控爆技術(shù)在鄰近營業(yè)線鐵路隧道小凈距施工中的應(yīng)用

李海波

摘要：新郁山隧道平導(dǎo)與既有渝懷線鐵路隧道水平最小凈距只有7m，地質(zhì)條件差，設(shè)計采用控制爆破施工，要求既有隧道爆破振速不大于2.5cm/s，施工難度和風(fēng)險極大。為確保在隧道平導(dǎo)爆破施工時既有線運(yùn)營安全可控，通過對爆破振速監(jiān)測，研究孔眼設(shè)計、裝藥方式及起爆網(wǎng)路設(shè)計施工方法，并在正式施工中得到成功應(yīng)用，保證了隧道平導(dǎo)開挖工程的安全高效完成，并對鄰近營業(yè)線隧道爆破施工具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

Abstract： The minimum horizontal net distance of the Xinyu Mountain tunnel adit and the existing Chongqing -Huaihua Railway tunnel is only 7m and the geological condition is poor. The design adopts controlled blasting. It is required that the existing tunnel blasting vibration velocity is not more than 2.5 cm/s， so the construction is extremely difficult and risky. In order to ensure the safe and controllable operation of the existing railway during the tunneling and blasting construction， through the monitoring of the blasting vibration velocity， the study of the hole design， the charging method and the design method of the detonation network， and the successful application in the formal construction， the safe and efficient completion of tunneling excavation gas been ensured and it has a strong guiding significance for the tunneling blasting construction of the adjacent business line.

關(guān)鍵詞：小凈距離；爆破振速；光面爆破；微差間隔

Key words： small net distance；blasting vibration velocity；smooth blasting；differential interval

中圖分類號：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0108-06

0 引言

在高速鐵路、繁忙干線及干線或一些特定地段修建二線鐵路，受既有線營運(yùn)及地形地質(zhì)條件限制的影響，新線與既有線間距變得越來越小，為了適應(yīng)這種發(fā)展，小凈距離隧道的修建也越來越多。新郁山隧道平導(dǎo)與營業(yè)線鐵路隧道距離較近，地質(zhì)條件差，隧道間相互影響，通過改進(jìn)控爆施工技術(shù)有效的解決了與營業(yè)線鐵路隧道小凈距離施工安全的問題。

1 工程概況

渝懷鐵路涪陵（不含）至梅江（含）段是渝懷鐵路的東南段，線路（成都鐵路局管內(nèi)）位于重慶市境內(nèi)，渝懷線屬于成都鐵路局干線鐵路，運(yùn)營任務(wù)繁忙。

新郁山隧道進(jìn)口平導(dǎo)作為隧道輔助坑道，全長1860m，隧道穿越地層構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)主要有巖溶、危巖落石，隧道穿越區(qū)內(nèi)節(jié)理發(fā)育，巖體多被切割成塊狀，隧道主要穿越學(xué)堂板向斜，郁山正斷層和勝地壩逆斷層，地下水豐富。

進(jìn)口平導(dǎo)：Ⅱ級圍巖880m，占49%；III級圍巖605m，占33%；IV級圍巖25m，占1%；V級圍巖300m，占17%。二是隧道之間間距較小，其中擴(kuò)建既有平導(dǎo)1800m，既有平導(dǎo)與既有線之間凈間距7～13m，屬于營業(yè)線小凈距離施工，施工安全風(fēng)險高。因此，必須嚴(yán)格控制爆破施工技術(shù)，以確保既有隧道結(jié)構(gòu)和既有線運(yùn)營安全。

1.1 平導(dǎo)擴(kuò)挖斷面分析

既有平導(dǎo)擴(kuò)挖需要注意以下問題：一是斷面尺寸達(dá)不到設(shè)計輪廓線，大部分?jǐn)嗝鏋椴灰?guī)則形狀且基本寬高僅為3.0×2.8m，不能滿足正洞施工設(shè)備要求；二是為確保與既有鐵路距離更為安全，平導(dǎo)開挖總體偏向左側(cè)；三是斷面變化較大導(dǎo)致開挖時需要鉆孔爆破的巖體方量不均勻；四是有部分圍巖較差段已施做二次襯砌，再次擴(kuò)挖須一次性挖至5×6m斷面（寬×高）較為困難，安全影響較大。通過對其進(jìn)行較為深入的分析，確定合理的控制爆破方案。

1.2 爆破控制標(biāo)準(zhǔn)及要求

根據(jù)業(yè)主和施工圖紙設(shè)計要求，確定既有隧道爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)≦2.5cm/s。

2 平導(dǎo)開挖順序與總體爆破施工方案

2.1 平導(dǎo)擴(kuò)挖總體原則與要求

2.1.1 平導(dǎo)擴(kuò)挖原則

①常規(guī)開挖段擴(kuò)挖至寬高為5.0×6.0m。

結(jié)合平導(dǎo)既有的爆破開挖邊界，依據(jù)盡量降低爆破振動對緊鄰既有隧道安全影響的基本規(guī)則，確定平導(dǎo)擴(kuò)挖斷面為寬高為5.0×6.0m左右，在保證能夠挖出所需斷面形狀與尺寸的前提下，盡量開挖左側(cè)（靠近新建隧道側(cè)）而不動靠近既有隧道一側(cè)。按照這個原則，盡可能保證平導(dǎo)本身穩(wěn)定和既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

②已施做二次襯砌段擴(kuò)挖至寬高為5×6m。

鐵路建設(shè)完工后需把平導(dǎo)作為應(yīng)急通道使用，因此平導(dǎo)最終必須開挖至寬高為5×6m設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。為此，已施做二次襯砌段擴(kuò)挖應(yīng)挖至寬高為5×6m。由此，施工爆破時必須確保既能完成已施做二次襯砌和需要擴(kuò)挖的圍巖，又須保證軟弱圍巖安全。根據(jù)實(shí)測，新郁山隧道既有平導(dǎo)襯砌段經(jīng)現(xiàn)場檢查為素混凝土襯砌，厚度為20～60cm不等，具體統(tǒng)計結(jié)果見表1。

從表1中發(fā)現(xiàn)，要爆破的襯砌斷面非常不規(guī)則，其左右側(cè)及頂部需爆破的巖體炮孔布置不確定。最為典型有兩個斷面：一是較為規(guī)則斷面，左右兩側(cè)需要爆破距離大致相同，如圖1所示；二是極為不規(guī)則斷面，左右兩側(cè)需要爆破距離相差非常大，甚至左側(cè)超出原設(shè)計位置1.23m，如圖2所示。其他斷面均為上述兩種的過渡形式。

基于上述分析，選擇最為典型的兩個斷面進(jìn)行設(shè)計，其中過渡段可以根據(jù)這兩個設(shè)計進(jìn)行局部調(diào)整。

對于襯砌洞段，確定爆破原則為“先襯砌后圍巖、左光面右預(yù)裂”的原則，即在保證能夠安全挖出所需斷面形狀與尺寸的前提下，必須盡量開挖均衡左右兩側(cè)的開挖寬度，除了要保證右側(cè)既有鐵路安全外，還須保證已經(jīng)開挖完成的增建的二線正洞安全。按照這個原則，盡可能保證平導(dǎo)本身穩(wěn)定、既有隧道結(jié)構(gòu)和新建二線隧道安全。

2.1.2 施工順序

按正常施工組織，從平導(dǎo)進(jìn)口開始一直往里控制爆破擴(kuò)挖，直到最終里程。

2.2 平導(dǎo)常規(guī)擴(kuò)挖爆破方案

2.2.1 開挖方式和爆破方法確定

平導(dǎo)頂部不動，只擴(kuò)挖左右兩側(cè)，但兩側(cè)需要擴(kuò)挖的厚度較小，基本不到30cm，故采用方便施工且速度快的斜向鉆眼爆破方法，具體如圖3所示。

結(jié)合本工程的地形特點(diǎn)，為了提高爆破效果，平導(dǎo)常規(guī)段擬采用淺孔與控制爆破相結(jié)合的方法進(jìn)行爆破施工。為了對大塊巖石進(jìn)行二次破碎，按需要在個別地方可以進(jìn)行二次爆破作業(yè)，以保證巖體塊度滿足運(yùn)輸要求。

2.2.2 開挖機(jī)具選擇

結(jié)合本工程實(shí)際情況，平導(dǎo)淺孔爆破選用機(jī)具見表2。

2.3 平導(dǎo)襯砌段擴(kuò)挖爆破方案

襯砌洞段爆破時有四個特點(diǎn)，一是必須先爆破平導(dǎo)襯砌，經(jīng)現(xiàn)場檢查為素混凝土襯砌，厚度為20～60cm不等；二是必須破壞原先的初支結(jié)構(gòu)；三是開挖寬高至5×6m；四是圍巖比較軟弱，容易坍塌失穩(wěn)。所以，總體爆破方案如下：

①最先右側(cè)預(yù)裂爆破。

右側(cè)按預(yù)裂爆破進(jìn)行裝藥與起爆設(shè)計，但須校核對右側(cè)既有線的振動安全影響，據(jù)此確定預(yù)裂炮孔的分段及最大段裝藥量。

②再起爆襯砌。

對素混凝土襯砌沿隧道軸向打水平炮眼，進(jìn)行爆破。

③圍巖段爆破。

根據(jù)襯砌與需擴(kuò)挖至輪廓線的距離確定左右兩側(cè)及至洞頂?shù)呐谘鄄贾茫侄纹鸨?/p>

④左側(cè)光面爆破。

左側(cè)按光面爆破進(jìn)行裝藥與起爆設(shè)計，但須校核對左側(cè)新建二線的振動安全影響，據(jù)此確定光面炮孔的分段及最大段裝藥量。

3 常規(guī)洞段平導(dǎo)控制爆破設(shè)計

3.1 控制爆破參數(shù)確定

爆破參數(shù)的設(shè)計應(yīng)根據(jù)巖石種類、巖性、巖石結(jié)構(gòu)和裂隙情況進(jìn)行計算，同時通過爆破試驗(yàn)確定調(diào)整爆破參數(shù)，在局部地段采用預(yù)裂控制爆破技術(shù)。

①鉆孔直徑。

由于采用淺孔鑿巖設(shè)備，孔徑多為36～42mm，藥卷直徑一般為32mm。

②炮孔深度。

③單耗q與單孔裝藥量Q。

單位巖體炸藥消耗量不僅影響巖石破碎塊度、巖石飛散距離和爆堆形狀，而且影響炮眼利用率、鉆眼工作量、勞動生產(chǎn)率、材料消耗、掘進(jìn)成本、斷面輪廓質(zhì)量以及圍巖的穩(wěn)定性。合理的單耗決定于多種因素，其中有巖石的物流力學(xué)性質(zhì)、斷面、炸藥性能、炮眼直徑和深度等。

線裝藥密度：q=0.25kg/m。

總裝藥量Q可以根據(jù)單位巖體炸藥消耗量和炮孔孔深計算確定。

Q=qL1=0.25×1.55=0.39kg，取Q=0.4kg。

④孔距和排距。

沿平導(dǎo)既有輪廓線均勻布置，孔距a必須與孔深L對應(yīng)，故a=L=1.5m。排距為沿既有輪廓線布置，b=0.5m。

3.2 炮孔布置

炮孔布置時，離底板20cm開始布置炮孔，往上共布置7排，排距為0.5m；每排布置炮孔根據(jù)實(shí)際控制需要定，孔間距為1.5m。預(yù)裂爆破及常規(guī)爆破炮孔布置見圖4-5所示，圖中僅標(biāo)出部分炮孔，其他炮孔布置方式相同。

3.3 炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)

一般情況按設(shè)計藥量裝藥進(jìn)行爆破施工，根據(jù)現(xiàn)場爆破經(jīng)驗(yàn)、巖石種類、巖性、結(jié)構(gòu)、抵抗線大小是否有變化，在保證填塞高度原則下，爆破安全的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增減炮孔裝藥量。裝藥和填塞結(jié)構(gòu)：從孔口到孔底連續(xù)柱狀裝藥。所有炮眼的剩余部分應(yīng)用炮泥封堵，炮眼封泥不足或不嚴(yán)不應(yīng)進(jìn)行爆破。炮泥應(yīng)用水炮泥和黏土泡泥。水炮泥外剩余的炮眼部分應(yīng)用黏土炮泥填滿封實(shí)。嚴(yán)禁用煤粉、塊狀材料或其他可燃性材料作炮泥。

3.4 爆破微差間隔時間及起爆網(wǎng)路設(shè)計

①微差間隔時間確定。

起爆順序從兩側(cè)墻下往拱肩依次微差起爆。微差間隔時間Δt=25～50ms比較合適。

②起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

本工程爆破工程使用毫秒電雷管、非電雷管、導(dǎo)爆索進(jìn)行排間微差松動控制爆破。由于爆破范圍較大，此處僅對爆區(qū)部分起爆網(wǎng)路進(jìn)行說明，具體分段以實(shí)際控制最大段裝藥量為準(zhǔn)，按實(shí)際段別分別取ms1、ms3、ms5和ms7等段。

4 襯砌洞段平導(dǎo)控制爆破方案

4.1 控制爆破參數(shù)確定

爆破參數(shù)的設(shè)計分襯砌、圍巖、左側(cè)光面和右側(cè)預(yù)裂等四種類型。

4.1.1 襯砌爆破參數(shù)

由于襯砌為素混凝土澆筑，所以只要能把混凝土炸碎即可，為此間隔打眼裝藥爆破。注意ZDK259+125～ ZDK259+140段，平導(dǎo)左側(cè)襯砌已經(jīng)超出輪廓線位置，故此段左側(cè)襯砌保持不動，僅擴(kuò)挖右側(cè)，但必須嚴(yán)密注意右側(cè)圍巖變形及對既有線的影響。

①鉆孔直徑。

由于采用淺孔鑿巖設(shè)備，孔徑多為36～42mm，藥卷直徑一般為32mm。

②炮孔深度和超深。

L=L0+Lc

式中 L—炮孔深度，m；L0—單次爆破進(jìn)尺，取3m；Lc—超深，m。

超深一般取炮孔深度的10%～15%，即Lc=（0.10～0.15）L0=（0.10～0.15）×3=0.3～0.45m，取L=3.5m。

③其他參數(shù)。

素混凝土襯砌厚度為20～60cm，取厚度δ=40cm，則最小抵抗線w=δ÷2=40÷2=20cm。選取孔間距a=50cm，實(shí)際按a=100cm布置炮孔。

炮孔個數(shù)n=10個。

④炸藥單耗與爆破藥量計算。

炸藥單耗：q=0.5kg/m3。

單孔藥量計算：Q孔=qV=qaδL=0.5×0.5×0.4×3.5=0.35kg。

總藥量計算：Qc=nQ孔=10×0.35=3.5kg。

4.1.2 圍巖擴(kuò)挖爆破參數(shù)

爆破參數(shù)的設(shè)計應(yīng)根據(jù)巖石種類、巖性、巖石結(jié)構(gòu)和裂隙情況進(jìn)行計算，同時通過爆破試驗(yàn)確定調(diào)整爆破參數(shù)。

①鉆孔直徑。

由于采用淺孔鑿巖設(shè)備，孔徑多為36～42mm，藥卷直徑一般為32mm。

②炮孔深度和超深：與襯砌相同。

③其他參數(shù)。

孔距：a=0.8～1.0m。

排距：b=0.8m。

由于需要爆破的圍巖巖體與輪廓線距離不定，故孔距和排距初步按0.8m～1.0m進(jìn)行布置，具體見炮孔布置圖。

④炸藥單耗及爆破藥量計算。

炸藥單耗：q=0.6kg/m3。

單孔裝藥量：Q孔=qabL=0.6×0.8×0.8×3.5=1.344kg。

取Q孔=1.4kg。

按裝藥系數(shù)校核裝藥量：

選擇線裝藥系數(shù)為0.5，則裝藥長度為Ly=0.5L=0.5×3.5=1.75m。

故Q孔=（1.75×100）÷20×0.2=1.75kg。最終確定Q孔=1.8kg。

4.1.3 左側(cè)光面爆破參數(shù)

①炮孔參數(shù)。

平導(dǎo)設(shè)計為Ⅳ或Ⅴ級圍巖，圍巖軟弱、破碎，因此周邊眼間距適當(dāng)縮小，可以控制爆破輪廓，避免超欠挖，本斷面E的值選用E=45cm。

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層，光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W，本隧道斷面W=40cm。

光爆孔裝藥不耦合系數(shù)r=D÷d。其中D為炮孔直徑，取42mm，d為藥卷直徑，取25mm。r=D÷d=42÷25=1.68。光面爆破采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，反向起爆。

②炸藥單耗及單孔藥量計算。

1）線裝藥密度：q=0.2kg/m。2）單孔裝藥量Q孔

Qg孔=qL=0.2×3.5=0.7kg，取Qg=0.8kg。

③光面孔數(shù)目。

中心線左側(cè)全部光面爆破，故總炮孔數(shù)為20個。

4.1.4 右側(cè)預(yù)裂爆破參數(shù)

右側(cè)（鄰近既有隧道）圍巖段，首選光面控制爆破，但如果爆破振動對既有線影響較大，則須按預(yù)裂爆破進(jìn)行控制，其參數(shù)計算如下：

①炮孔參數(shù)。

平導(dǎo)設(shè)計為Ⅳ或Ⅴ級圍巖，選取E的值選用E=40cm。

光爆孔裝藥不耦合系數(shù)r=D÷d。其中D為炮孔直徑，取42mm，d為藥卷直徑，取25mm。r=D÷d=42÷25=1.68。采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，反向起爆。

②炸藥單耗及單孔藥量計算。

1）線裝藥密度：q=0.2kg/m。2）單孔裝藥量Q孔

Qy孔=qL=0.2×3.5=0.7kg，取Qy=0.8kg。

③炮孔數(shù)目。

中心線右側(cè)全部預(yù)裂爆破，故總炮孔數(shù)為21個。

4.2 炮孔布置

4.2.1 規(guī)則斷面爆破炮孔布置

規(guī)則斷面爆破炮孔布置見圖6所示，圖中僅標(biāo)出部分炮孔，其他炮孔布置方式相同。

4.2.2 不規(guī)則斷面爆破炮孔布置

不規(guī)則斷面爆破炮孔布置見圖7所示，圖中僅標(biāo)出部分炮孔，其他炮孔布置方式相同。

從圖7中看出，左側(cè)底部至邊墻段已經(jīng)超出設(shè)計輪廓線位置，基于現(xiàn)有平導(dǎo)既有輪廓線，左右側(cè)不動，向上擴(kuò)挖至設(shè)計輪廓線，確保施工安全。

4.3 炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)

一般情況按設(shè)計藥量裝藥進(jìn)行爆破施工，根據(jù)現(xiàn)場爆破經(jīng)驗(yàn)、巖石種類、巖性、結(jié)構(gòu)、抵抗線大小是否有變化，在保證填塞高度原則下，爆破安全的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增減炮孔裝藥量。裝藥和填塞結(jié)構(gòu)：主爆孔是從孔口到孔底連續(xù)柱狀裝藥，起爆藥包放置在炮孔底部；預(yù)裂爆破孔是不偶合裝藥，按實(shí)際孔長以膠布均勻的捆綁在導(dǎo)爆索上，下到孔底，孔口只堵塞0.5～1.0m砂土填塞物，形成了藥卷之間，藥卷與孔壁之間是空氣間隔，即是不偶合裝藥。炮孔裝藥與填塞結(jié)構(gòu)見圖8。

4.4 爆破微差間隔時間及起爆網(wǎng)路設(shè)計

4.4.1 微差間隔時間確定

在采用預(yù)裂段，須保證預(yù)裂孔先于主藥包起爆的時間差：預(yù)裂爆破應(yīng)先于主炮孔起爆，其時間差要保證人造斷層的形成，一般應(yīng)大于50ms，在保證主藥包網(wǎng)路安全準(zhǔn)爆的前提下，其間隔時間越大，人造斷層層面形成效果越好，其巖壁的成型效果也就越好。微差間隔時間確定的主要依據(jù)：一是根據(jù)巖石硬度確定，軟巖微差時間長，反之硬巖微差時間短；二是根據(jù)孔網(wǎng)參數(shù)距離大小確定，距離大微差時間長，反之距離小微差時間短。確定較好的微差間隔時間是有利于提高開槽爆破質(zhì)量，降低爆破地震效應(yīng)，減少對平導(dǎo)本身及左右兩側(cè)隧道的影響。由于主爆孔與預(yù)裂炮孔排間距離較小，確定微差間隔時間Δt=25～50ms是比較合適。據(jù)此，確定主爆孔與與預(yù)裂炮孔微差間隔時間為50毫秒。

4.4.2 最大段裝藥量的確定

根據(jù)薩道夫斯基控制爆破震動速度公式，可得

4.4.3 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本工程爆破工程使用毫秒電雷管、非電雷管、導(dǎo)爆索進(jìn)行排間微差松動控制爆破，起爆順序?yàn)轭A(yù)裂爆孔、主爆孔和光面爆破孔，預(yù)裂和光面爆破炮孔炸藥由導(dǎo)爆索捆綁并引出炮孔外，再由毫秒電雷管引爆，起爆網(wǎng)路分別見圖9和10，圖中標(biāo)出的起爆段別僅為理論段別，可以按實(shí)際段別分別取ms1、ms3、ms5、ms6、ms7、ms8和ms9等段。

5 爆破安全評估與控制

5.1 常規(guī)洞段爆破振動速度及其安全分析

5.1.1 爆破振動速度計算

6 結(jié)語

新郁山隧道平導(dǎo)擴(kuò)挖采用光面爆破、預(yù)裂爆破、不耦合裝藥、微差間隔起爆的爆破施工方案，爆破振動不會對既有鐵路隧道造成破壞，不會影響既有線安全運(yùn)營，有效解決了與營業(yè)線小凈距施工安全風(fēng)險大的難題，為鄰近營業(yè)線爆破施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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