緊鄰鐵路既有線隧道明洞開挖控制爆破施工技術應用研究

摘 要：介紹在山體陡峻且地表橫坡大、山體表面危巖落石發育、緊靠鐵路既有線且既有線位于施工地點下方等不利施工條件因素下，隧道明洞深基槽開挖通過采取階梯深孔微差控制松動爆破技術，并輔以主動防護和被動防護等安全技術措施，有效地解決了開挖爆破作業時產生的飛石和震動引起山體表面危巖運動落入施工區和既有鐵路線內的問題，保證了施工及既有線上列車運營安全。

關鍵詞：鐵路；既有線；隧道；明洞；開挖；控制爆破

一直以來，鐵路運輸安全管理都是各級鐵路運營管理部門的重中之重。在鐵路既有線旁邊進行構造物，深基槽石方開挖爆破作業，稍有不慎，將使開挖爆破產生的飛石輕者落入既有線內阻礙車輛正常運行，重者或損壞鐵路既有線上運營設備造成運營中斷，或直接砸向正在行駛過的列車造成車輛損壞和人員傷亡，其施工安全隱患非常巨大。

我單位在新建鐵路云桂線（廣西段）重點控制工程那吉隧道出口明洞基槽石方爆破開挖施工中，從爆破控制技術和防護措施上等方面著手，克服了山體陡峻、地表橫坡大、山體表面危巖落石發育、緊靠南昆鐵路既有線且既有線位于施工地點下方等不良地形地貌、工程地質和附近地物因素的影響，規避了施工對既有線所帶來的安全風險。

1 工程概況

新建鐵路云桂線（廣西段）重點控制工程那吉隧道全長7645m，出口明洞起訖里程為DK131+980～DK132+450，長470m，開挖深度在10～32m左右。明洞所處位置山體很高，地形起伏劇烈，險峻陡峭，地勢由西北方向東南方向傾斜，即呈右高左低的地貌，地表橫坡在45°～75°之間。明洞左側緊鄰南昆鐵路既有線，線路走向基本與既有線平行，與既有線相距100～120m，新建鐵路隧道明洞位于地勢較高處，其高程比南昆鐵路既有線高約70～100m。

隧道穿越山體巖性為三疊系中統果化組上段（T2g3）灰巖，淺灰～青灰色，隱晶質結構，鈣質膠結，中～厚層狀，質堅、性脆、致密、堅硬，節理裂隙較發育，局部較破碎，呈碎塊狀結構。山體表面基巖裸露，由于巖性為可溶性巖，地表溶蝕較強，出露的灰巖由于不斷被溶蝕結構面和和節理結構面切割、分離，巖體完整性較差，部分已成孤石，在險峻陡峭的山體地形條件下成為危巖，危巖中等發育，危巖運動以落石形式發生，崩坍形式次之。

2 爆破施工應重點控制和注意的幾個問題

從本隧道出口明洞所處位置的地形地貌、工程地質、山體表面危巖落石發育情況及與南昆鐵路既有線相對位置的關系上看，爆破施工應重點控制和注意以下幾個問題：

（1）隧道明洞開挖爆破緊靠南昆鐵路既有線，間距小，高差大，既有線上行車密度高，接觸網、通信電纜等復雜，防止爆破飛石對其進行破壞。爆破施工時盡量不產生飛石，或只出現個別零星的小飛石，且飛行距離較近。

（2）爆破震動易引起山體表面危巖運動，運動的危巖以滾石的形式順陡峭的山體表面順勢而下落入既有線內，破壞鐵路線路、接觸網和通信設施，影響列車行車安全及正常運行；或者落入正在開挖的塹槽內，傷害正在作業的人或機械設備。因此，施工中應盡量減少石方開挖爆破作業時震動的影響，使之不能引起山體表面大量的危巖產生運動形成落石；

（3）此處爆破方量大，爆破頻率高，施工時間長，為以防萬一，還應考慮山體表面危巖在爆破震動影響下如何防止運動和產生運動后如何進行有效的防護，以及爆破時如何防護以抑制產生飛石的問題。

3 施工方案的確定

為達到上述目的，根據本隧道出口明洞基槽開挖斷面的尺寸，施工技術總體指導思想確定為：采用階梯控制爆破方法，控制技術手段為通過減少一次同時起爆裝藥量的措施，來達到降低爆破振動強度和減少爆破作業產生飛石的目的。

一次同時起爆裝藥量的減少從以下二個方面考慮：一是爆破所采取的技術，采用的爆破技術不同，一次同時起爆裝藥量亦不相同，鉆爆設計時盡量選用一次同時起爆裝藥量最少的爆破技術；二是在所采取爆破技術本身來尋求減少一次同時起爆裝藥量的方法，從目前國內范圍土建工程施工爆破所采用的技術上來看，階梯爆破一次同時起爆裝藥量的減少主要通過微差控制來實現，利用微差技術控制不同排間炮孔先后起爆順序以減少一次同時起爆裝藥量。

基于此，我們研究制定了以下施工方案：

3.1 開挖控制爆破方案

采用階梯深孔微差控制松動爆破，利用微差爆破技術嚴格控制一次齊爆裝藥量，以控制爆破震動強度和飛石最大飛行安全距離。爆破開挖臨空面選擇盡量避開面向既有線方向，以控制飛石飛行方向。當開挖臨空面無法回避，只能面向既有線，以傳統炸藥爆破技術手段無法解決既有線施工所面臨的問題時，采用挖掘機帶破碎錘進行施工。

3.2 安全防護方案

為有效防止山體危巖形成落石后滾入既有線或明洞段開挖溝槽內以及爆破產生飛石飛入既有線內造成重大安全事故，在實施隧道明洞段開挖控制爆破時，所采取的安全防護措施如下：

（1）施工前對山體表面危巖進行詳細排查，并對危石采取清除、支頂、嵌補等加固措施，以減少危巖運動發生落石、崩塌形式的概率。

（2）對于上述措施難以實施但又十分危險的危巖，采取設置主動柔性防護網加以約束。

（3）在山體坡面危石來源側隧道明洞開挖邊坡外2m處設置一道6m高被動柔性防護網，以阻攔危巖落石滾入南昆鐵路既有線或明洞開挖溝槽內。

（4）為防止隧道明洞爆破開挖飛石飛入南昆鐵路既有線內，采取遮擋和覆蓋的措施進行防護。遮擋的措施為在靠近既有線側隧道明洞邊坡外2m設置一道10m高鋼管排架并掛設竹排進行防護，為提高鋼管腳手架的利用率，開挖一段，搭設防護一段，周轉重復使用。覆蓋的措施為爆破時在炮口上面蓋設炮被。

本隧道出口明洞開挖爆破施工安全防護設置方案見圖1所示。

4 主要施工技術

4.1 階梯深孔微差松動控制爆破

4.1.1 爆破階梯深孔松動爆破參數

緊鄰既有線隧道明洞開挖爆破炮孔布置分為主炮孔、預裂爆孔和邊炮孔，緊鄰隧道明洞開挖邊坡的炮孔為預裂孔，中間的炮孔為主炮孔，靠近既有線一側的一列炮孔為邊炮孔。階梯深孔松動爆破施工示意見圖2所示，爆破參數選擇見表1所示。

4.1.2 深孔松動爆破施工裝藥量計算

①單位巖石體積耗藥量q：q=K標×F（n）×f，K標=0.37×ρ3/2，F（n）=﹝（4+3n）/7﹞3，

式中：q—單位巖石體積耗藥量，kg/m3；，

K標—標準爆破漏斗單位耗藥量，kg/m3；

F（n）—爆破作用函數；

ρ—巖石密度，取2.4～2.65g/m3；n—爆破作用指數，松動爆破n≤0.75；f—臨空面修正系數，取0.8～1.2，當臨空面現場實際最小抵抗線W值小于設計值時，f<1；當臨空面現場實際最小抵抗線W值大于設計值時，f>1。

②單孔裝藥量Q

主炮孔距臨空面第一排孔單孔裝藥量Q：Q=qHaw；主炮孔其它炮孔單孔裝藥量Q：Q=qHab。邊炮孔、預裂孔單孔裝藥量Q：邊炮孔、預裂孔單孔裝藥量為主炮孔裝藥量的0.7～0.8。

4.2 微差爆破控制技術

根據爆破震動效應減弱和爆破飛石飛行距離原理，通過微差控制一次齊爆破裝藥量，將有效地降低地震效應和減少飛石飛行距離，并隨著微差段數增加的數量越多，一次齊爆炸藥的裝藥量就越少，降低震動影響效果和減少飛石飛行距離就越好。

微差控制爆破布孔、起爆順序主要有以下幾種方案：

方案1：規則眼，排間微差；方案2：梅花眼，排間微差；方案3：梅花眼，大斜眼微差起爆；方案4：梅花眼，正方形眼，楔形微差起爆；方案5：規則眼，孔間、排間微差起爆。具體微差控制爆破布孔、起爆順序見圖3。

4.3 爆破震動強度控制

為了防止爆破震動地震效應引起山體表面危巖運動形成落石，故將本隧道明洞段開挖爆破地震波作用距離控制在20～30m。爆破震動控制，采用薩道夫斯基公式：R=（K/V）1/α×Q1/3，

式中：R—爆破振動安全允許距離（m）；K—爆破點與計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數，堅硬巖石K=50～150，中硬巖石K=150～250，軟巖石K=250～350；V—保護對象所在地質點振動安全允許速度（cm/s），V=2.3～2.8cm/s。α—爆破點與計算保護對象間的地形、地質條件有關的衰減指數，堅硬巖石α=1.3～1.5，中硬巖石α=1.5～1.8，軟巖石α=1.8～2.0；Q—炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量（kg）。

4.4 爆破飛石最大安全距離控制

爆破飛石最大飛行安全距離控制根據隧道所處位置與既有線相對關系確定。根據本隧道出口明洞所處位置與既有線相對距離和地表橫坡因素，開挖爆破個別爆破飛石最大飛行距離控制在10～15m，按下式進行計算：Rf=20×Kf×n2×W，

式中：Rf—個別爆破飛石最大控制安全距離；Kf—與地形、地質、氣候及藥包埋深深度有關的安全系數，一般取用1.0～1.5，風速大且順風時，或山間、埡口地形時，取用1.5～2.0；n—爆破作用指數，小藥量松動爆破作用指數n≤0.75；W—最大藥包的最小抵抗線。

4.5 安全防護工程

4.5.1 主動柔性防護網

（1）技術要求

①縱橫交錯的Φ16支撐繩與4.5m×4.5m正方形布置的錨桿相連接。

②支撐繩構成的每個4.5m×4.5m網格內鋪設一張4.0m×4.0m的D0/08/300型鋼繩網，并與四周支撐繩間用縫合繩聯結并進行預張拉。

③在鋼絲繩下鋪設網孔為50mm×50mm的4.0m×4.0m鋼絲格柵，以阻止小尺寸巖塊的塌落。

（2）工作內容

①山體坡面防護區浮土、浮石及植被清除；②鉆孔、注漿并插入錨桿；③安裝橫縱向支撐繩；④鋪設鋼絲格柵；⑤鋪設鋼繩網并縫合。

4.5.2 被動柔性防護網

（1）系統構件技術要求

①鋼絲繩：公稱抗拉強度不小于1770MPa，熱鍍鋅為AB級。

②高強度鋼網繩：抗錯動力≥5KN，抗脫落力≥10KN，鋼繩網的形狀應為菱形，采用D0/08/200型。

③格柵網：編制的格柵網的鋼絲應滿足GB/T343或YB/T4026的要求。

④減壓環：啟動荷載應介于其相連的鋼絲繩最小斷裂拉力的10%～70%。

⑤鋼柱：采用雙拱增強型預應力鋼柱，采用熱鍍鋅防腐處理。

（2）施工順序及工作內容

①測量定位；②基礎混凝土澆筑；③鋼柱安裝；④預應力鋼柱拉錨繩安裝；⑤上支撐繩安裝；⑥鋼繩網安裝及縫合；⑦格柵安裝及固定；⑧設置中間拉繩。

4.5.3 雙排鋼管腳手架掛設竹排

雙排鋼管腳手架掛設竹排由鋼管、竹排、防護網、鋼筋地錨、拉錨繩和扣件等構件組成。排架高度為10m左右，鋼管規格為Ф50×3.5mm。立桿平面布置間距為橫×縱=1.0～1.5m×1.0～1.5mm，橫桿步距為1.0～1.5m，為保證雙層鋼管排架結構穩定，在排架內部設置剪力撐，沿排架縱向每5個立桿間距設置一道剪力撐，并與排架立桿、橫桿以十字交叉扣件連接牢固；在排架表面設置十字撐，其設置方式與剪力撐基本相同。排架內側綁扎竹排，外側掛防護網，并以8號鐵絲與排架鋼管固定。其施工順序為搭設雙排鋼管排架→釘設地錨→拉拉錨繩固定。

4.5.4 炮被覆蓋

用于防止飛石炮口覆蓋的材料應具有較高的強度、彈性和韌性，不易折斷。比較有效的方法是三層覆蓋。

第一層：草席、草墊、荊笆或砂袋，干濕均可；第二層：廢舊輪胎簾，用廢舊輪胎編成。或用竹排上覆棉被。第三層：帆布，其尺寸應稍大些，并用鐵絲或繩索拉緊和固定。

5 結語

在緊鄰鐵路既有線進行隧道明洞或深路塹爆破開挖工程技術難度很大，稍有不慎，極易引起山體表面危巖及爆破飛石落入既有線內，后果很難想象。在此條件下進行爆破施工，主要掌握以下幾點：

施工前，結合作業點地形地貌、工程地質及附近地物情況，制定切合實際且行之有效的控制爆破鉆爆設計。嚴格控制鉆孔精度和裝藥量是施工成敗的關鍵。充分考慮足施工中存在的主要問題和風險分析預估，一一對應做好有效的安全防護技術措施。

由于我單位在新建云桂鐵路（廣西段）標段管區線路走向基本與南昆鐵路既有線平行，大部分地段緊鄰既有線，為保證既有線運營安全，在那吉隧道出口明洞開挖控制爆破施工取得成功的基礎上，將其施工過程中運用的階梯深孔微差控制松動爆破技術、靠既有線側搭設鋼管排架并掛竹排遮擋以及炮口覆蓋炮被等安全防護措施，應用至工程地質條件與其類似的DK123+600～DK123+820段深路塹開挖施工中去。無論是在那吉隧道出口明洞，還是在DK123+600～DK123+820段深路塹，由于控爆技術方案選用合理，安全防護措施應用得當，整個開挖爆破施工過程均為發生一起山體表面危巖、爆破飛石落入或飛進鐵路既有線的情況，較好地保證了鐵路既有線運行安全。

通過那吉隧道出口明洞以及DK123+600～DK123+820段深路塹爆破開挖施工實踐發現，露天臺階深孔松動爆破抑制飛石產生的效果明顯好于淺孔爆破，為今后類似工程提供了借鑒經驗。

參考文獻

[l] 董磊，湯道義.揚州至績溪高速公路寧績段緊鄰既有鐵路線高邊坡路塹爆破施工及控制技術[J].隧道建設，2014，34（06）：558-563.

[2] 柏鶴.既有鐵路擴塹石方控制爆破施工技術[J].設備管理與維修，2016，（02）：79-81.

作者簡介：徐光遠（1971.02- ），男，遼寧大連人，本科，中交隧道工程局有限公司，工程師，研究方向：土木工程施工和技術管理。