毫秒延期起爆網(wǎng)路起爆(DK60+140～DK60+258.55采用工業(yè)數(shù)碼電子雷管聯(lián)接)，起爆順序?yàn)椋禾筒劭?輔助孔-周邊孔-底板孔，根據(jù)起爆順序每孔分別使用相應(yīng)段別的雷管1發(fā)，孔外每個傳爆結(jié)點(diǎn)采用2發(fā)1段雷管或連接元件連接；工業(yè)數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)依照導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)微差設(shè)計、孔外并聯(lián)逐孔起爆。

圖5 網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

4 監(jiān)測方案

4.1 監(jiān)測范圍

根據(jù)阿金隧道施工圖及爆破設(shè)計，相同圍巖開挖方式及進(jìn)尺相同，開挖爆破裝藥量也為固定值，爆破位置距離輸水隧洞越遠(yuǎn)，振動影響會越小。若最近距離爆破振動滿足要求，則認(rèn)為其他位置同類圍巖、同樣進(jìn)尺的爆破振動均滿足要求，因此爆破振動監(jiān)測僅對各級圍巖距輸水工程最近位置的爆破點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測[7-9]。

根據(jù)輸水隧洞和鐵路隧道的平面位置關(guān)系，沈白鐵路阿金隧道與大伙房水庫輸水(二期)工程輸水隧洞交角約87.15°。根據(jù)阿金隧道縱斷面圖，隧道跨越段DK59+610～DK59+985為Ⅴ級圍巖。鐵路隧洞和輸水隧洞交點(diǎn)樁號為DK59+754.95m，沿沈白鐵路隧道軸線，沈陽方向Ⅳ級圍巖距離輸水隧洞結(jié)構(gòu)外尺寸最近距離為140.7m，白河方向Ⅳ級圍巖距離輸水隧洞最近距離為226.4m；沈陽方向Ⅲ級圍巖距離輸水隧洞結(jié)構(gòu)外尺寸最近距離為210.7m，白河方向Ⅲ級圍巖距離輸水隧洞最近距離為281.2m?？梢姲缀臃较颌?、Ⅳ級圍巖距離跨越點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此，只需監(jiān)測沈陽方向Ⅲ、Ⅳ級圍巖爆破振動對輸水隧洞的影響。

4.2 監(jiān)測孔設(shè)置及安全判斷

根據(jù)輸水工程永久監(jiān)測點(diǎn)布置情況，輸水隧洞現(xiàn)有距交叉穿越點(diǎn)最近的安全監(jiān)測斷面位于3+880位置，該位置距穿越點(diǎn)約1000m，距離太遠(yuǎn)，因此無法利用輸水隧洞現(xiàn)有安全監(jiān)測設(shè)施。故本次設(shè)計采用隧洞外垂直孔振動監(jiān)測方案，同時大伙房水庫輸水(二期)工程的輸水隧洞為有壓輸水隧洞，本次監(jiān)測方案在隧洞外設(shè)置1處地下水滲透壓力監(jiān)測點(diǎn)(如圖6所示)，以監(jiān)測爆破過程是否對輸水隧洞造成內(nèi)水外滲的影響。

圖6 深孔滲壓計埋設(shè)安裝示意圖

監(jiān)測區(qū)域共計5個監(jiān)測孔(JC1～JC5)，每個監(jiān)測孔中各設(shè)置2個監(jiān)測點(diǎn)，通過速度計進(jìn)行監(jiān)測，可監(jiān)測優(yōu)化后的爆破振動在巖石中的動力響應(yīng)，速度計采用三向型，三軸方向分別定為平行于輸水隧洞軸線方向、水平垂直于輸水隧洞軸線方向(如圖7所示)和鉛直方向。埋點(diǎn)方式通過鉆孔，在所選位置向地下鉆66～62m深度的孔，放入Φ100 PVC管，PVC管中提前固定好傳感器(如圖8所示)，放入所選點(diǎn)后，向管中注入砂漿。垂直孔孔底高程不應(yīng)高于94.34m，以防止監(jiān)測設(shè)備受到孔底虛渣影響。

圖7 傳感器垂直方向位置示意圖

圖8 PVC管內(nèi)傳感器分布示意圖

本監(jiān)測方案振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)采用SL 398—2007《水利水電工程施工通用安全技術(shù)規(guī)程》中的水工隧道最小的允許振速5cm/s。因此，當(dāng)垂直孔監(jiān)測點(diǎn)JC1～JC5，每次監(jiān)測質(zhì)點(diǎn)振動速度均小于5cm/s時，可認(rèn)為鐵路隧道施工未對輸水工程安全造成影響。若監(jiān)測數(shù)據(jù)不滿足規(guī)范要求，應(yīng)立即停止施工，進(jìn)行爆破參數(shù)調(diào)整，減少裝藥量并重新進(jìn)行爆破試驗(yàn)。工程主要判斷安全指標(biāo)為質(zhì)點(diǎn)振動速度，隧洞外地下水滲透壓力監(jiān)測作為一個輔助手段，當(dāng)監(jiān)測地下水壓力未異常升高時(需排除降雨等因素)，可認(rèn)為鐵路工程施工未對輸水工程造成嚴(yán)重的滲漏影響。

4.3 監(jiān)測注意事項(xiàng)

本次監(jiān)測的原則是在復(fù)核完試驗(yàn)段的爆破設(shè)計后，再利用地下深孔進(jìn)行先復(fù)核、后驗(yàn)證的監(jiān)測流程。不同級別圍巖爆破振動復(fù)核采用空間距離與本級圍巖距輸水隧洞最近距離相等的監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行該級別圍巖的爆破振動復(fù)核。當(dāng)復(fù)核爆破參數(shù)滿足要求后，方可進(jìn)行后續(xù)爆破施工，同時在本級圍巖距輸水隧洞最近位置起爆時，同樣進(jìn)行與輸水隧洞空間距離等距的地下監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行振動監(jiān)測驗(yàn)證，確保爆破振動不會對輸水隧洞產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

沈白鐵路阿金隧道與大伙房水庫輸水(二期)工程輸水隧洞相交，需要加強(qiáng)對跨越輸水隧洞的鐵路隧道爆破開挖方式進(jìn)行論證，并加強(qiáng)施工中的動態(tài)監(jiān)測，防止輸水工程造成嚴(yán)重的滲漏。結(jié)果表明，隧道洞身采用毫秒延時微振控制爆破技術(shù)，臺階法施工，針對隧道Ⅲ級圍巖循環(huán)進(jìn)尺4.0m；隧道Ⅳ級圍巖循環(huán)進(jìn)尺3.0m；隧道Ⅴ級圍巖循環(huán)進(jìn)尺1.2m的方案切實(shí)可行。

同時，應(yīng)加強(qiáng)施工中動態(tài)監(jiān)測控制，監(jiān)測區(qū)域設(shè)置5個監(jiān)測孔，每個監(jiān)測孔中各設(shè)置2個監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)測質(zhì)點(diǎn)振動速度均小于5cm/s時，表明鐵路隧道施工未對輸水工程安全造成影響。當(dāng)監(jiān)測地下水壓力未異常升高時，表明鐵路工程施工未對輸水工程造成嚴(yán)重的滲漏影響。