隧道爆破綜合控制技術在鄰近既有線條件下的創新應用

鄧 超

中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350

近年來，隨著國民經濟的迅速發展，大量的單線隧道或雙線隧道需增建擴容，或需新建小凈距隧道，新建隧道開挖爆破產生的振動有可能引起鄰近既有隧道襯砌結構和線路損傷[1-2]。尤其是對于高等級的公路來說，其交通運輸流量大、通行速度快、要求運行質量高，若新建隧道施工造成鄰近既有線隧道出現襯砌結構破壞，隧道輪廓侵入界限等災害，將造成公路行車不安全，影響高等級公路的日常運營和維護。因此，新建隧道鄰近既有隧道開挖需要選擇合適的施工工法，以及相應的爆破減振控制措施[3]，以確保既有隧道的襯砌結構和線路安全，不影響既有隧道的正常運營。目前，國內已建或在建的隧道鄰近既有隧道掘進施工時大多采用對既有隧道進行加固或隧道加固與控制爆破相結合的處理方法。然而，對于新建隧道與既有隧道安全距離為35～40 m，且既有隧道大車流量，要求運營不可中斷時，一般的既有隧道加固的處理方法已滿足不了隧道施工的需求。

1 背景工程概況

國道209線武川至呼和浩特段公路大青山Ⅰ號隧道（新建隧道）項目位于內蒙古呼和浩特市武川縣、回民區境內，隧道全長1 805 m，隧址區主要以軟巖石、較硬巖石為主。該隧道與既有的國道209線大青山Ⅰ號隧道（既有隧道）并行，安全距離為35～40 m。既有隧道全長1 885 m，該隧道襯砌結構與圍巖之間局部存在一定的強度隱患，如不密實、松散等，而圍巖中也存在部分疏松、散狀裂隙帶等，隧道二次襯砌結構中混凝土的局部區域強度存在低于設計標準C25等級的情況。新建隧道與既有隧道位置關系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道位置關系

新建隧道為單洞雙車道公路隧道，武川端明洞長23 m，呼和浩特端明洞長5 m。隧道進口采用端墻式洞門與橋梁相連，隧道出口與路基采用端墻式洞門相連。

2 新建隧道施工特點、難點

1）新建隧道與既有隧道并行，間距35～40 m。控制爆破與開挖工藝相協調是確保施工安全和既有大青山Ⅰ號隧道運營安全的關鍵點。

2）新建隧道施工影響因素多：隧道地形起伏較大，大部分圍巖等級為Ⅳ、Ⅴ級，鄰近的既有隧道將影響新建隧道的安全施工，如何在減少對既有隧道安全運營影響的同時，加快新建隧道掘進速度，是本工程最大的難點。

3）新建隧道緊鄰既有隧道，既有隧道車流量較大，且存在病害，局部病害較嚴重。在施工爆破過程中要嚴格控制藥量，降低振動速度，實時監測既有隧道結構振動，保證既有隧道襯砌結構安全，避免發生交通安全事故。

3 施工策劃及方案比選

新建隧道施工過程中既有隧道仍在運營，且既有隧道通車至今一直未進行竣工驗收。既有隧道不同程度地存在襯砌結構、圍巖不密實、松散缺陷等相關病害，且二襯混凝土拱頂及邊墻有縱向裂縫，裂縫較長，既有隧道能見襯砌部分幾乎都有縱向裂縫，這是項目施工中的重難點。根據工程實際地形，結合專家和設計方意見，初步制定鄰近既有隧道的掘進施工方案如下。

1）方案1：采用常規隧道的掘進施工技術以及常規的爆破工藝，這要求必須加固既有隧道襯砌以保證既有隧道的運營安全和隧道襯砌自身安全，須中斷既有隧道運營。優缺點：安全性較高，施工工期長，但成本大，且爆破振動可能會對既有隧道襯砌造成影響，施工效益較低。

2）方案2：改變隧道開挖及支護施工工藝，Ⅴ級圍巖采用CD法、Ⅳ級圍巖采用環形開挖預留核心土法、Ⅲ級圍巖采用臺階法施工，控制開挖進尺，減少用藥量。優缺點：安全性較高，不因加固既有隧道而中斷運營，但施工工期長，成本大，施工效益較低。

3）方案3：采用微振控制爆破技術、環形開挖預留核心土法和臺階法、振動監測相結合的綜合處理方案，對鄰近既有隧道的新建隧道進行掘進施工。優缺點：施工工藝較為簡單，采取兩階段施工，具有明顯的工期、經濟效益，基本不存在缺點。

為避免長期封閉交通或對既有隧道采取加固措施，在確保施工安全為基礎的前提下，加快施工進度、降低施工成本，確保現場施工質量和運營安全，經討論分析后，因考慮實際情況，決定采用方案3，即微振控制爆破技術、環形開挖預留核心土法和臺階法、振動監測相結合的綜合方案，最終達到縮短整條隧道工期，節約施工成本的目的。

4 隧道減振控制爆破實施

新建隧道以Ⅳ級和Ⅴ級圍巖為主，巖體破碎，且鄰近既有隧道，施工爆破振動速度控制難度較大，施工時將按照“新奧法”原理結合減振控制爆破技術進行，并嚴格按照“少擾動、短進尺、嚴注漿、快封閉、弱爆破、勤量測、緊襯砌”的開挖準則，以減少新建隧道的爆破開挖對既有隧道襯砌結構安全的影響。

爆破控制技術主要從以下幾方面考慮：采用減輕振動控制爆破技術，根據現有條件，一次鉆孔，分次起爆，使用電雷管分段控制裝藥量，盡可能采用短進尺、弱爆破的減振措施。

1）根據現場的施工條件，采用分臺階分部分開挖爆破，以創造多臨空面條件，每部分又分為多排起爆，控制每次爆破的規模，從而控制質點的振動速度。

2）單孔裝藥量應有效控制，均勻地將有限的裝藥量分布在被爆破的巖體中，并借助電雷管進行分段爆破，減小爆破的振動強度。

3）在爆破區域周邊布設減振孔，降低爆破應力波向結構物方向傳播。其主要原理是合理設置爆破減振隔離帶，利用隔離帶吸收或耗散爆破時的振動能量，使隔離帶后面區域所受到的振動得到規避或者降低，如圖2所示。

圖2 隧道爆破計算模型

4.1 Ⅴ級圍巖段開挖爆破設計

新建隧道Ⅴ級圍巖段，采用環形開挖預留核心土法及微振控制爆破技術，新建隧道爆破與既有隧道最近水平距離為35 m。通過設置周邊減振孔進行隧道微振控制爆破，周邊減振孔間距0.5 m，深度為掘進進尺1.5倍。根據設計要求、類似工程經驗以及專家論證意見，考慮近接既有隧道結構的安全性，新建隧道Ⅴ級圍巖段，隧道開挖爆破最大進尺為1.6 m，按照1.6 m進尺進行裝藥爆破施工，爆破單次最大藥量為13.67 kg。新建隧道Ⅴ級圍巖段的開挖順序如圖3所示。

圖3 環形開挖預留核心土法開挖順序

4.2 Ⅳ級圍巖段開挖爆破設計

新建隧道Ⅳ級圍巖段，采用臺階法開挖及微振控制爆破技術，新建隧道爆破與既有隧道最近水平距離為35 m，通過設置周邊減振孔進行隧道微振控制爆破，周邊減振孔間距0.5 m，深度為掘進進尺1.5倍。根據設計要求、類似工程經驗以及專家論證意見，考慮近接既有隧道結構的安全性，新建隧道Ⅳ級圍巖段，隧道開挖爆破最大進尺為2.0 m，按照2.0 m進尺進行裝藥爆破施工，爆破單次最大藥量為17.15 kg。Ⅳ級圍巖段的炮孔布置如圖4所示。

圖4 Ⅳ級圍巖段開挖炮孔布置及起爆段別

4.3 Ⅲ級圍巖段開挖爆破設計

針對新建隧道Ⅲ級圍巖段，可同樣采用臺階法開挖及微振控制爆破，新建隧道爆破與既有隧道最近水平距離35 m，通過設置周邊減振孔進行隧道微振控制爆破，周邊減振孔間距0.5 m，深度為掘進進尺1.5倍。根據設計要求、類似工程經驗以及專家論證意見，考慮近接既有隧道結構的安全性，新建隧道Ⅲ級圍巖段，隧道開挖爆破最大進尺為2.5 m，按照2.0 m進尺進行裝藥爆破施工。炮孔的裝藥結構設計如圖5所示。

圖5 裝藥結構示意

5 新建隧道掘進施工關鍵工藝

5.1 隧道洞口段施工方案

鑒于洞口段隧道爆破過程中，爆轟波可以沿著臨空面耗散，對圍巖的擾動較小。因此洞口明挖采用傳統的爆破法施工，洞口段暗挖部分臨空面小，隧道圍巖節理裂隙發育，且掌子面圍巖強度不均勻，為保證爆破后開挖輪廓線與設計開挖輪廓線一致，應采用光面控制爆破施工。

5.1.1 洞口及明洞段開挖

施工順序：邊、仰坡開挖線放樣、開挖→打錨桿孔→安裝錨桿→錨桿注漿→掛網→噴射混凝土→邊、仰坡開挖

完成（可預留一定高度不開挖）→超前大管棚施工→環形開挖預留核心土法開挖進洞（采用光面爆破工藝）。

5.1.2 洞口及明洞段支護

明洞基底允許地基承載力要求≥250 kPa，若施工時發現地基較差或不均勻時應采用漿砌片石或素混凝土處理。明洞襯砌仰拱采用棧橋法全幅施作，采用襯砌臺車模筑法進行拱墻施工，采用定制木模和鋼管支撐作為外模及外支撐，采用預拌混凝土進行整體式泵送灌注，施工中加強各部位的內、外支撐，防止發生模板變形。按設計要求施作明洞防水層，可根據實際情況在外鋪1層厚3 cm的水泥砂漿保護層。防水層在明洞外模拆除后采用人工進行。

5.2 洞身開挖及支護

1）Ⅴ級圍巖段開挖及支護。當洞口仰坡防護完成后，即可進行暗洞開挖。洞口部分的暗洞圍巖均為Ⅴ級圍巖，節理發育、巖體破碎，且一般為軟質，施工時易坍塌或失穩，甚至導致地表的下沉或冒頂。為保證施工安全，采用微振爆破的方法，并按“短進尺、弱爆破、強支護、早成環”的原則組織施工。采用預留核心土環形開挖法對Ⅴ級圍巖段（包括淺埋段）進行開挖施工，并在過程中加強監控，根據監測數據及時調整開挖方法或完善支護參數。

2）Ⅳ級圍巖段開挖及支護。隧道Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖，上臺階每循環進尺為2 m，臺階長度控制在3～10 m。Ⅳ級圍巖隧道開挖的施工工藝：中線、水平測量→噴混凝土封閉開挖面→拱部超前支護→上半斷面鉆眼→裝藥連線→爆破→出渣→噴混凝土封閉巖面→施工系統錨桿→上半斷面二次噴混凝土→下半斷面開挖→下半斷面打徑向錨桿→掛鋼筋網→下半斷面噴混凝土→仰拱襯砌與填充→防水層鋪設→二次襯砌模筑→溝槽路面。

3）Ⅲ圍巖段全斷面開挖及支護。新建隧道Ⅲ級圍巖段巖性較好，采用上下臺階開挖法，根據專家論證意見，進尺不大于2.5 m。為爆破的有效實施，將上臺階每循環進尺2.0 m臺階長度控制在10～20 m。施工工序：中線、水平測量→全斷面鉆眼→裝藥連線→爆破→出渣→巖面初噴混凝土封閉→監測點埋設→徑向錨桿打入及掛網→混凝土二次噴射→圍巖監測→施工防水層→施工二次襯砌。

6 既有隧道裂縫監測及實施效果

在新建大青山Ⅰ號隧道施工過程中，對既有隧道二襯結構裂縫進行了監測。通過對裂縫發展情況的監測，獲得了既有隧道裂縫發展變形數據，如表1所示。

通過對既有隧道二襯結構裂縫監測數據分析，發現既有隧道二襯結構裂縫并未產生較大的發展，在新建隧道施工期間既有隧道裂縫變形趨于穩定。當前新建隧道施工完成后，既有隧道二襯結構運行情況良好，未出現新裂縫。

在新建隧道施工過程中，采用不同圍巖減振爆破參數、施工方法和掘進進尺條件，新建隧道爆破對既有隧道結構振動速度可控制在5.0 cm/s以內，小于規范中要求的10.0 cm/s限值，同時鑒于新建隧道施工期間既有隧道裂縫變形趨于穩定、新建隧道完成后既有隧道二襯結構未出現新的裂縫，可證明本項目采取措施的可靠性和合理性。

7 結語

本文通過將方案比選、理論設計和振動監測相結合的方法，充分考慮新建隧道鄰近既有隧道掘進施工的實際特點，通過對不同地質地段圍巖的隧道采用微振控制爆破技術、環形開挖預留核心土法和三臺階法等施工工法，結合實時振動監測和結構觀測，解決了新建隧道掘進且保證既有隧道襯砌結構安全的難題。

本文所述措施達到了安全施工的目的，節省了大量的既有隧道加固措施費用，并顯著提高了施工速度、縮短了工期，社會和經濟效益明顯。