臨近既有線隧道開(kāi)挖施工控制爆破分析

翟富強(qiáng) 劉盛

摘? 要：臨近既有線隧道開(kāi)挖爆破施工會(huì)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，造成結(jié)構(gòu)物的變形、開(kāi)裂、滲漏水等。文章通過(guò)對(duì)臨近既有線隧道開(kāi)挖控制爆破施工技術(shù)的探討，淺析爆破振速及主振動(dòng)頻率控制對(duì)既有線隧道的影響，在確保既有隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，獲得更好的爆破效果及開(kāi)挖進(jìn)尺，為臨近既有線隧道的爆破施工提供參考。

關(guān)鍵詞：既有線;控制爆破;振速;主振頻率

Abstract： The blasting construction of tunnel excavation adjacent to the existing line will have an adverse impact on the existing tunnel structure， resulting in structural deformation， cracking， water leakage and so on. Based on the discussion of the controlled blasting construction technology of the tunnel excavation near the existing line， this paper analyzes the influence of blasting vibration speed and main vibration frequency control on the existing line tunnel， on the premise of ensuring the safety and stability of the existing tunnel structure. Better blasting effect and excavation footage are obtained， which can provide reference for the blasting construction of the tunnel near the existing line.

前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展的階段。作為帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略生命線的鐵路網(wǎng)迅速在全國(guó)各地鋪開(kāi)，新舊線路縱橫交錯(cuò)，涉及臨近既有線施工的情況越來(lái)越多。臨近既有線隧道進(jìn)行開(kāi)挖爆破施工會(huì)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，造成結(jié)構(gòu)物的變形、開(kāi)裂、滲漏水等，給列車(chē)的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鐵路交通事故，輕則鐵路停運(yùn)，重則造成重大人員財(cái)產(chǎn)損失。

目前臨近營(yíng)業(yè)線控制爆破技術(shù)主要以爆破振速作為唯一控制指標(biāo)[1]，隨著爆破技術(shù)的深入發(fā)展，單一參數(shù)作為控制指標(biāo)暴露出許多不合理之處。業(yè)界對(duì)這一課題也開(kāi)展了相關(guān)的研究，并取得了一些成果。如瑞典將振速、振動(dòng)頻率、位移和加速度等多項(xiàng)指標(biāo)納入了評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，而美國(guó)礦務(wù)局、德國(guó)和芬蘭則引入了振速和振動(dòng)頻率兩個(gè)參數(shù)作為控制指標(biāo)[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)控制爆破技術(shù)指標(biāo)也提出了一些見(jiàn)解，如焦永斌[3]認(rèn)為除振動(dòng)強(qiáng)度外，振動(dòng)頻率效應(yīng)也是一個(gè)重要因素，建議引入頻率影響系數(shù)作為估算爆破地震安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù);趙精富等[4]結(jié)合近年來(lái)的研究成果，對(duì)爆破振動(dòng)“多因素”綜合安全判據(jù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。本文以新建重慶鐵路樞紐東環(huán)線鷂子巖隧道工程為例，以爆破振速及主振動(dòng)頻率作為控制爆破的控制指標(biāo)，對(duì)爆破方案與實(shí)施效果進(jìn)行了闡述。

1 工程背景

1.1 工程概況

鷂子巖隧道是新建重慶鐵路樞紐東環(huán)線重點(diǎn)控制性工程，位于重慶市北碚區(qū)龍鳳鎮(zhèn)及施家梁鎮(zhèn)管轄區(qū)內(nèi)，為單洞雙線鐵路隧道，全長(zhǎng)4782m，起訖里程DK150+570～DK155+352，最大埋深330m。為滿足工期、施工排水、運(yùn)營(yíng)排水、施工通風(fēng)等多方面需求，采用“出口平導(dǎo)”輔助坑道方案，平導(dǎo)位于左線線路中線右側(cè)35m，無(wú)軌運(yùn)輸，坑底較對(duì)應(yīng)里程正洞軌面低3m，全長(zhǎng)3154m，起訖里程PDK152+200～PDK155+354。

隧道出口端臨近既有滬蓉鐵路，出口正洞DK155+352～DK154+600段共752m及平導(dǎo)PDK155+354～PDK154+678段共676m臨近既有滬蓉鐵路桐子林隧道，正洞與既有隧道線間距30～200m，平導(dǎo)與既有隧道線間距65～200m，按臨近既有線施工，采用控制爆破開(kāi)挖。

1.2 施工內(nèi)容

鷂子巖隧道出口及平導(dǎo)臨近滬蓉鐵路童家溪至合川區(qū)間桐子林隧道K1693+860～K1693+115段（兩端各延伸50m）洞身開(kāi)挖施工情況見(jiàn)表1。

1.3 施工安排

正洞DK155+352～DK154+980段開(kāi)挖（50m范圍內(nèi)）、桐子林隧道日常檢查及爆破振速監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)屬Ⅲ級(jí)施工，在天窗時(shí)間內(nèi)進(jìn)行;正洞DK154+980～DK154+600及平導(dǎo)PDK155+354～PDK154+678屬C類(lèi)監(jiān)管，施工在監(jiān)管下進(jìn)行，爆破施工安排在列車(chē)間隔時(shí)間大于30分鐘時(shí)段進(jìn)行[5]。

1.4 施工前準(zhǔn)備工作

（1）納入既有線管理施工段在施工前先與成都鐵路局遂寧工務(wù)段、重慶供電段、重慶北車(chē)務(wù)段、達(dá)州電務(wù)段、成都通信段簽訂安全管理及配合協(xié)議。

（2）臨近既有線段施工前由重慶鐵路樞紐東環(huán)線建設(shè)指揮部組織施工單位、遂寧工務(wù)段、重慶供電段、重慶北車(chē)務(wù)段、達(dá)州電務(wù)段、成都通信段等相關(guān)部門(mén)對(duì)滬蓉線童家溪至合川區(qū)間桐子林隧道K1693+860～K1693+115段所有設(shè)備、設(shè)施、電纜及可能存在隱患部位進(jìn)行安全排查看是否需要在施工期間進(jìn)行防護(hù)，并做好詳細(xì)記錄，以便在施工過(guò)程中加強(qiáng)觀察判斷是否對(duì)洞內(nèi)設(shè)備、設(shè)施有影響。

（3）根據(jù)鷂子巖隧道的施工里程對(duì)應(yīng)在桐子林隧道內(nèi)布設(shè)爆破振速監(jiān)測(cè)點(diǎn)。施工前申請(qǐng)由遂寧工務(wù)段、重慶供電段、達(dá)州電務(wù)段、成都通信段等相關(guān)配合單位進(jìn)入桐子林隧道現(xiàn)場(chǎng)于K1693+860～K1693+115段布置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（4）納入臨近既有線管理施工段按照路局批復(fù)施工申請(qǐng)計(jì)劃安排施工，提前上報(bào)月計(jì)劃和日計(jì)劃。

（5）施工前三天根據(jù)調(diào)查情況，給相關(guān)配合單位下達(dá)施工配合通知書(shū);施工前做好安全教育及作業(yè)地點(diǎn)、作業(yè)方式交底，施工前會(huì)同相關(guān)設(shè)備管理單位對(duì)具體施工地段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交底調(diào)查。

2 隧道開(kāi)挖控制爆破設(shè)計(jì)

2.1 控制爆破判據(jù)

將爆破“振動(dòng)速度”作為主控指標(biāo)，“頻率”作為觀察指標(biāo)。

（1）爆破振速：根據(jù)爆破安全規(guī)程要求，施工中按照振速小于5.0cm/s控制。

（2）振動(dòng)頻率：根據(jù)爆破安全規(guī)程要求，施工中按照振動(dòng)頻率大于50Hz控制。

鷂子巖隧道出口正洞及平導(dǎo)與既有滬蓉鐵路的線間距為30～200m，計(jì)算炸藥使用量時(shí)分別按表2距離進(jìn)行取值。

2.2 控制爆破設(shè)計(jì)要求

2.2.1 爆破指標(biāo)要求

為獲得更好的爆破效果及開(kāi)挖進(jìn)尺，控制爆破振速按照小于5cm/s進(jìn)行控制，前10炮進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及排查結(jié)構(gòu)物是否存在隱患。

2.2.2 掏槽形式的選定

采用楔形掏槽進(jìn)行控制爆破，掏槽眼比其他炮孔均深20cm。根據(jù)巖石普氏系數(shù)f=10-12時(shí)，掏槽眼角度經(jīng)驗(yàn)取55-68°。

2.2.3 循環(huán)進(jìn)尺確定

根據(jù)振速及掏槽眼單段藥量控制要求調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺。

Ⅴ級(jí)圍巖按0.6m～0.8m（1榀拱架）控制，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖按2.4m（2榀拱架）控制。

2.2.4 爆破器材選擇

掌子面炮孔采用人工手持風(fēng)鉆鉆孔，采用乳化炸藥（？準(zhǔn)32mm藥卷，單卷長(zhǎng)200mm，重0.2kg，每箱24kg），非電毫秒雷管起爆。采用微差爆破，周邊眼采用導(dǎo)爆索起爆，以減小起爆時(shí)差。爆破器材由專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)從炸藥庫(kù)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，見(jiàn)表3。

2.2.5 裝藥結(jié)構(gòu)及堵塞方式

周邊眼采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，其余眼均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。所有裝藥炮眼均采用炮泥堵塞，堵塞長(zhǎng)度不小于30cm，見(jiàn)圖1。施工時(shí)炮孔采用水封方式。水袋集中預(yù)制生產(chǎn);炮泥根據(jù)需要現(xiàn)場(chǎng)加工，避免過(guò)久存放干硬、松散。

2.2.6 光爆參數(shù)的選擇

通過(guò)爆破試驗(yàn)確定光面爆破參數(shù)，參照《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》鉆爆設(shè)計(jì)的“光面爆破參數(shù)表”[6]。

（1）W=（10～20）d=420～820mm，本設(shè)計(jì)取W=60～75cm。

（2）周邊眼裝藥集中度q可取0.04～0.40kg/m，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)值Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖可取q=0.10～0.20kg/m。

（3）周邊眼采用不偶合間隔裝藥，不偶合系數(shù)一般取1.25～2，現(xiàn)在D=炮眼直徑/藥卷直徑=42mm/32mm=1.31滿足取值范圍要求。為實(shí)現(xiàn)間隔裝藥，使藥卷居中在孔內(nèi)，采取預(yù)先加工周邊眼藥串的辦法，按設(shè)計(jì)將藥卷用傳爆線串聯(lián)在加工的PVC管上，讓藥串架空居中于鉆孔中心。

2.2.7 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及起爆網(wǎng)絡(luò)圖

（1）起爆網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)連接法，按如下順序連接：孔內(nèi)雷管分組→周邊孔導(dǎo)爆索并接→同段非電毫秒管雙發(fā)簇連→非電毫秒管起爆。

（2）起爆器材：孔內(nèi)采用非電毫秒雷管和導(dǎo)爆索（周邊孔）起爆，孔外采用非電毫秒雷管傳爆，起爆采用毫秒雷管起爆器起爆。

起爆網(wǎng)絡(luò)詳見(jiàn)圖2。

2.3 最大單段控制藥量計(jì)算

根據(jù)減震爆破理論：當(dāng)邊界條件相同時(shí)，爆破開(kāi)挖的最大振動(dòng)速度值不取決于一次起爆的總藥量，而取決于某單段的最大用藥量。

根據(jù)薩氏公式，最大單段裝藥量與爆破允許振速的計(jì)算公式如下：

式中：Qmax-最大單段允許用藥量，單位kg;V-振速控制標(biāo)準(zhǔn)，取5cm/s;R-爆源中心（掏槽孔位置）到振速控制點(diǎn)（鷂子巖隧道正洞及平導(dǎo)與桐子林隧道二襯輪廓邊緣點(diǎn)）的距離，單位m;K-與爆破技術(shù)、地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)目前圍巖情況取250;α-爆破振動(dòng)衰減指數(shù)，取1.65;K、α具體取值一般需要在同等地質(zhì)條件下，對(duì)同類(lèi)型結(jié)構(gòu)做大量的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，再通過(guò)數(shù)值回歸方法才可確定，也可用數(shù)值模擬的方法估算，根據(jù)目前既有條件參考表4取上述值，施工時(shí)通過(guò)爆破振動(dòng)檢測(cè)驗(yàn)證、優(yōu)化、擬合。

按照既有邊界條件對(duì)上述系數(shù)賦值，代入公式，計(jì)算出掏槽區(qū)爆破時(shí)單段允許最大裝藥量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出，距離線路越遠(yuǎn)，爆破對(duì)正線震動(dòng)影響越小。各段最大單段裝藥量根據(jù)不同段落開(kāi)挖方式確定，確保對(duì)既有隧道振速小于5cm/s。對(duì)于其它段裝藥量，根據(jù)多年隧道爆破及實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，其最大裝藥量，宜控制在掏槽區(qū)最大單段允許藥量2倍以下。

2.4 爆破振速檢算

以Ⅲ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖爆破且距離既有隧道線間距30～50m為例進(jìn)行檢算。

2.4.1 孔深

鉆孔深度控制在2.4m，根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖鉆孔深度。

2.4.2 周邊孔

周邊炮孔間距取40cm，抵抗線取60cm。

2.4.3 炮孔布置圖及爆破參數(shù)

（1）炮孔布置圖

詳見(jiàn)圖3。

（2）爆破參數(shù)

開(kāi)挖爆破參數(shù)見(jiàn)表6。

（3）爆破振速驗(yàn)算：

式中：V-爆破振速;R-爆源中心到振速控制點(diǎn)的距離，取30m;Q-掏槽最大單段用藥量，16kg;K-與爆破技術(shù)、地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)目前圍巖情況取250;α-爆破振動(dòng)衰減指數(shù)，這里取1.65。

根據(jù)公式2計(jì)算得出v=4.197cm/s，滿足小于5cm/s要求。

2.5 爆破頻率檢算

通過(guò)式3計(jì)算爆破地震引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率[9]。

通過(guò)計(jì)算得出f=72.27，Hz>50Hz，頻率大于50，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的不利影響很小，無(wú)需進(jìn)一步提高爆破振速要求標(biāo)準(zhǔn)。

3 既有隧道振速及頻率監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方法及內(nèi)容

（1）新建隧道臨近既有隧道段施工前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查初步確認(rèn)臨近段既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)健康狀況（是否有既有病害），既有鐵路隧道病害調(diào)查主要針對(duì)既有裂縫、表面滲漏水進(jìn)行。

（2）新建隧道施工期間，對(duì)既有鐵路隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：a.爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，b.既有裂縫、滲漏水情況監(jiān)測(cè)。

（3）控制爆破前10次爆破每次爆破結(jié)束后，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人與各站段取得聯(lián)系，并在天窗點(diǎn)內(nèi)，對(duì)臨近既有桐子林隧道段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，與施工前調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)按照5cm/s內(nèi)振速控制對(duì)既有隧道無(wú)影響。若前10次爆破未發(fā)現(xiàn)異常，根據(jù)情況對(duì)既有隧道檢查頻率調(diào)整至3～5天/次。

3.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)（如圖4、圖5）

3.3 監(jiān)測(cè)情況

（1）對(duì)既有隧道襯砌裂縫、滲水情況進(jìn)行檢查并與前期施工調(diào)查情況進(jìn)行對(duì)比。按照5cm/s以內(nèi)振速控制對(duì)既有結(jié)構(gòu)物無(wú)影響。

（2）桐子林隧道洞內(nèi)安設(shè)振速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)爆破振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)。前10次爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表7。

通過(guò)表7結(jié)果對(duì)比理論計(jì)算值，可以得出結(jié)論如下：

a.實(shí)測(cè)振速整體比理論計(jì)算值大，主要原因是K值在理論計(jì)算時(shí)，是根據(jù)圍巖情況選取的預(yù)估值，通過(guò)前10次試驗(yàn)取得實(shí)測(cè)振速后，對(duì)K值進(jìn)行了修正。

b.實(shí)測(cè)振速和主振頻率大致呈正比關(guān)系，在實(shí)測(cè)振速和主振頻率均達(dá)標(biāo)的情況下，爆破施工對(duì)既有線隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)無(wú)影響。

3.4 預(yù)警及反饋機(jī)制控制指標(biāo)

（1）對(duì)爆破實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管理，要求爆破振速？燮5cm/s。當(dāng)其表面質(zhì)點(diǎn)振速達(dá)到規(guī)定值時(shí)及時(shí)調(diào)整爆破方案。

（2）既有隧道襯砌出現(xiàn)新增裂縫，或既有裂縫超過(guò)限值，直接預(yù)警。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鷂子巖隧道臨近既有線隧道控制爆破施工技術(shù)開(kāi)展研究，驗(yàn)證了爆破振速及主振頻率兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)控制爆破施工進(jìn)行全過(guò)程控制的可行性，能有效地確保營(yíng)業(yè)線隧道結(jié)構(gòu)物的安全，進(jìn)一步提高爆破設(shè)計(jì)方案的安全可靠性。同采用爆破振速單一指標(biāo)進(jìn)行控制爆破施工相比，本方案具有更強(qiáng)的針對(duì)性和指導(dǎo)意義，可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，既能確保既有隧道結(jié)構(gòu)安全，又能更好地確保新建隧道開(kāi)挖進(jìn)尺及爆破效果，降低風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提高施工效率。但由于隧道圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育變化頻繁，對(duì)爆破振速及主振頻率影響較大，下一步仍需通過(guò)不同工程的實(shí)踐作深入的研究。

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