小間距下穿高鐵隧道控制爆破技術

孟祥棟，王立川，孟令天，鐘金貝，曾維英，王守偉，劉文鵬，魯甲兵，蔡正清

（1.重慶城建控股（集團）有限責任公司，重慶404100；2.成都鐵路局，成都610000；3.重慶旭博建筑工程咨詢有限責任公司，重慶404100；4.重慶市公安局，重慶400023；5.中鐵十局集團第三建設有限公司，安徽 淮南232000）

小間距下穿高鐵隧道控制爆破技術

孟祥棟1，王立川2，孟令天3，鐘金貝3，曾維英3，王守偉4，劉文鵬5，魯甲兵5，蔡正清5

（1.重慶城建控股（集團）有限責任公司，重慶404100；2.成都鐵路局，成都610000；3.重慶旭博建筑工程咨詢有限責任公司，重慶404100；4.重慶市公安局，重慶400023；5.中鐵十局集團第三建設有限公司，安徽 淮南232000）

因2015年雨季蘭渝高鐵龍鳳隧道內地下水涌出，致其停運，故在線下增建泄水洞，要求必須在2016年雨季前貫通。該泄水洞距上方運營高鐵僅5 m，為保證高鐵的運營安全，對爆破振速控制要求極為嚴格。介紹了此工程中所采用的爆破方法、爆破參數和起爆方式，并最終引入了電子雷管錯相減振技術以及相應的起爆時差。由于施工區域地質復雜，圍巖等級較高，巖石硬度大。通過試爆段的多次爆破監測數據顯示，爆破振速以及主頻都遠遠大于一般類似工程。傳統非電毫秒延時方式已徹底無法滿足工程要求，普通電子雷管逐孔起爆方法亦無法使得振速得到有效控制，所以最終采取了數碼電子雷管錯相減振技術。施工過程表明，電子雷管錯相減振方式的工程爆破效果良好，減振效果明顯，保證了泄水洞如期貫通，避免了高鐵再次因雨停運。可為類似的工程作為參考。

下穿隧道；微振法；電子雷管；逐孔起爆；錯相減振；精確延時

1 引言

隨著國家高鐵建設的不斷推進，下穿既有高鐵運營線的泄水洞施工已是常見的情況。為了確保高鐵的運營安全，通常此類工程具有嚴格的振速控制要求。但由于地質、巖石條件的復雜性，傳統微振法通常很難起到有效的減振作用。近些年來，高精度電子雷管以及相應的精確延時控制技術已被廣泛應用到各類爆破作業項目中，并取得了顯著的減振效果。這也為實現隧道爆破的振速控制提供了另一個有效的技術方法。

2 工程概況

因2015年雨季蘭渝客運專線隧道內地下水涌出，致其停運。該泄水洞分別下穿相鄰并行的既有渭井上行線龍鳳隧道、渭井下行線龍鳳隧道、滬蓉線龍鳳隧道，并與它們垂直相交（見圖1～圖2）。泄水洞拱頂與既有隧道仰拱底凈距僅為5 m，原設計為機械開挖，但因下穿段圍巖為弱風化白云巖、灰巖及鹽溶角礫巖互層，巖質堅硬，機械開挖效率極低，故決定在絕對保證既有隧道運營安全的前提下，采用控制爆破開挖。在既有線軌道處爆破振速控制在2.5 cm/s以下。

圖1 泄水洞下穿既有線平面關系圖Fig.1 Platform of drainage tunnel and in-service railway

圖2 泄水洞下穿既有線剖面關系圖Fig.2 Cross-section of drainage tunnel and in-service railway

爆破振速監測系統布置在既有隧道與下穿泄水洞正交處的軌道平面上（見圖3），為了避免對既有線運營的干擾，使用無線監測系統。

圖3 既有線內測振儀器位置圖Fig.3 Vibration monitor in railway tunnel

3 下穿前試爆段爆破施工

為保證既有隧道的運營安全，在臨近下穿段前實施實驗段，在相同工況下進行爆破實驗。在實驗段中分別使用傳統微振爆破和數碼智能爆破方法；在實施傳統微振分部開挖、電子雷管逐孔起爆和電子雷管錯相減振起爆的爆破方案后，利用監測數據不斷優化方案，最終確定了下穿段的爆破方法、爆破參數和起爆方式。

3.1 傳統微振分部開挖

因在實驗過程中，爆破振動始終嚴重超標。為了降低振速，孔深從最初的1.2 m逐漸減小，對僅33.3 m2的小斷面隧道開挖方式也從全斷面一次爆破調整到分部爆破，直到0.8 m孔深，按下臺階掏槽部分、下臺階擴槽孔與輔助孔、上臺階輔助孔、底板孔與周邊孔的順序依次分四部開挖。

3.1.1 爆破設計

傳統微振法炮孔、段別布置如圖4所示，傳統微振法爆破參數設計見表1。

圖4 傳統微振法炮孔、段別布置圖Fig.4 Detonator arrangement using conventional slight vibration method

表1 傳統微振法爆破參數設計Table 1 Blasting parameters of conventional slight vibration method

3.1.2 爆破效果

掏槽部分進尺約0.8 m，成型較平整；下臺階進尺約0.6 m，斷面較平整；上臺階進尺約0.6 m，斷面較平整；周邊孔輪廓較為模糊，不平整。爆破前后效果對比如圖5所示，傳統微振法的最大振速見表2。

圖5 爆破效果圖Fig.5 Blasting effect

表2 傳統微振法最大振速Table 2 Peak particle velocity generated by conventional slight vibration method

圖6 傳統微振法爆破振動波形Fig.6 Blasting wave generated by conventional slight vibration method

由監測數據可見，在爆破設計已逼近傳統微振爆破工藝的極限的情況下，依然遠遠無法達到控制振速的要求，尤其是在近距離下。因此必須采用其它爆破方法，故考慮采用電子雷管數碼智能爆破方法。

3.2 電子雷管逐孔起爆

因傳統微振爆破的設計思想是每段爆破的振動基本衰減完畢后起爆下一段，使得相鄰段的爆破振動不疊加。減少單段藥量可以降低爆破振速，當每段只爆破一個炮孔時振動最小（排除孔內分段的情況），所以這種方法減振的極限是單孔單響逐孔起爆。但因為傳統導爆管雷管的段位有限，如果單孔單響，則沒有足夠的段位用于爆破，因此不得不分部爆破。而電子雷管通常具有16 000 ms總延時，延時間隔可在1～16 000 ms之間任意調整，精度達1 ms，所以逐孔起爆法可完全實現單孔單響并且不受段位的限制，可實現全斷面一次爆破，大大提高生產效率。

3.2.1 爆破設計

逐孔起爆炮孔、延時布置如圖7所示，逐孔起爆法的爆破參數設計見表3。

表3 逐孔起爆法爆破參數設計表Table 3 Blasting parameters of hole-by-hole blasting method

圖7 逐孔起爆法炮孔、延時布置圖Fig.7 Detonator arrangement using hole-by-hole blasting method

3.2.2 爆破效果

電子雷管全斷面逐孔起爆法實現了全斷面一次起爆，效果良好。爆破前后效果對比如圖8所示，逐孔起爆法最大振速見表4，爆破振動波形如圖9所示。

圖8 爆破效果Fig.8 Blasting effect

表4 逐孔起爆法最大振速Table 4 Peak particle velocity generated by hole-by-hole blasting method

圖9 逐孔起爆法爆破振動波形圖Fig.9 Blasting wave generated by hole-by-hole blasting method

由監測數據可見，電子雷管逐孔起爆法已有效降低了振速，可仍存在單孔振速過大的問題。若堅持采用此方法，只能采取減小孔深和單孔藥量的方式來降低振速。但為了保證爆破效果，0.8 m的孔深已是最小。所以考慮使用電子雷管錯相減振法。

3.3 電子雷管錯相減振

電子雷管的基本原理是利用數碼電子雷管孔內可編程，延時精度高等特點，在隧道爆破施工過程中，通過分析爆破振動波形，找出主振頻率的半周時長確定合理的爆破延時，從而使相鄰兩個炮孔引起的爆炸波到路軌時相位相差π。這樣一來，兩個爆炸波在同一質點上振動矢量方向相反，合成振幅減小，降低了爆破振動波的能量，增加了爆炸破巖的能量，最終實現了錯相減振與爆炸能量的高效利用。上述的理想情況是反相，實際情況下，受到諸多外部條件的制約，無法做到完全反相，但在離開最佳反相點一定區間內的相位錯動，仍有多個波的合成振幅小于單個波振幅的效果，這就是錯相減振。

考慮節省成本，使用總延時為1 000 ms型號的電子雷管，由于總延時過短無法實現全斷面一次爆破，故采用上下臺階分部爆破。

3.3.1 爆破設計

錯相減振法炮孔、延時布置如圖10所示，錯相減振法爆破參數設計見表5。

3.3.2 爆破效果

數碼電子雷管錯相減振上下臺階起爆的爆破效果良好（見圖11）。錯相減振法最大振速見表6。

通過監測結果可見，錯相減振法降低振速的效果比逐孔起爆法更加明顯。除此以外，兩者的波形有明顯的區別。因為數碼電子雷管的的應用都是單孔單響，所以在單孔裝藥量和時差布置相同的時段，波峰應像圖9所示那樣，是從時域上孤立的衰減波，不會有突然的降低。而圖12與圖9相比較，大波峰更為稀疏，大波峰的突然降低非常頻繁，且兩個大波峰之間通常是許多個連續的小波峰，這個現象說明錯相削峰的效果已成功出現。

表5 錯相減振法爆破參數設計表Table 5 Blasting parameters of stagger phase reducing vibration method

圖10 錯相減振法炮孔、延時布置Fig.10 Detonator arrangement using stagger phase reducing vibration method

圖11 爆破效果Fig.11 Blasting effect

圖12 錯相減振法爆破振動波形圖Fig.12 Blasting wave generated by stagger phase reducing vibration method

表6 錯相減振法最大振速表Table 6 Peak particle velocity generated by stagger phase reducing vibration method

4 電子雷管錯相減振法的確定

根據錯相減振法的原理，最關鍵的是通過主頻確定爆炸波的半周期，而主頻是有現場巖石性質決定的。由于無法保證現場的巖石性質均勻，巖石性質也可能隨著隧道施工進度的推進而變化，所以每次爆破的炮孔延時布置應根據上一次的爆破監測數據而調整，隨時響應巖石性質變化。

通過比較在實驗段使用的三種爆破方法的效果，最終確定使用電子雷管錯相減振法作為下穿段的爆破方法。下穿段的爆破振速見表7，這是目前的最優調試結果。

需注意的是，除了泄水洞拱頂到既有線拱底的凈距5 m，渭井線拱底到內軌頂面的距離為2.5 m，爆源到測點的距離的起算點是上下臺階的幾何中心，因此表7中的距離就是正下穿的數據。

表7 下穿段錯相減振法最大振速表Table 7 Peak particle velocity of critical area generated by stagger phase reducing vibration method

續表7

5 結論

本文通過對蘭渝線龍鳳隧道泄水洞項目中所試用的三種爆破方法的比較和分析，驗證了電子雷管錯相減振技術的可行性，證明了錯相減振技術可大幅降低爆破振速。

電子雷管錯相減振的運用顯著提高了施工進度，可保證泄水洞在雨季前貫通，避免客運專線再次因雨停運。

盡管減振效果明顯，但從原理出發，由于場地巖石分布的復雜性和不確定性，錯相減振無法達到其效果的理論極限。

在具體使用錯相減振起爆法的過程中，每次爆破需結合上次爆破振速、頻譜，和實際效果不斷調整方案，以求達到減振效果的最大化。

（

）：

﹝1﹞田振農，孟祥棟，王國欣.城區隧道電子雷管起爆錯相減震機理分析［J］.振動與沖擊，2012，31（21）：108-111. TIAN Zhen-nong，MENG Xiang-dong，WANG Guoxing.Mechanism analysis of fault-phase vibration reduction for tunnel blasting initiated by electronic detonators in city area［J］.Journal of Vibration and Shock，2012， 31（21）：108-111.

﹝2﹞楊年華，張志毅.隧道爆破振動控制技術研究［J］.鐵道工程學報，2010，27（1）：82-86. YANG Nian-hua，ZHANG Zhi-yi.Research on the control technology for tunnel blasting vibration［J］.Journal of Railway Engineering Ssociety，2010，27（1）：82-86.

﹝3﹞李利平，李術才，張慶松.淺埋大跨隧道施工爆破監測與減震技術［J］.巖土力學，2008，29（8）：2292-2296. LI Li-ping，LI Shu-chai，ZHANG Qing-song.Monitoring blasting excavation of shallow-buried large-span tunnel and vibration reduction technology［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（8）：2292-2296.

﹝4﹞邢光武，陳清平，鄭炳旭.精確延時干擾減震爆破網路的實驗研究［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2009，32（10）：1473-1476. XING Guang-wu，CHEN Qing-ping，ZHENG Bing-xu. Experimental research on detonating meshwork for controlling blast-induced vibration by exact delay［J］.Journal of Hefei University of Technology（Natural Science Edition），2009，32（10）：1473-1476.

﹝5﹞孟祥棟，田振農，王守偉，等.城區隧道微震爆破技術研究［J］.爆破，2011，28（4）：6-10. MENG Xiang-dong，TIAN Zhen-nong，WANG Shouwei，et al.Study on slight vibration technology of tunnel blasting in urban area［J］.Blasting，2011，28（4）：6-10.

Controlled blasting technology of underpass the high speed railway tunnel with small interval

MEPC Xiang-dong1，WPPC Li-chuan2，MEPC Ling-tian3，ZHOPC Jin-bei3，ZEPC Wei-ying3，WPPC Shou-wei4，LIU Wen-peng5，LU Jia-bing5，CPI ZHeng-qing5
（1.Chongqing Urban Construction HoIding（Croup）Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China；2.Chengdu RaiIway Bureau，Chengdu 610000，China；3.Chongqing Xubo Engineering ConsuItancy Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China；4.Chongqing MunicipaI PubIic Security Bureau，Chongqing 404100，China 5.China RaiIway Ten Bureau Croup Third Construction Co.，Ltd.，232000，China）

Because of the drainage problem，the high-speed rail line of Lanzhou to Chongqing was out of service during 2015 wet season，so a drainage tunnel was constructed for the line and required to be accomplished before 2016 wet season.This drainage tunnel was only 5 meters below the line，the blasting vibration need to be strictly controlled.All the applied blasting method，parameters and detonation throughout the entire project were introduced，finally brings in the electronic detonator stagger phase technique and corresponding time difference for detonation.The construction site had complicated geology with hard rock.The trial blasting results showed that the peak particle velocity and basic frequency of blasting wave were far larger than the results in similar projects.Conventional method was ineffectual for reducing blasting vibration，and the hole by hole method with electronic detonator could not always have apparent effect，consequently，the stagger phase method with electronic detonator was adopted.Construction results exhibit the prominent blasting effect by using stagger phase method，blasting vibration was effectively controlled.Drainage tunneling was ensured completed before wet season，high-speed rail was prevented from being out of service.It could provide a reference to similar engineering project.

Underpass tunnel；Micro vibration method；Electronic detonator；Hole by hole blasting；Staggered phase vibration reduction；Precise time delay

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.014

1006-7051（2016）05-0069-08

2016-05-30

孟祥棟（1962-），男，高級工程師，從事巖土爆破方面的研究。E-mail：bp204125@163.com