銅鑼山隧道洞室群小凈距爆破施工控制技術

朱艷峰，黃明普

(1.廣州番禺職業技術學院，廣東廣州511483;2.中鐵十八局集團有限公司，天津300222)

銅鑼山隧道洞室群小凈距爆破施工控制技術

朱艷峰1，黃明普2

(1.廣州番禺職業技術學院，廣東廣州511483;2.中鐵十八局集團有限公司，天津300222)

復雜洞室群小凈距隧道施工的關鍵是爆破振動效應的控制。為減少小凈距隧道爆破開挖對結構及中夾巖柱穩定的不利影響，重慶軌道交通六號線銅鑼山隧道復雜洞室群小凈距爆破通過精確計算，合理選擇與工程相匹配的鉆爆參數，采用非電毫秒雷管、乳化炸藥和光面爆破，硬巖地段爆破分臺階進行，確保了隧道超欠挖在允許范圍之內，并使中夾巖柱的擾動達到最小。本工程的復雜洞室群爆破控制技術可為今后類似工程提供參考。

復雜洞室群 小凈距隧道 爆破控制技術

我國正大規模開展城市地鐵、公路、鐵路等的交通建設，因受地形地質條件、征地范圍和環保要求的限制，相鄰隧道間距相對較小的小凈距隧道越來越多地出現在工程實踐中［1-2］。

目前，隧道與地下工程的主要施工方法有明挖法、半明挖法、盾構法以及鉆爆法［3］。鉆爆法相對于其他三種施工方法，具有開挖成本低、地質條件適應性強的特點，在巖體破碎的中長、短隧道以及巖體堅硬的隧道施工中更加適宜。不論是從經濟、技術角度還是從掘進效率方面考慮，小凈距隧道大部分都會采用鉆爆法掘進。復雜洞室群小凈距隧道施工的重點以及難點是控制爆破作業，減小兩隧道之間由于凈距較小引起的圍巖變形，確保隧道在開挖過程中中夾巖柱的穩定［4-8］。本文以重慶軌道交通六號線銅鑼山隧道工程為例，系統地闡述了復雜洞室群小凈距隧道爆破施工控制技術。

1 工程概況

銅鑼山隧道工程為兩單洞單線隧道，位于重慶軌道交通六號線二期劉家坪站—上新街站區間。隧道右線起點里程為YDK5+825，終點里程為YDK11+ 458.373，全長5 633.373 m，屬低山地貌，地面高程420～380 m，坡腳8°～20°，地質情況極其復雜，經過F1斷層，石膏巖及低阻異常區等地段。隧道埋深180 m左右，隧道洞身圍巖為三疊系上統須家河組第六段地層，主要為砂巖、泥巖。在里程YDK11+213—YDK11 +222存在采空區，寬約9 m，斜切整個隧道，向隧道四周延伸;在里程ZDK11+223—ZDK11+226，存在須家河第五段煤系地層，有壓煤、穿煤、低瓦斯等不良地質現象，以接近正交方式橫穿隧道，在隧道洞身段四周無規則延伸;距離1#斜井與主洞交叉口洞室群10 m左右存在水冬瓜煤礦采空區，地下水聚集在下部;里程Y(Z)DK9+640—Y(Z)DK10+800段為巖溶飽水區，HHS0+00—HHS0+33段為低阻異常區，地下水富集［9-11］。

2 小凈距隧道爆破難點及振動控制方法

銅鑼山隧道工程1#斜井與正線交叉口各洞室的間距很近，如圖1所示。ZDK8+906.175—ZDK8+ 835段距右線的開挖邊線凈間距為5.16 m和5.40 m，而TBM拆卸洞的開挖洞徑為10.08 m，開挖邊線線間距接近TBM拆卸洞洞徑的一半(d/2)，為典型的小凈距隧道。為減少爆破振動效應的疊加，確保隧道開挖過程中中夾巖柱體的穩定，隧道開挖順序的選取以及爆破效應的控制至關重要。

小凈距隧道爆破振動效應的控制方法包括:①微差爆破干擾降振法;②不耦合裝藥結構或低爆速炸藥降振法;③增加臨空面、減小爆破夾制力降振法。

1)微差爆破干擾降振法屬于主動控制法。爆破振動與爆心距、爆破藥量以及介質條件有關。由于介質條件不可改變，與改變爆心距相比，在工程上控制爆破藥量更為有效。雖然控制同段起爆的最大藥量可以有效減小爆破振動的影響，但為了加快施工進度，往往加大一次起爆的藥量。微差爆破技術可以有效解決降低爆破振動影響與施工進度之間的矛盾。采用微差爆破技術時，可通過調節各段之間的相位差使得各段爆破振動產生的干擾相互抵消，從而降低爆破振動強度［12］，達到降振目的。使用毫秒延期雷管是實現干擾降振的主要手段，將一次爆破藥量分成多段實現毫秒延期起爆。由于前發藥包為后發藥包開創了臨空面，可以有效加強爆破效果;逐發爆破又使炮孔產生的振動波相互干擾，峰值不能迭加，減少了巖石的夾制力，具有精度高、段別多，選擇余地大等特點。在小凈距隧道爆破施工中，采取前排段別適當減小炮孔數，后排段別適當增加炮孔數的方法，將爆破振動控制在要求的范圍內，并且能擴大爆破裝藥量，以滿足施工進度的要求。

2)不耦合裝藥結構和低爆速炸藥降振法均屬于被動控制法。不耦合裝藥結構即為炮孔直徑大于藥卷直徑的一種裝藥結構形式，可以有效延長爆轟氣體對巖石的作用時間并降低爆破時的沖擊壓力。爆破振動的強弱與炸藥的性能密切相關，低爆速炸藥的應用也可有效降低爆破產生的沖擊速度。所以，在小凈距隧道爆破施工中為控制爆破振動效應，常常同時采用不耦合裝藥結構與低爆速炸藥降振法。

3)增加臨空面、減小爆破夾制力降振法。爆破位置離自由面越遠，巖石產生的夾制作用就越強，爆破振動速度就越大;相反，自由面位置越近爆破產生的振動速度就越小。另外，臨空面的多少也對爆破振動的強弱有極大影響。在小凈距隧道的爆破施工中，為減少爆破振動的影響，需對掏槽方案進行優化。通過改善起爆順序，來改善臨空面條件，減輕爆破夾制作用，減小最小抵抗線。

圖1 1#斜井與主線洞口關系平面示意(單位:m)

3 復雜洞室群小凈距隧道爆破設計及施工技術

1)爆破方法及減震措施

銅鑼山復雜洞室群小凈距隧道采用了臺階法施工，復合式TBM拆卸洞采用鉆爆法開挖。為達到爆破后隧道輪廓線的平整度及保證中夾巖柱和隧道結構的穩定，最大限度地減少爆破振動對巖石的擾動，避免加大既有裂隙而出現隧道滲漏水現象，爆破時不影響相鄰洞室支護結構的穩定性，并控制后續爆破對小凈距隧道初期支護的震動作用，開挖過程中TBM拆卸洞斷面分5次爆破成型。根據炸藥與巖石的匹配程度，精心選擇了合適的爆破器材。在爆破施工中，兩洞不能平行爆破作業，采用中等爆速的炸藥;前后洞之間的距離控制在30～50 m;掏槽眼、掘進眼、擴幫眼均選用了乳化炸藥，采用非電毫秒雷管和導爆索連接各周邊孔內的藥卷起爆，相鄰段別的起爆間隔＞100 ms，周邊眼采用不耦合裝藥結構的光面爆破，以減少每段起爆的炸藥用量以及各段爆轟波的疊加;孔外采用非電毫秒雷管傳爆，電雷管起爆。掏槽爆破段時間間隔設置為50～75 ms，后續炮眼的爆破段時間間隔由于受到爆破器材的限制，進行了逐段安排。

2)爆破參數

本工程對爆破參數進行精心選擇，在保證爆破振動速度符合安全規定的前提下，嚴格遵循“弱爆破、短進尺”的施工原則，有效提高了隧道開挖成型的質量和施工進度。本隧道設計單循環進尺為2.0 m，在隧道拱頂設置一圈周邊孔，隧道最大段起爆藥量設置為30.0 kg，掏槽孔布置于隧道斷面的中部，左、右2組各5對對稱布置，掏槽孔孔深2.3 m，傾斜角度65°，每對掏槽孔孔口間距為2.18 m，2組掏槽孔的直線距離為0.40 m。掏槽方式采用在垂直方向楔形掏槽。爆破中心的掏槽孔總裝藥量為16.0 kg。爆破采用非電毫秒雷管微差起爆，分8段起爆完畢。在隧道上部呈弧形布置5排炮孔，最外排炮孔與隧道拱頂周邊孔相距50 cm，中間炮孔的排距為70 cm。在隧道邊墻的周邊孔與掏槽孔之間布置了4排炮孔，最外排的炮孔與隧道邊墻周邊孔的距離為70 cm，中間炮孔的排距為70 cm。在隧道掏槽孔的下方設置了2排炮孔，底板炮孔的間距為70 cm，中間炮孔間距為70 cm。炮孔布置如圖2所示。

圖2 TBM拆卸洞上臺階開挖炮眼布置(單位:mm)

按藥卷逐節密貼裝填不加搗實估算，炮眼數目為

式中:N為炮眼數目，個;q為單位炸藥消耗量，kg/m3; s為導坑斷面積，m2;r為藥卷每米質量，kg/m;κ為炮眼富余系數;α為裝填系數。

3)爆破控制

將地面建筑物基礎底部或地面的振速控制測點至爆源中心的距離R作為爆破安全控制半徑，質點振動波速度以1.5 cm/s為控制標準。最大一段的允許用藥量Qm為

表1 TBM拆卸洞上臺階爆破裝藥參數

式中:Qm為最大一段的允許用藥量，kg;R為爆源中心與振速控制測點的距離，m;Vkp為質點振動波速度限值，取1.5 cm/s;K為與爆破技術及地形有關的系數，一般取150;a為爆破振動波衰減系數。

為使有限的裝藥量均勻地分布到被爆破體中，炮眼按照淺密原則布置，以降低隧道爆破的震動強度。結合現場巖石的特性確定TBM拆卸洞上臺階爆破裝藥參數，見表1。

4)爆破施工技術措施

為了更有效地利用炸藥爆炸的能量，減少對周邊圍巖的擾動，確保隧道超欠挖在允許范圍之內，硬巖地段隧道爆破施工分臺階進行，間隔裝藥，在掏槽孔、輔助眼和底板眼處連續裝藥。本工程Ⅲ級圍巖線裝藥密度取0.3～0.6 kg/m，起爆網絡采用簇并連法，爆破采用微差起爆方式，掏槽孔段間延時差為50～75 ms，共分8段起爆。起爆順序為掏槽孔→輔助眼→周邊孔，確保拋渣2 m。

5)爆破監測

本工程爆破振動速度按《爆破安全規程》(GB 6722—2003)的要求進行控制，在地面及先行洞內對每次爆破均進行了爆破振動監測，以掌握爆破對附近建筑物的影響程度，且爆破監測對控制隧道超欠挖及維護隧道內外環境的穩定，修改鉆爆設計起著關鍵作用。

6)巖壁加固

施工時先行開挖左線，待開挖右線時同步對巖壁進行加固。巖壁加固采用φ25砂漿錨桿，錨桿采用車絲桿，錨桿兩端加設200 mm×200 mm×10 mm的固定墊板，用螺帽擰緊。將巖壁穿透對拉鎖死(灌漿漿液采用M20水泥砂漿)。φ25砂漿錨桿按梅花形布設，間距1.0 m×1.0 m。

4 爆破有害效應驗算

小凈距隧道采用爆破方法掘進時，爆破過程中部分炸藥的能量將轉化為地震波，并伴隨著沖擊波、飛石、爆破毒氣以及爆破噪聲的產生，嚴重影響著附近地表建筑物、機械設備以及生命財產的安全。小凈距隧道爆破有害效應的驗算，將確保隧道爆破的安全性。

1)地震效應驗算

根據爆破安全規程的規定，工程爆破中采用爆破地震的最大質點振動速度來衡量爆破振動的強度。計算公式為

式中:v為質點垂直振動最大速度，cm/s;Q為最大一段的裝藥量，kg;R為測點距爆源中心的距離。

工程上爆破地震效應的驗算一般用垂直振動速度作為判據。由于爆破振速的大小與炸藥量、距離、地形、爆破方法等有關，本工程最大段裝藥量Qmax=19.8 kg，取K=150，a=1.6。表2為測點距爆源中心不同距離時的最大垂直震動速度。由表2可知，當測點距爆源中心的距離為50 m時，垂直震動速度v=1.41 cm/s，小于爆破安全規程要求的1.5 cm/s，因此，爆破振動的安全距離為50 m。由于測點垂直震動速度隨著距爆源中心距離的增大而減小，因此，在測點離爆源中心的距離＞50 m的情況下，爆破地震效應引起的垂直震動速度能確保建筑物的安全;當建筑物處于距離爆源中心50 m范圍以內時，采用小進尺(循環進尺1 m)即可保證震動指標符合設計要求。

2)沖擊波超壓影響

由于本工程中隧道洞室群爆破均位于地下，且小凈距隧道的施工方向均為水平，所以沖擊波超壓對洞口周圍建筑物的影響可以忽略不計。

3)爆破噪音影響

爆破噪音主要由沖擊波造成氣體壓力脈動而產生。在爆破作業中，當空氣沖擊波的超壓值降至0.02 MPa以下時，沖擊波將蛻變為聲波，并以波動的形式繼續向前傳播，隨之產生爆破噪音。我國《爆破安全規程》規定:空氣沖擊波超壓值的安全允許標準對人員為0.02×105Pa。本項目按隧道內裸露藥包爆破計算空氣沖擊波超壓值。

式中:Δp為空氣沖擊波超壓值，×105Pa。

測點距爆源中心不同距離時空氣沖擊波超壓值如表3所示。

表2 測點距爆源中心不同距離時的最大垂直震動速度

表3 不同距離的空氣沖擊波超壓值

由表3可以看到，當測點距爆源中心距離為50 m時，空氣沖擊波超壓值為0.001 697 MPa，小于對人員的安全沖擊波超壓標準0.002 MPa，即相當于161 dB。但當噪音峰值超過90 dB以上時，就會嚴重影響人們的正常生活和工作，因此，必須采取措施，隧道爆破時在洞內加設濕泡沫罩或廢舊輪胎，以減少沖擊波產生的噪音影響，同時爆破時間應在白天喧鬧時間進行，將噪音峰值控制在90 dB以下。

4)爆破飛石影響

爆破飛石指爆破時個別或少量脫離爆堆飛得較遠的碎石或碎塊，爆破飛石往往是造成人員傷亡、建(構)筑物和儀器設備等破壞的原因。隧道爆破時，要求個別飛石對人員的安全距離應該不小于規定的300 m。本工程爆破設計采用低爆速炸藥、不耦合裝藥結構、毫秒延時爆破等。爆破時，飛石對人員安全距離均符合設計要求。

5 小凈距隧道爆破效果

1)隧道爆破后開挖面無明顯裂隙，無危石，避免了局部塌落，保證了施工的安全。

2)隧道爆破后石塊大小均勻，無大塊石，方便出渣和運輸，提高了出渣效率。

3)隧道爆破后超欠挖符合設計規定，開挖輪廓成型規則，巖面較平整;減少了超欠挖量，節約了大量混凝土和回填片石，加快了施工進度。

4)隧道爆破后，大大降低了爆破震速。隧道爆破規定的設計震速不得超過2 cm/s，現場爆破時實際檢測均在1 cm/s左右，極大降低了爆破振動對周邊環境及建筑物的影響，保證了爆破施工安全。

6 結語

復雜洞室群小凈距爆破施工是本區間隧道施工中的重點和難點，本文以銅鑼山隧道工程為例，從爆破方法的選擇、減震措施的采用、爆破參數的確定以及爆破控制等幾方面系統闡述了復雜洞室群小凈距隧道開挖的爆破設計方案，提出了小凈距隧道掘進爆破的具體施工技術措施和質量控制技術，通過爆破效應的驗算確保符合爆破安全規程的要求。該爆破施工控制技術的成功應用，可為類似的隧道爆破施工提供參考。

［1］孫偉剛.小凈距隧道掘進控制爆破技術研究［J］.科技創業月刊，2011(6):198-199.

［2］喬春江，朱光儀.超小凈距隧道的設計與研究［J］.公路，2006，7(7):179-184.

［3］齊景撤，劉正雄，張儒林，等.隧道爆破現代技術［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［4］洪開榮.山區高速公路隧道施工關鍵技術［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］胡元芳.小線間距城市雙線隧道圍巖穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(9):1335-1338.

［6］王忠偉，李杰.淺埋隧道控制爆破施工技術［J］.鐵道建筑，2011(10):51-52.

［7］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 6722—2003爆破安全規程［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［9］重慶市勘測院，中鐵第一勘察設計院集團有限公司.重慶市軌道交通六號線二期銅鑼山隧道工程地質詳勘報告［R］.重慶:重慶市勘測院，西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［10］重慶市勘測院，中鐵第一勘察設計院集團有限公司.重慶市軌道交通六號線二期工程銅鑼山隧道設計技術要求［Z］.重慶:重慶市勘測院，西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［11］重慶市勘測院，中鐵第一勘察設計院集團有限公司.重慶市軌道交通六號線二期工程施工圖設計［Z］.重慶:重慶市勘測院，西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［12］李鵬，盧文波，陳明，等.爆破振動全歷程預測及主動控制研究進展［J］.力學進展，2011，41(5):537-545.

Controlling blasting technique for Tongluoshan tunnel group w ith small net spacing from each other

ZHU Yanfeng1，HUANG Mingpu2
(1.Guangzhou Panyu Polytechnic，Guangzhou Guangdong 511483，China;2.China Railway 18 Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China)

T he key of neighborhood tunnel construction for com p lex tunnel group is the con trol of blasting vibration effect.In order to reduce adverse effect of neighborhood tunnel blasting on in terlaid rock stability，neighbo rhood blasting of T ongluoshan tunnel for complex tunnel group in Chongqing rail transit line 6 chose the d rilling and exp losion param eters m atching w ith the engineering by accu rate calcu lation and adopted the nonelectric m illisecond detonator，em ulsion exp losive and sm ooth blasting.Step by step blasting w as used in hard rock sections，which ensu res the over excavation of tunnel in allow able range and m akes the interlaid rock distu rbance be m inim al.Con trolling blasting technique for com p lex tunnel group could p rovide a reference fo r the sim ilar engineering in future.

Com p lex tunnel group;T unnels w ith sm all net spacing;Con trolling blasting technique

TD235.34

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.22

1003-1995(2015)06-0083-05

(責任審編葛全紅)

2015-01-10;

2015-04-25

朱艷峰(1968—)，女，山西五臺人，講師，博士。