文物古塔下高速鐵路淺埋隧道修建技術(shù)探究

譚 恩 鋒

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司杭州公司，浙江 杭州 310030)

隨著中國高速鐵路技術(shù)的飛速發(fā)展，高鐵已是中國的名片，中國高鐵由國內(nèi)走向世界，為國人和國際友人的日常出行帶來了極大的便利，同時仍然存在一些技術(shù)難題需要研究解決，譬如，在文物古塔下如何快速安全的修建高速鐵路隧道，既要保護(hù)好古人留下的寶貴文物遺產(chǎn)，又要建設(shè)好高速鐵路，接下來以金溫鐵路廈河塔隧道修建為例進(jìn)行剖析。

1 工程項(xiàng)目概述

1.1 廈河塔隧道工程概況

金溫鐵路設(shè)計(jì)時速200 km/h，預(yù)留250 km/h提速條件，金溫鐵路廈河塔隧道全長204.92 m，起止里程為DK98+412～DK98+616.92，其中Ⅴ級圍巖段(含明洞段)長114.92 m，Ⅳ級圍巖段長35 m，Ⅲ級圍巖段長55 m。位于既有330國道公路隧道與明朝古塔——廈河塔之間，隧道進(jìn)口距廈河塔水平距離約223 m，隧道出口距離廈河塔水平約94 m，隧道最大埋深約為35 m，隧道結(jié)構(gòu)頂面距離廈河塔基礎(chǔ)約25 m。

廈河塔隧道進(jìn)口端上跨斜交于330國道公路隧道，高差3.0 m。公路隧道洞口段45.5 m為二次襯砌支護(hù)，中間段有初期支護(hù)無二次襯砌。廈河塔隧道出口端緊臨330國道，該國道24 m寬四車道，車流密度大，洞門口距國道圍欄僅有26 m，施工場地狹窄。

1.2 廈河塔簡介

廈河塔建于明萬歷十三年(1585年)，距今432年，為八面九層樓閣式磚塔，高約38.48 m，由塔座、塔身、塔剎三部分組成，除塔基用方整條石砌筑外，塔身、塔頂全部由青磚砌筑，塔內(nèi)置有踏梯，可登臨至7層。該塔2003年地方政府進(jìn)行了全面修繕加固，2005年公布為浙江省省級文物保護(hù)單位。金溫鐵路新建廈河塔隧道位于廈河塔的保護(hù)和建設(shè)控制帶范圍內(nèi)。

2 施工方法

2.1 總體施工思路

廈河塔隧道施工方案采用靜態(tài)爆破、機(jī)械開挖和控制爆破相結(jié)合的綜合爆破施工工藝。隧道出口端DK98+600～DK98+560段，長40 m，為Ⅴ級圍巖30 m、Ⅳ級圍巖10 m，與廈河塔距離較近，采用靜態(tài)爆破+機(jī)械開挖方式進(jìn)行施工，其余地段采用靜態(tài)爆破+控制爆破方式進(jìn)行施工，在控制爆破施工時，通過水壓爆破降振、設(shè)置洞內(nèi)隔振孔隔離降振等措施，降低廈河塔塔基處的爆破振動速度，同時對廈河塔采取加固防護(hù)措施，確保廈河塔安全。

2.2 靜態(tài)爆破+機(jī)械開挖施工方法

上臺階采用靜態(tài)爆破施工，中、下臺階采用液壓破碎錘施工。在上臺階中部采用潛孔鉆在水平方向鉆設(shè)5個φ108中孔為靜態(tài)爆破提供臨空面，每循環(huán)鉆設(shè)深度10 m。掏槽孔同時作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)孔，詳細(xì)記錄鉆進(jìn)情況及掌子面前方圍巖情況，根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整爆破設(shè)計(jì)。輔助眼孔徑為42，按間距30 cm，排距20 cm設(shè)置，每循環(huán)鉆設(shè)深度1 m，采用靜態(tài)膨脹劑進(jìn)行開挖；周邊眼間距30 cm,每循環(huán)鉆設(shè)深度1 m，采用靜態(tài)膨脹劑進(jìn)行開挖，每循環(huán)鉆孔216個。在施工過程中，掏槽孔個數(shù)、靜態(tài)爆破孔間距、排距、深度等設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)工藝試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，以取得最后的靜態(tài)爆破效果，見圖1。

2.2.1潛孔鉆鉆孔法掏槽

在上臺階中部采用潛孔鉆在水平方向鉆設(shè)5個φ108孔進(jìn)行掏槽，每循環(huán)鉆設(shè)深度10 m。掏槽孔同時作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)孔，詳細(xì)記錄鉆進(jìn)情況及掌子面前方圍巖情況，根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整爆破設(shè)計(jì)。

2.2.2靜態(tài)膨脹劑進(jìn)行輔助眼和周邊眼破碎

1)靜爆劑種類選擇。

K系列快速靜爆劑除主體膨脹藥卷外，還有一種熱敏劑藥卷，其反應(yīng)速度迅速。將熱敏劑藥卷裝在孔口，可以迅速發(fā)生反應(yīng)，并將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)給孔內(nèi)的主體膨脹劑，使其水化反應(yīng)速度加快，且熱敏劑的反應(yīng)氣壓具有方向性，從孔口開始向孔底方向擴(kuò)散，可避免產(chǎn)生“孔噴”現(xiàn)象。因此，宜采用K系列快速靜爆劑用于隧道靜態(tài)爆破施工。

2)靜爆劑水灰比設(shè)計(jì)。

在施工過程中，要綜合考慮靜爆劑達(dá)到最大膨脹壓力、漿料灌注施工方便及因水分過多而產(chǎn)生離析等因素，對靜爆劑進(jìn)行試驗(yàn)確定最佳水灰比。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)確定靜爆劑的最佳水灰比應(yīng)控制在1∶0.26～1∶0.35范圍內(nèi)。直接將藥卷浸沒入水中，浸泡2 min即可符合最佳水灰比要求。

3)靜態(tài)爆破施工。

先在巖石中按間距30 cm，排距20 cm鉆好φ42靜態(tài)爆破孔，把靜態(tài)膨脹劑按水灰比1∶0.35的比例調(diào)成漿狀灌入孔中(或浸泡藥卷后裝入孔中)，孔口采用炮泥堵塞不小于10 cm。隨著時間推移，靜態(tài)膨脹劑可以產(chǎn)生30 MPa～60 MPa的膨脹壓力，使巖石產(chǎn)生龜裂，而且不斷傳播、擴(kuò)大，最后使巖石產(chǎn)生拉伸變形而被破壞。

2.2.3中、下臺階液壓破碎施工

中、下臺階采用液壓破碎錘進(jìn)行開挖。當(dāng)巖石堅(jiān)硬，液壓破碎錘開挖困難時，可配合使用靜態(tài)爆破進(jìn)行施工。

2.3 靜態(tài)爆破+控制爆破施工方法

靜態(tài)爆破+控制爆破采用豎向分層、四臺階法施工，把隧道全斷面分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個臺階進(jìn)行開挖。Ⅰ臺階中部采用機(jī)械鉆孔和靜態(tài)爆破方式進(jìn)行掏槽(掏槽部位0.5 m×1 m)，為控制爆破施工創(chuàng)造臨空面，Ⅰ臺階開挖完為Ⅱ臺階開挖創(chuàng)造新的臨空面，Ⅱ臺階開挖完為Ⅲ臺階開挖創(chuàng)造新的臨空面，Ⅲ臺階開挖完為Ⅳ臺階開挖創(chuàng)造新的臨空面，見圖2。

在施工時，Ⅰ臺階與Ⅱ臺階之間的距離控制在3 m～5 m，Ⅱ臺階與Ⅲ臺階之間的距離控制在20 m～25 m，Ⅲ臺階與Ⅳ臺階之間的距離控制在3 m～5 m，如圖3所示。

2.3.1Ⅲ級圍巖爆破設(shè)計(jì)

洞身開挖時，Ⅲ級圍巖采用豎向分層、四臺階法施工，把隧道全斷面分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個臺階進(jìn)行爆破施工。

影響爆破振動強(qiáng)弱主要參數(shù)是每個炮眼裝藥量，而炮眼裝藥量多少又與炮眼深度息息相關(guān)，為有效控制爆破振動速度并考慮施工進(jìn)度與效率，Ⅲ級圍巖每循環(huán)開挖進(jìn)尺設(shè)計(jì)為1 m。

為給Ⅰ臺階開挖創(chuàng)造臨空面，采取靜態(tài)爆破掏槽，在上臺階中心位置0.5 m×1 m范圍內(nèi)布置φ108 mm的中空直眼掏槽孔5個，采用潛孔鉆機(jī)鉆孔，在其上下按間距0.25 m各布置6個靜態(tài)爆破眼，采用K系列靜態(tài)膨脹劑開挖。掏槽孔同時作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)孔，詳細(xì)記錄鉆進(jìn)情況及掌子面前方圍巖情況，根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整爆破設(shè)計(jì)。靜態(tài)爆破形成臨空面后，按Ⅰ～Ⅳ順序依次進(jìn)行控制爆破開挖。

Ⅰ臺階炮眼分布周邊眼間距為0.4 m，其余炮眼間距為0.6 m左右；Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ臺階炮眼分布周邊眼間距為0.4 m，其余炮眼間距為0.8 m左右。Ⅲ級圍巖各臺階炮眼分布見圖4，靜態(tài)爆破眼12個，控制爆破眼325個。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)炸藥單耗量為0.9 kg/m3。爆破設(shè)計(jì)根據(jù)爆破振動速度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行適時調(diào)整，以確保廈河塔安全。

2.3.2Ⅳ，Ⅴ級圍巖爆破設(shè)計(jì)

Ⅳ級圍巖采用豎向分層、四臺階法施工，把隧道全斷面分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個臺階進(jìn)行爆破施工，每循環(huán)開挖進(jìn)尺設(shè)計(jì)為1 m，爆破設(shè)計(jì)同Ⅲ級圍巖爆破設(shè)計(jì)一致。

Ⅴ級圍巖采用豎向分層、四臺階法施工，把隧道全斷面分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個臺階進(jìn)行爆破施工,每循環(huán)開挖進(jìn)尺設(shè)計(jì)為0.6 m～0.8 m，爆破設(shè)計(jì)參照Ⅲ級圍巖爆破設(shè)計(jì)，非電毫秒雷管段位不變，炸藥用量相應(yīng)減少。

3 減振處理

3.1 水壓爆破

“隧道掘進(jìn)水壓爆破”技術(shù)是采用在炮眼中先“注水”后用“炮泥”回填堵塞的新技術(shù)，以變革隧道掘進(jìn)爆破技術(shù)。利用在水中傳播的爆破應(yīng)力波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過水傳遞到炮眼圍巖中幾乎無損失，十分有利于巖石破碎。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)有利于巖石進(jìn)一步破碎，且炮眼中有水可以起到霧化降塵作用，大大降低粉塵對環(huán)境的污染。隧道掘進(jìn)采用水壓爆破相對于常規(guī)炮眼爆破可節(jié)約炸藥20%左右，且可以有效控制爆破振動速度，十分有利于降振。

對于1 m深的炮眼，炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

周邊炮眼裝藥結(jié)構(gòu)按常規(guī)光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)，采用間斷不耦合裝藥，孔口用炮泥回填堵塞0.4 m,見圖6。

3.2 洞內(nèi)設(shè)置隔振孔

從隧道出口開始進(jìn)行隧道爆破掘進(jìn)施工，這樣施工安排，文物塔在隧道爆破掘進(jìn)方向的左側(cè)。為隔振作用，以隧道中線為準(zhǔn)，隧道出口端DK98+472～DK98+600段，在隧道進(jìn)洞方向左側(cè)輪廓線以內(nèi)30 cm～50 cm處，從拱頂至底板角布設(shè)隔振孔，孔距0.5 m，孔徑108 mm，每次鉆孔深度10 m，前后兩次鉆孔預(yù)留3 m搭接長度，布孔28個。隧道進(jìn)口端靠近公路隧道的DK98+422～DK98+472段，50 m，全周邊設(shè)隔振孔，布孔56個。

3.3 洞外設(shè)置隔振孔

在洞外設(shè)置豎向隔振孔兩排，將爆破點(diǎn)與塔基進(jìn)行隔離，進(jìn)一步降低塔基處爆破振動速度。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形，結(jié)合施工需要，洞外隔振孔設(shè)置在隧道邊緣約2 m處，由地面垂直鉆至Ⅰ臺階底部。洞外隔振孔呈梅花型布置，排距0.5 m、間距均為0.3 m，孔徑108 mm。共計(jì)設(shè)置隔振孔38個，每個孔深約27.3 m，鉆孔總長度為1 037.4 m。隔振孔采用地質(zhì)鉆機(jī)施鉆，在隧道爆破施工前鉆設(shè)完成。

4 塔體防護(hù)

4.1 塔體加箍

箍的形式可采用鋼板箍、鋼筋混凝土箍、磚筋箍等,加箍的作用主要是防止裂縫開展并局部提高砌體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)整體性，阻止剪切破壞，提高抗震性能。

4.2 桁架支撐

防護(hù)措施采用Ⅰ20鋼桁架，16根立柱構(gòu)成桁架主體，桁架身設(shè)置四道環(huán)向連接，桁架立面呈上小下大的三角形桁架，確保桁架本身的穩(wěn)定。防護(hù)高度38 m(至塔頂)，塔身與桁架之間采用橡膠墊墊實(shí)。

在廈河塔塔基以外0.5 m左右，開挖16個長60 cm，寬60 cm，深100 cm的基坑，灌注C35混凝土作為鋼桁架基礎(chǔ)。基坑采用人工開挖，基坑內(nèi)預(yù)埋Ⅰ20工字鋼作為鋼桁架基礎(chǔ)。每根立桿外設(shè)置兩道斜撐，以確保桁架穩(wěn)定。

5 結(jié)語

金溫鐵路廈河塔隧道下穿明朝古塔——廈河塔，同時從已運(yùn)營公路隧道上方交叉通過，通過采取一系列措施，使明朝古塔安然無恙、不受任何損壞，既有公路隧道正常安全運(yùn)營，新建高速鐵路隧道順利按期完工通車運(yùn)營。實(shí)踐證明，我們的施工方法是合理的，措施是到位的。今后類似工程，該施工技術(shù)值得推廣，具有廣闊的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。

[1] GB/T 50452—2008,古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 6722—2011，爆破安全規(guī)程[S].

[3] 周喬勇，尚艷亮，趙 玉，等.爆破干擾降震法在隧道爆破施工中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2007(4)：52-54.

[4] 楊年華，張志毅.隧道爆破震動控制技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(1)：82-87.