新建鐵路隧道上跨爆破施工對既有鐵路隧道振動影響探析

范德全

(中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司 福建福州 350013)

0 引言

隨著我國交通的快速發展，隧道上跨或下穿已有隧道的情況越來越常見[1-3]，因新建隧道施工而造成的既有隧道結構破壞也隨之增多[4-5]。如何確保新建隧道對既有隧道結構安全的影響，滿足其正常的運營要求，是交叉隧道施工中的重難點問題[6-7]。

針對這一問題，國內外學者開展了大量的研究工作。如陳衛忠等[8]結合現場振動安全的施工要求，采用數值計算提出交叉段合理施工工法。祝康[9]采用有限元模擬方法，開展了新建公路隧道爆破施工對既有高鐵隧道的影響分析。李君君等[10]依托新建巴萬高速公路羊子嶺隧道上穿既有襄渝二線羊子嶺鐵路隧道工程，開展新建公路隧道上穿鐵路隧道的施工力學行為研究。王勇等[11]以重慶紅巖村隧道上跨既有軌道環線隧道工程為例，采用有限元模擬方法，開展了新建公路隧道小凈距上跨施工對既有地鐵隧道影響的分析。于建新等[12]基于傳感、光電轉換以及遠距離傳輸等技術，開展了新建公路隧道上穿既有供水隧洞施工安全監測技術研究。以上研究，對實現新建隧道順利上跨施工起到重要的作用。但是，以上研究主要側重新建隧道對既有隧道的穩定性及力學行為等方面，針對新建隧道上跨施工對既有隧道的爆破振動響應研究，還較為缺乏[13-14]。

本文以興泉鐵路綠谷二號隧道上跨既有福廈鐵路陳壩隧道為工程依托，進行了危險源辨識。在隧道最大裝藥量的計算基礎上，開展了隧道控制爆破方法設計的分析，確定了爆破參數，并進行了爆破振動安全影響分析。最后，對施工期爆破工程防護措施提出了一些建議。

1 工程概況

興泉鐵路綠谷二號隧道地處福建省惠安縣境內，起訖里程HLDK18+242 ～ HLDK19+145，全長903 m。隧道為單線隧道，隧道最大埋深54 m。該隧道在樁號為HLD1K19+093.4處上跨既有福廈線鐵路陳壩隧道(凈距23 m)，與既有隧道夾角約為64°。既有陳壩隧道全長1359 m，如圖1所示，為綠谷二號隧道與福廈陳壩隧道立面關系圖。

圖1 綠谷二號隧道與福廈陳壩隧道立面關系圖

2 隧道爆破方案設計

2.1 危險源辨識

爆破時，對爆區附近保護對象可能產生有害影響。如爆破引起的振動、個別飛散物、空氣沖擊波、噪聲、水中沖擊波、動水壓力、涌浪、粉塵、有害氣體等。根據工程實際情況，該工程危險源主要如下：

(1)根據工程的設計資料，爆破區距既有陳壩隧道最小豎向距離為23 m。因此，較大的爆破振動會對既有福廈鐵路設施造成危害，從而影響既有鐵路的安全運營。

(2)其它危險源：如爆破飛散物、空氣沖擊波、粉塵等。由于既有隧道位于新建隧道下方，且起爆位置距離既有隧道進出口距離較遠(距離陳壩隧道進口275 m，出口1084 m)，故其它危險源的影響較小。

2.2 爆破方案選定及單段允許藥量計算

(1)爆破方案選定

綠谷二號隧道鄰近既有杭深鐵路HLD1K18+242 ～ HLD1K19+050范圍內，需要采用控制爆破施工的里程，長度為808 m。其中V級圍巖198 m，IV級圍巖520m，III級圍巖90 m。

根據隧道基本情況，隧道明洞爆破采用淺孔爆破法施工。隧道內采用毫秒延期控制爆破：IV級圍巖和V級圍巖采用兩臺階開挖法進行開挖，V級圍巖上臺階開挖每循環進尺不大于0.8 m，IV級圍巖上臺階每循環進尺不大于2.4 m；隧道III級圍巖采用兩臺階法或全斷面開挖法，III級圍巖較差地段控制在2.0 m ～ 3.0 m進行設定。

(2)單段允許藥量計算

爆破施工過程中，需根據爆區實際周邊環境，選取合理地單段齊爆藥量，并控制一次爆破規模。以爆區最薄弱保護對象進行允許藥量控制，確保爆破有害效應不影響周邊保護物。其計算公式如下：

(1)

式中，Qmax為最大單段允許用藥量，kg；v為振動速度控制標準，cm/s；R為爆源中心至震速控制點距離，m；K、a分別為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。K取150，a取1.5。

通過式(1)計算，各部分每次爆破的允許最大裝藥量如表1～表2所示。由表1～表2可知，最近處爆點的最大單段藥量允許值隨著爆區的移動，與保護對象的距離發生了變化，其最大單段藥量允許值也隨之發生變化。因此，需以實際距離確定最大單段藥量允許值。

表1 天窗點施工地段同段最大裝藥量計算表

表2 臨近施工地段同段最大裝藥量計算表

單位炸藥消耗量按照式(2)進行驗算，所得隧道單耗如表3所示。

(2)

式中，S為隧道掘進斷面積，單位(m2)；K0為考慮炸藥做功能力的校正系數，取值為2.02；f為巖石普氏系數。

表3 隧道單耗估算表

根據隧道斷面，隧道各部分每次爆破單段藥量，需控制在設計單段允許藥量內，確保單次爆破總藥量不得超過200 kg。

3 隧道控制爆破

隧道洞身以IV級圍巖為主，故本文僅以IV級圍巖為例進行隧道控制爆破方法分析。IV級圍巖的爆破施工點距福廈鐵路陳壩隧道最小斜距為120 m(大于100 m)，采用天窗點外臨近營業線控制爆破施工，振動速度按1 cm/s標準控制。根據表2計算結果可知，每次爆破時最大單段允許炸藥用量控制在40 kg以內。

(1)炮眼布置

①周邊眼間距E=50 cm，光爆層厚度W=55 cm。輔助孔孔間距a=90 cm，底眼孔間距取75 cm，排距均為b=90 cm，根據具體條件可適當調整。

②由于IV級圍巖比較松軟，故采用楔形掏槽，二層共四排掏槽孔，如圖2所示。楔形掏槽孔1深度1.45 m，掏槽孔2取2.8 m，孔底距20 cm，孔口距為140 cm分布，鉆孔斜度由60°～75°分布。掏槽眼從上臺階底線上方80 cm處向上布，炮眼數為12個。

③起爆方式為孔內微差起爆。

④每循環掏槽眼區位于斷面中線，取中央偏下位置。

圖2 楔形掏槽示意圖

(2)孔網參數與裝藥量

①預估炮眼數量

炮眼數量按式(3)計算：

N=qs/γη

(3)

式中，q為開挖每立方炸藥消耗量，取0.804 kg/m3；s為開挖面積，取61.03 m2；η為炮眼裝藥系數，取0.4；γ為每m長度炸藥的重量。

通過計算得出，炮眼數量為N=98個孔；另設單個導洞掏槽孔6個，周邊孔42個。

②炮眼深度

考慮到IV級圍巖及爆破振動控制要求，上臺階每循環進尺按2.4 m設計，則炮眼的平均深度取2.5 m，掏槽眼深度取2.7 m。下臺階每循環進尺為2.4 m，炮眼的平均深度取2.5 m。

③炮眼裝藥量

每個炮眼裝藥量可按式(4)計算，即：

Q=ηlr

(4)

式中，η為炮眼裝藥系數，掏槽眼取0.5，輔助眼取0.4，周邊眼取0.2；l為炮眼深度；r為每m長度炸藥量。

IV級圍巖兩臺階法開挖上臺階時，按照式(4)計算，可得炮眼參數匯總如表4所示。開挖下臺階時，炮眼參數匯總如表5所示，炮眼布置圖如圖3所示。

表4 單線Ⅳ級圍巖上臺階爆破參數表

表5 單線Ⅳ級圍巖下臺階爆破參數表

(3)填塞長度

堵塞長度L= (20～30)d，d為炮孔直徑mm。淺孔爆破的填塞長度一般取20倍孔徑，孔徑φ42 mm的爆破孔填塞長度大于0.8 m，并且采用密度較大的粘土進行密實堵塞。對于堵塞段無水的炮孔，孔口一律用濕黃土，土中不得夾有石塊。堵塞時，應邊填土邊輕輕搗實，少填勤搗，防止卡孔。有水的炮孔采用細沙堵塞，不得夾雜塊徑超過3 mm以上沙子。

(4)裝藥結構

掏槽眼和輔助眼采用連續裝藥結構，周邊眼采用空氣間隔裝藥，裝藥結構示意圖如圖3所示。

圖3 裝藥結構示意圖

4 爆破安全影響分析

4.1 爆破振動安全

爆破振動安全校核可采用式(5)進行計算：

(5)

式中，v為保護對象所在地質點振動速度，單位(cm/s)；Qmax為延時爆破時最大一段藥量，單位(kg)；R為保護對象距離爆破點振動距離，單位(m)；K、a分別為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。K取150，a取1.5。

滿足臨近營業線控制爆破施工安全要求。

4.2 爆破飛石安全

飛石的飛散距離受地形、風向和風力、堵塞質量、爆破參數等的影響，本文采用式(6)經驗進行計算：

Rf=20n2WKf

(6)

式中，Rf為爆破飛石安全距離，m；Kf為安全系數，一般取K為1.0 ～ 1.5；n為爆破作用指數，n取0.7；W為最小抵抗線，m。

本工程為增加安全性，取安全系數K=1.5、n=0.7、W=0.8，故:

Rf=20n2WKf=20×0.72×0.8×1.5=11.8 m

本次飛石能產生的最遠距離為11.8 m，參考《爆破安全規程》(GB6722-2014)[15]，并結合周邊環境因素，在安全防護到位的前提下，以爆區以100 m作為警戒范圍。

4.3 爆破沖擊波安全

空氣沖擊波到達一定值后，會對周圍人員、建筑物和設備造成破壞。鉆孔爆破超壓采用式(7)計算：

(7)

式中，K、a為經驗系數、經驗指數，一般爆破K=1.48，a=1.55。

將Q= 50 kg，R=100 m，代入公式后，計算得ΔP=0.009×105Pa，空氣沖擊波超壓值小于空氣沖擊波超壓的安全允許標準0.02×105Pa，能確保在離爆區中心100 m范圍內能確保人員不受傷害。

4.4 爆破有害氣體安全

有害氣體的安全距離按式(8)計算：

Rg=(0.833KiQb∑Δ)/S

(8)

式中，Rg為有毒氣體的安全距離，m；K為通風系數，通風時0.84，不通風時取1，本次取1計算；i為爆破工作面相通連的巷道數目有關的值，取1.0；Q為炸藥量(kg)，總藥量取250 kg；b為每千克炸藥產品的有毒氣體量，一般為0.9m3/kg；∑△為爆區炮煙通往附近巷道的總體積(m3)，取2.5；S為作業斷面面積，以隧道上臺階面積計算S=65 m2。

通過式(8)計算得到的Rg為8.27 m，爆破作業后炮煙安全允許在8.27 m，需充分做好排氣通風工作，待爆破作業點有害氣體徹底排除后，作業人員方可進洞檢查和作業，必要時可用水噴灑爆堆。

4.5 爆破噪音和粉塵安全

爆破時，產生噪音擴散和衰減很快，影響較小，爆破時應做好通知告示等，避免爆區周邊不知情人員驚嚇和恐慌。爆破時，人員應撤出距爆點正前方300 m外的安全地點。施工中做好機械通風工作，保證每個人每分鐘有3 m3新鮮空氣。爆破后需及時排氣通風，并用噴水降塵的方法，確保人員安全。

5 爆破工程防護措施

爆破工程對既有工程的影響主要為爆破振動，除了滿足一次齊爆最大用藥量要求外，還應采取以下措施。

(1)對爆破振動進行監測，根據爆破振動監測數據，嚴格控制每次爆破規模、最大單響裝藥量。

(2)用多段微差起爆技術，變能量一次釋放為多次釋放，減小每次爆破的能量；將振幅較大的地震波變成多個振幅較小的地震波，從而減小爆破振動的強度。分段越多，振幅越小，爆破振動也越小。秒差爆破的地震波強度取決于其中最大的一段藥量。

(3)嚴格按照被保護目標的抗震能力，及其與爆點的相對距離等確定的一段(次)最大起爆藥量進行裝藥和分段，把爆破震動引起的地面質點振動速度，控制在周圍需保護設施所允許的振動速度(即安全震動速度)以下，確保被保護目標的安全。

6 結語

(1)結合隧道基本情況，確定不同圍巖級別的爆破方案。通過單段允許藥量計算可知，爆點的最大單段藥量允許值，隨著與保護對象的距離的增大而逐漸增加。圍巖等級越高，其隧道單耗估算值越大。

(2)按照對既有隧道振速不大于1cm/s的控制指標，進行IV級圍巖的爆破方案設計，并確定爆破參數。

(3)通過對爆破安全影響分析可知，爆破振動滿足臨近營業線控制爆破施工安全要求；爆破飛石、空氣沖擊波、有害氣體及粉塵等對既有隧道結構的影響可忽略，并提出相應的爆破防護措施。