新建京張高鐵立體交叉隧道爆破振動控制研究

王海龍,趙 巖,王永佳,李玉龍,鄒佳林,范海爭

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,河北張家口 075000； 2.中國水利水電第七工程局,成都 610081)

現(xiàn)今，隨著我國鐵路干線的不斷完善發(fā)展，新建鐵路隧道與既有鐵路干線形成立體交叉的情況愈來愈多，并且實(shí)際隧道工程中爆破施工對在建隧道及周圍既有建筑、既有鐵路干線的影響最大。隧道爆破施工對立體交叉隧道在建隧道和既有隧道影響規(guī)律的研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。于建新[1]結(jié)合新建走馬崗隧道上跨既有引水隧洞工程，研究了爆破施工對隧道結(jié)構(gòu)的不利影響規(guī)律；李景龍[2]結(jié)合泰安大型抽水蓄電站輸水隧洞，研究了隧道下穿既有京滬鐵路過程中爆破施工對既有干線的影響規(guī)律；林從謀[3]以大帽山隧道為研究對象，優(yōu)化了現(xiàn)場爆破方案，并成功地應(yīng)用于實(shí)際隧道爆破施工中。

上述研究都是圍繞爆破施工對隧道交叉段的影響規(guī)律進(jìn)行的，而在實(shí)際隧道工程中，隧道穿越的圍巖類別差異大，變化多，而設(shè)計(jì)勘探的準(zhǔn)確性有限，這就造成隧道立體交叉尤其是下穿既有鐵路隧道時(shí)遇到的實(shí)際圍巖等級與設(shè)計(jì)預(yù)估的圍巖性質(zhì)有出入，因此根據(jù)不同的圍巖等級，嚴(yán)格控制爆破，實(shí)時(shí)調(diào)整隧道下穿段的爆破方案，具有重大的工程意義。以新建京張高鐵特長隧道草帽山隧道工程為背景，一方面研究隧道爆破施工對在建隧道初期支護(hù)及拱墻襯砌的影響規(guī)律；另一方面由于新建草帽山隧道下穿既有唐呼鐵路北草帽山隧道，因此根據(jù)施工過程中遇到的不同圍巖級別，重點(diǎn)研究新建隧道爆破施工對既有鐵路隧道的影響范圍，并實(shí)時(shí)優(yōu)化隧道施工中的爆破方案，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1 工程概況

草帽山隧道全長7 340 m，在DK173+862～DK174+057段下穿唐呼鐵路，京張鐵路草帽山隧道與唐呼鐵路北草帽山隧道交接里程DK173+965(唐呼鐵路DK509+342)，平面交角76°22′，最小垂直凈距16.9 m。草帽山隧道DK173+862～DK174+057原設(shè)計(jì)隧道圍巖類別為Ⅲb，而實(shí)際根據(jù)草帽山隧道最新超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合預(yù)報(bào)結(jié)果，掌子面素描顯示DK173+895.8掌子面開挖揭示圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，拱頂紅褐色，其余為灰白色，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙密集，節(jié)理面張開，夾雜鈣泥質(zhì)，呈碎塊狀。掌子面中下部及右側(cè)為全風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，易掉塊。

綜上所述，預(yù)判下穿段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，局部為全風(fēng)化凝灰?guī)r，偶夾弱風(fēng)化巖塊，圍巖總體軟硬不均，穩(wěn)定性差，同時(shí)地下水較發(fā)育，易塌方。圍巖總體較差，局部含水較多極易塌方，綜合判斷剩余下穿段DK173+905～DK174+057為Ⅳ級加強(qiáng)圍巖或Ⅴ級圍巖甚至更低。

由上述分析可知，實(shí)際隧道施工過程遇到的圍巖類別與原設(shè)計(jì)中的圍巖類別差異較大，因此本文將基于草帽山隧道非下穿段爆破施工現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，通過公式擬合得到可以表征Ⅲ級、Ⅳ級與Ⅴ級圍巖的工程爆破地質(zhì)參數(shù)K、α，而后在擬合參數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算得到下穿段最不利位置的最大單響藥量及控制爆破的最小安全距離，并在此基礎(chǔ)上提出下穿交叉段的爆破優(yōu)化方案，為類似交叉隧道爆破設(shè)計(jì)與施工提供參考借鑒。

2 新建京張高鐵草帽山隧道振動監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

草帽山隧道爆破振動監(jiān)測采用中科測控公司的TC-4850N爆破測振儀，爆破測振儀配有3個(gè)特定通道，同時(shí)測振儀均配置有相應(yīng)的采集X、Y、Z三個(gè)方向爆破振速的振動速度傳感器。同時(shí)，測振儀可以與相匹配的數(shù)據(jù)處理軟件4850N Software聯(lián)合使用，方便實(shí)時(shí)對爆破振速進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。圖1為TC-4850N爆破測振儀與相匹配的振動傳感器。

圖1 TC-4850N爆破測振儀與傳感器

新建草帽山隧道非下穿段根據(jù)圍巖級別，采用臺階法或三臺階七部開挖法或三臺階臨時(shí)仰拱法開挖施工，由于上臺階隧道掌子面產(chǎn)生的振動最大[4-7]，因此現(xiàn)場實(shí)測將以上臺階爆破為研究對象，對爆破振動進(jìn)行深入研究。上臺階爆破時(shí)，利用激光測距儀及卷尺確定測點(diǎn)的位置，利用配置好的不銹鋼夾片將速度傳感器固定于新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)上，每個(gè)正方體傳感器緊貼隧道襯砌結(jié)構(gòu)，距下臺階表面均為2.5 m。現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，X方向朝向隧道掘進(jìn)掌子面，Y方向指向隧道直徑內(nèi)部，Z方向則垂直于XY平面向上。為保護(hù)爆破測振儀，用自制的鋼筋籠罩在測振儀的外側(cè)，以防被爆破過程中的拋石損壞。測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 測點(diǎn)布置

草帽山隧道依據(jù)原有設(shè)計(jì)爆破施工方案，非下穿段開挖進(jìn)尺根據(jù)不同圍巖等級不盡相同，Ⅲ級圍巖最大循環(huán)進(jìn)尺3 m，最大裝藥量為55.8 kg(13段)；Ⅳ級圍巖最大循環(huán)進(jìn)尺2 m，最大裝藥量34.8 kg(11段)；Ⅴ級圍巖最大循環(huán)進(jìn)尺1.6 m，最大裝藥量26.5 kg(9段)。爆破采用塑料導(dǎo)爆管非電毫秒雷管起爆系統(tǒng)，引爆采用電雷管。炸藥采用2號巖石乳化炸藥，選用φ32 mm藥卷。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

目前，國內(nèi)外表征爆破振動強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式各不相同，其中被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的經(jīng)驗(yàn)公式是薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式[8-11]，并且我國將此經(jīng)驗(yàn)公式編入《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)?；诂F(xiàn)場不同圍巖情況爆破振動實(shí)測數(shù)據(jù)，可以利用薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析，得到不同圍巖情況相應(yīng)的爆破工程系數(shù)K、α，建立可以表征不同地質(zhì)情況的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式。薩道夫斯基公式如下

(1)

式中，V為爆破振速，cm/s；Q為單響最大裝藥量，kg；R為爆心距；K，α為爆破工程施工中的相關(guān)地質(zhì)系數(shù)，K，α可以通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到，若現(xiàn)場試驗(yàn)條件不足，也可根據(jù)爆破安全規(guī)程確定。

現(xiàn)場爆破監(jiān)測的典型時(shí)程曲線如圖3所示。由于下穿式立體交叉隧道下部隧道爆破施工對上跨既有鐵路隧道的影響集中在垂直方向[12-17]，因此本文將以垂直方向爆破振速為評價(jià)指標(biāo)。

圖3 上臺階測點(diǎn)Z方向爆破振速時(shí)程曲線

表1為草帽山隧道不同圍巖等級非下穿段爆破施工現(xiàn)場實(shí)測部分?jǐn)?shù)據(jù)。由表1可知，Z方向爆破振速主要與爆心距及單響最大藥量有關(guān)，爆心距越大，單響藥量越小，爆破振速則越?。煌瑫r(shí)隧道的圍巖類別也會對爆破振動的傳遞產(chǎn)生影響，而圍巖類別對爆破振速衰減的影響主要表現(xiàn)在爆破工程系數(shù)K、α上。

基于爆破實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)，利用數(shù)值計(jì)算工具分別對非下穿圍巖等級為Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ級洞身段爆破振速數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以得到表征不同圍巖類別爆破振動地質(zhì)系數(shù)K、α。計(jì)算得到：Ⅲ級圍巖爆破的工程系數(shù)K=62.63，α=1.48；Ⅳ級圍巖爆破的工程系數(shù)K=243.74，α=2.25；Ⅴ級圍巖爆破的工程系數(shù)K=181.69，α=1.81。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)，交通隧道的爆破振速不得超過10 cm/s，由表1可知，下部隧道爆破施工時(shí)，爆破振速均小于10 cm/s，因此下部隧道非交叉段爆破對在建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表1 草帽山隧道非下穿洞身段Z方向上臺階爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 下穿段爆破施工振動控制

新建草帽山隧道施工前，相關(guān)地勘人員對既有唐呼北草帽山隧道附近進(jìn)行了實(shí)地檢查考察，結(jié)果表明北草帽山隧址附近以Ⅴ級圍巖為主；同時(shí)由于唐呼鐵路承載著運(yùn)輸煤炭、金屬礦藏等任務(wù)，因此北草帽山鐵路隧道通過的重載貨運(yùn)列車對交叉段安全施工及既有線運(yùn)營安全均造成了不利影響。綜上所述，由于下穿段隧道圍巖較破碎且上部重載列車荷載對交叉段造成的不利影響，建議將下穿段爆破施工引起的隧道結(jié)構(gòu)振動速度上限由《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)中的10 cm/s下調(diào)為5 cm/s。

3.1 最大單響藥量控制

根據(jù)擬合公式(2)，可計(jì)算最大單響藥量。其中，計(jì)算距離R取下穿施工至既有隧道正下方時(shí)的最小凈距16.9 m，爆破安全振速取5 cm/s。

(2)

根據(jù)計(jì)算可知，下穿段圍巖等級為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級時(shí)，下穿至既有隧道正下方時(shí)爆破施工最大單響藥量分別為29.47、27.21、18.35 kg，但考慮到草帽山隧道交叉段圍巖等級確定困難及上部既有重載鐵路隧道的運(yùn)營安全，爆破施工的最大單響藥量限制為18.35 kg(Ⅴ級圍巖)，實(shí)際施工中為了方便控制藥量，最大單響藥量建議取值為15 kg。

3.2 控爆安全距離控制

按照現(xiàn)非下穿段爆破施工方案，Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖的實(shí)際施工最大單響藥量分別為55.8、34.8、26.5 kg，安全振速取5 cm/s，則根據(jù)式(3)可求得最小控爆距離分別為21.09、19.80、14.03 m。

(3)

同最大單響藥量控制值取值規(guī)律，建議控爆距離為30 m。

4 新建京張高鐵草帽山交叉段爆破方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上述分析可知，下穿草帽山隧道爆破施工對既有鐵路隧道的最大影響范圍為30 m；而實(shí)際施工過程中為了安全起見，選擇新建草帽山隧道與既有北草帽山隧道平面交叉點(diǎn)以外30 m為交叉段，考慮到2條隧道斜交角度76°22′且2條隧道空間凈距僅為16.9 m，因此將交叉段以外25 m作為過渡段。具體控爆范圍見圖4，具體控爆里程見表2。

圖4 草帽山隧道交叉段爆破振動控制范圍

爆破方案控制里程1m進(jìn)尺爆破DK173+910^DK173+935;DK173+995^DK174+0200.8m進(jìn)尺一次爆破DK173+935^DK173+955;DK173+975^DK173+9950.8m進(jìn)尺爆破配合機(jī)械開挖DK173+955^DK173+975

4.1 過渡段爆破方案

根據(jù)草帽山交叉隧道的具體影響范圍,對草帽山隧道下穿式過渡段的爆破方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

過渡段內(nèi)采用1 m進(jìn)尺爆破方案，現(xiàn)僅對爆破振動較大的上臺階爆破方案進(jìn)行闡述。上臺階爆破掏槽形式采用三中空直或楔形掏槽，周邊孔采用不耦合間隔裝藥，采用光面控制爆破。為防止爆破振動波疊加，采用非電毫秒雷管1～17奇數(shù)段引爆；其中，單孔裝藥量為300 g或者400 g，掏槽段采用斜眼掏槽，一段掏槽藥量為4.5 kg，最大段為11段的掘進(jìn)孔，裝藥量為15.3 kg。為減小爆破荷載對既有上跨隧道的影響，全部的掏心眼與輔助眼均采用斜眼布置形式，同時(shí)，在掏槽段與周邊段都設(shè)有空心眼，用來為爆破施工提供更大的臨空面，減小爆破振動。具體炮眼布置見圖5。

圖5 過渡段上臺階1 m進(jìn)尺炮眼布置(單位：cm)

4.2 交叉段爆破方案

交叉段爆破施工分為兩個(gè)階段，遠(yuǎn)區(qū)交叉段DK173+935～DK173+955、DK173+975～DK173+995采用0.8 m進(jìn)尺一次爆破成型，具體炮眼布置與過渡段1 m進(jìn)尺相同，炮眼深度及裝藥量相應(yīng)減少，其中，單孔裝藥量減少為200g或300g，一段掏槽藥量為3.6 kg，最大段(11段)裝藥量為10 kg。

交叉段DK173+955～DK173+975距既有鐵路隧道邊墻較近，為了進(jìn)一步減小振動對既有鐵路軌枕與軌道的影響，采用0.8 m進(jìn)尺爆破與機(jī)械開挖相配合的掘進(jìn)方式，上臺階斷面分為Ⅰ、Ⅱ兩部分進(jìn)行開挖。具體炮眼布置見圖6，首先裝藥爆破掌子面紅色區(qū)域Ⅰ，其中，單孔裝藥量為200 g或300 g，一段掏槽藥量最大不超過2.4 kg，最大段裝藥量控制在8 kg之內(nèi)。然后主要使用機(jī)械開挖對Ⅱ部開挖斷面，若遇到堅(jiān)硬巖石可配合部分周邊眼爆破開挖輪廓。

圖6 過渡段上臺階0.8 m進(jìn)尺爆破配合機(jī)械開挖炮眼布置(單位：cm)

4.3 下穿交叉施工現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證

全程跟蹤監(jiān)測新建京張高鐵草帽山隧道爆破施工過程，爆心距35 m處測點(diǎn)Z方向爆破振速時(shí)程曲線如圖7所示。從圖7可以看出，爆破施工產(chǎn)生的振動主要集中在爆破施工過程中的掏槽段和最大裝藥段，因此控爆施工應(yīng)對掏槽段和最大裝藥段引起重視。且采用下穿段爆破方案后，爆破振動速度得到了有效控制。

圖7 各爆破方案實(shí)測Z方向爆破振速時(shí)程曲線

現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)見表3。由表3中可知，采用優(yōu)化后的爆破施工方案后，距掌子面35 m測點(diǎn)Z方向爆破振速峰值均小于0.85 cm/s，滿足爆破安全需要，說明下穿交叉段爆破施工方案對于新建草帽山下穿既有鐵路隧道工程是可行的。

表3 不同爆破掘進(jìn)方案爆心距為35 m處Z方向速度峰值對比關(guān)系

5 結(jié)論

以新建京張高鐵草帽山隧道下穿唐呼重載鐵路北草帽山隧道交叉工程為工程背景，通過對隧道爆破施工振動的實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到如下結(jié)論。

(1)下穿草帽山隧道非下穿段爆破振速對在建隧道的影響均在規(guī)定范圍10 cm/s以內(nèi)。

(2)基于現(xiàn)場爆破數(shù)據(jù)得到不同圍巖類別對應(yīng)的爆破參數(shù)K、α，基于下穿段安全振速(5 cm/s)得到下穿段圍巖等級為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級的最大單響藥量分別為29.47、27.21、18.35 kg；而其最小控爆安全距離分別為21.09、19.80、14.03 m，但出于安全考慮建議爆破施工的最大單響藥量不超過15 kg，最小控爆距離為30 m。

(3)對隧道下穿段爆破方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，爆破施工主要依據(jù)里程分為3段進(jìn)行；同時(shí)通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證距掌子面35 m測點(diǎn)Z方向爆破振速峰值均小于0.85 cm/s，滿足爆破振動安全需要，說明下穿交叉段爆破施工方案對新建草帽山隧道下穿既有鐵路隧道工程是可行的。

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