超大斷面市政公路隧道的原位擴建控制爆破技術研究

黃林祥

中鐵十八局集團市政工程有限公司 廣西 南寧 530031

為了滿足日益增長的公路交通需求，將公路工程進行一定規模的改擴建成為當前的發展趨勢[1-3]。而在既有隧道的擴建工程中，由于其獨特的工程形式及復雜的力學演變規律，使其廣泛受到學術界的關注與探討。原位擴建作為常規采用的隧道擴建形式，具有跨度大、扁平率低等特點，在拆除既有隧道襯砌、擴挖洞周圍巖的過程中，圍巖受到再次撓動，原本的“圍巖-襯砌”平衡體系被打破，圍巖應力受到多次擾動，重新分布后的應力狀態極為復雜[4]。

國外針對既有隧道原位擴建的相關研究要早于國內，但其擴建隧道斷面較小，多為單線到復線，雙車道到三車道的擴建工程[5-7]，整體施工難度不大。雖然國內在此領域的研究時間較晚，但其發展速度更快，擴建隧道的規模、斷面更大，且逐漸取得領先地位，甚至原位“2擴4”的超大斷面公路隧道的擴建工程在國內也不斷涌現出來[8-10]。

超大斷面既有隧道的原位擴建工程設計與施工難度大，尤其在復雜的周圍環境中，對于控制爆破技術要求更高[11]。為了研究既有隧道原位擴建施工鄰近建筑物的振動影響，朱根橋等[12]采用數值模擬和現場監測相結合的方法對重慶渝州隧道動力響應進行了分析；李秀地等[13]依托大帽山小凈距超大斷面隧道原位擴建工程，采用數值模擬的方法，對爆破應力波的傳播規律進行了研究；劉冬等[14]以北京東長峪隧道為工程背景，采用數值模擬的方法對既有隧道原位擴建控制爆破施工進行了研究，分析得到其爆破振動規律。

通過以上調研發現，當前對于鉆爆法超大斷面公路隧道的原位擴建控制爆破技術研究較少，可供借鑒的經驗不多。同時，在市區進行公路隧道的原位擴建時，由于周圍環境復雜，近接施工影響大，一方面要保證擴建隧道的施工安全，另一方面也要盡可能地減小隧道擴建施工對鄰近重要建（構）筑物的影響，使得該類工程的施工難度較大。而采用合理的控制爆破技術，對于提高隧道自身圍巖的穩定性和保證周圍建（構）筑物的安全性具有極大的積極作用。基于以上背景，文章依托福建鼓山隧道原位“2擴3”工程，對超大斷面市政公路隧道的原位擴建控制爆破技術進行研究，為其他類似工程提供施工經驗，具有一定的工程價值和學術意義。

1 工程概況

既有鼓山隧道始建于1987年，位于福州市區，為雙向4車道整體式襯砌結構公路隧道。本次隧道擴建規模為原位“2擴3”，即將單向2車道隧道擴建為單向3車道，隧道原位擴建示意如圖1所示。北洞NK8＋865—NK9＋748.4，長883.4 m；南洞SK8＋965—SK9＋753，長788 m。為了合理控制工期，保證工程質量，隧道按北洞、南洞這2個工區分別進行組織施工。

圖1 鼓山隧道原位擴建示意（單位：m）

1.1 周圍環境

本工程位于馬尾區快安鎮，進洞口周邊有架空通信電纜、自來水管道及監控設施（待改），與在建福平鐵路最近距離165 m，與杭深鐵路最近距離200 m，距通信基站磚混房屋210 m，距公交車站160 m，距三環快速、物流停車場35 m；出洞口周邊有架空電力線、監控設施等，距隧道配電室（磚混）10 m，緊挨待拆磚混房屋，距三環快速隧道進出口100 m。

1.2 地層巖性

由現場地質勘查報告及土工試驗結果可知，本場地土層組成為：雜填土、坡積黏性土、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。

2 控制爆破技術

2.1 爆破方案選定

采用分部臺階法對Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖洞身區段進行開挖施工，在各分部開挖的同時對既有隧道襯砌進行爆破拆除；車行橫洞及人行橫洞采用全斷面開挖。

隧道采用光面爆破技術，確保鄰近既有杭深鐵路橋梁、隧道及在建福平鐵路橋梁、隧道的安全；對既有鼓山隧道南洞進行爆破振動監測，既有鼓山隧道南洞振動速度允許值不大于2 cm/s；對既有杭深鐵路橋梁及在建福平鐵路橋梁進行爆破振動監測，既有杭深鐵路橋梁、隧道及在建福平鐵路橋梁、隧道最大振動速度閾值為1 cm/s。

2.2 洞身爆破參數

2.2.1 炮孔設置

由于巖性的不同，斷面規格也不同，施工時應嚴格按照設計方案進行掘進爆破。

正式爆破前，必須分別對各種不同巖層進行試爆，并根據各種不同巖層的試爆結果調整炸藥使用量，隨后將調整的藥量表以報告的形式報請現場爆破技術員確認，待批準后實施。

本設計采用常規的布孔方法，在距斷面輪廓邊線0.05～0.10 m的位置對周邊孔進行布置，孔底距斷面輪廓線0.05～0.10 m。不同圍巖級別炮孔布置示意如圖2所示。

圖2 不同圍巖級別炮孔布置示意（單位：cm）

2.2.2 炮孔參數確定

1）確定孔深（L）。為減輕振動，孔深L在巖石不完整時，L=0.6～1.2 m；在巖石完整時，L=1.0～2.5 m；打孔時，孔深誤差不能大于0.1 m。結合隧道現場實際情況，設計鼓山隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖的孔深分別為2.2、1.7、1.2 m，橫洞裝藥孔孔深設計為2.2 m。

2）孔間距（a）。根據當前設計及施工經驗，隧道爆破施工炮孔孔間距基本設計為0.5～0.8 m，在實際施工中，可根據隧道圍巖情況進行合理調整，即巖石硬度越高、完整性越好，則選取的孔間距越小。斷面尺寸也是決定孔間距的一個重要因素，可根據斷面尺寸的大小對孔間距進行微調，同時布孔時應遵循均勻性原則，其誤差應小于0.1 m。

3）炸藥單耗（q）。在控制爆破技術中，隧道斷面尺寸、圍巖巖石強度及完整性、炮孔孔深和炸藥特性對炸藥單耗取值起到決定性作用，本項目根據工程實際情況取q=0.7～2.5 kg/m3。具體數值根據巖石硬度及完整性來進行合理選取，其基本原則為巖石越堅硬，取值越大。

4）炮孔直徑（D）。根據鉆機直徑的不同選擇炮孔直徑，確定炮孔直徑為D=42 mm。

5）藥卷直徑（d）。根據藥卷類型的不同選擇藥卷直徑，確定藥卷直徑d=32 mm。

6）單位長度裝藥量（Δ）。根據藥卷直徑及長度數值，可以計算得到每一個藥卷的質量為0.2 kg，進而計算得到單位長度裝藥量Δ=0.2×5=1.0 kg/m。

7）單孔裝藥量（Q0）。Q0＝η×L×Δ。

各類炮孔的安全裝藥系數η為：掏槽孔0.70～0.85、輔助孔0.60～0.75、周邊孔0.25～0.35，在控制爆破施工過程中應參考實際爆破效果進行合理調整。

8）全斷面炮孔數。可以計算得到Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖全斷面布置炮孔數分別為175個、180個、210個，車行橫洞、人行橫洞全斷面布孔數分別為30個、10個。

2.3 爆破安全距離計算

根據GB 6722—2014《爆破安全規程》，計算得到本工程爆破飛石安全距離為54 m，因此飛石半徑在60 m以內，同時按2倍距離選取機械的安全距離，即120 m；有害氣體安全距離為3.64 m，在此范圍內的有害氣體會給隧道內的施工人員帶來危險，需做好洞內的排氣通風工作；爆破空氣沖擊波安全距離為85.38 m，需確保在此范圍內支護結構的安全性及穩定性，同時在爆破時應該讓洞內無關施工人員撤至洞外進行隱蔽，待爆破完成后方可進入洞內施工。

3 控制爆破施工中通、壓、排設施

3.1 壓風

在隧道進、出口處，離隧道口100 m外安裝20 m3/min的固定式空壓機，接上無縫耐高壓鋼管進入隧道內，在距爆破掌子面50～100 m外安裝三通或四通閥門供接高壓軟風管，并供鑿巖機鉆孔、臨時支護濕式噴射混凝土用風，設專人管理開關機。

3.2 供水

因在隧道內鑿巖、噴錨臨時支護都需濕式鑿巖機和濕式噴射混凝土，故在距離掌子面后方50 m左右處應接供水管進行施工供水，并安上接頭供鑿巖、噴錨用水。

3.3 供電

供電線路的配電箱要距爆破掌子面300 m外安裝，在供給各種設備用電時要做到“三相五線，一機一閥一保護”，對洞內電器外殼進行接零保護。同時線路要接到隧道兩幫固定掛鉤上。

3.4 通風

根據隧道掘進長度的大小可以選擇壓入式或抽出式進行機械通風；風機安裝在洞口側邊，可選用YTl60M-6和YTl32M-6型通風機，且需有備用量，分別選用φ800 mm和φ600 mm布袋風筒，將其懸掛在洞幫上，使用過程中若發現破損，應及時修補或換下。

3.5 排水

洞外排水，在洞口上方適當距離開挖截水溝連通至洞外排水溝內，洞內排水主要是圍巖的裂隙水以及局部地段的巖層中涌水，這些水流通過隧道掘進過程中隧道兩側臨時開挖的排水溝和隧道縱坡0.3%順流排出。

4 結語

文章依托福州鼓山隧道原位“2擴3”工程，對超大斷面公路隧道的原位擴建控制爆破技術進行了研究，確定了不同圍巖級別下隧道炮孔的設置方案，并基于相關技術規范計算得到爆破參數及爆破安全距離，同時針對實際工程提出爆破施工中通、壓、排設施的配置方案，有效加快施工進度，保證施工安全。

該控制爆破技術已在鼓山隧道的施工中得到應用，現場效果良好，有效地提升了隧道圍巖自身的穩定性，大大減小了爆破振動對周邊建（構）筑物的影響，可在類似原位擴建工程中進行推廣應用。