臨近既有線隧道爆破施工技術研究

郭士維 GUO Shi-wei

（中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊050000）

1 工程概況

2 工程地質

2.1 麻拉寨隧道泄水洞

該泄水洞所處地形總體趨勢為測區中部高東西兩側低的云貴高原斜坡地帶，山脊呈NNE走向。溝槽切割明顯劇烈。喀斯特地貌發育，東西兩側丘陵地貌發育，山頂渾圓，植被較發育。測區基巖大多裸露，為二疊系中統新苑組頁巖、白云巖；二疊系上統長興-大隆組-吳家坪組砂巖、灰巖；二疊系上統吳家坪組硅質頁巖夾煤、灰巖；二疊系下統茅口組灰巖；二疊系下統棲霞組灰巖；二疊系下統梁山組泥巖夾砂巖、灰巖、炭質灰巖、粘土巖；泥盆系上統望城坡-堯梭組組灰巖夾泥灰巖。探明地勘區處于徑向隔槽式褶皺帶的背、向斜結合部，都勻向斜西翼。構造線以北北東向為主，少部顯北西向。受都勻斷裂帶的影響，區內褶皺多被破壞，斷層發育。泄水洞穿越渚拉窩當斷層。總體地下水較發育，主要為碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。

2.2 茅坪山隧道泄水洞（1#泄水洞、2#泄水洞、3#泄水洞）

所處地形中部高四周低的云貴高原斜坡地帶，泄水洞全段穿越碳酸鹽巖分布區，屬于典型的喀斯特構造剝蝕～溶蝕槽谷地貌特點。所處位置槽谷發育，斷層、大型節理構造與槽谷發育的走向基本一致。山體兩側斜坡較陡，坡角達25～40°，多集中排泄地下室，沖溝明顯，勘查區域基巖裸露明顯，構造覆蓋第四系坡洪積紅黏土、粗角礫土，緩坡上多為坡殘積碎石土及人工填土層所覆蓋，下伏基巖為寒武系中統高臺組、寒武系下統清虛洞組及寒武系下統杷榔組地層，總體構造為傾斜構造，構造線的展布方向主體為北向東，少部呈近東西向展布。區內褶皺不發育，但洞身穿越地段地層傾角較小，趨于平緩狀態，多波狀起伏，呈現大范圍撓曲特征，區域發育4條斷層，后山斷裂、隆昌斷層、茅坪山斷層及魚沖斷裂。地下水類型主要有基巖裂隙水、松散土層孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水三種。

3 光面爆破開挖技巧

3.1 光面爆破簡介

為充分發揮圍巖的自穩定能力，以巖體力學理論為基礎，及時支護，采用錨噴支護的方法控制圍巖變形和松弛，充分發揮圍巖的自承載能力，將圍巖作為支護系統的一部分。主要通過毫秒爆破和光面爆破技術，減少對圍巖的擾動，避免對圍巖擾動太大后破損嚴重，從而失穩坍塌。通過對圍巖和支護的量測、監控來指導隧道施工，結合變形情況及內力檢測適時的進行二襯施工，從而形成以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網、鋼支撐為初期支護的柔性支護體系，使得泄水洞在因開挖過程成洞，使山體內應力重新分配，通過適當釋放變形，使得巖體自身的承載能力得到充分的發揮，二次襯砌主要是作為一種安全儲備作用。而光面爆破就是為了最大限度減少開挖對圍巖的擾動，通過沿隧道開挖輪廓線布一圈較密的炮孔，采用間隔和不耦合形式裝藥，使爆破后隧道輪廓不受破壞或少受破壞，超欠挖量小（少超少欠，超欠相抵），輪廓面比較完整平順，圍巖較好時在輪廓面上留有相當數量的炮痕，炮痕率30～100%。輪廓面比較完整平順的一種開挖方法。具體見圖1。

圖1 光面爆破布設炮孔

3.2 鉆爆設計總體說明

為了保證爆破后的開挖輪廓線，避免超欠挖并減少對周邊圍巖及既有鐵路的擾動，保證開挖面的平整規則，采用光面控制爆破。而工程地質狀況是決定光面控制爆破效果的關鍵因素。在施工過程中，結合現場工程地質情況，合理選擇炮孔深度、孔徑、炮孔間距、裝藥類型等鉆爆參數，并結合實際情況，不斷優化。鉆眼采用氣腿鑿巖機，臨空面采用楔形掏槽方式。單位炸藥消耗量應滿足較高的炮眼利用率和降低大塊率要求，并便于機械裝碴。

3.3 光面爆破參數設計

光面爆破不偶合系數：

式中：D——不偶合系數；dk——炮眼直徑cm；di——炸藥直徑cm；α——爆生氣體分子余容系數；P0——爆生氣體的初始壓力，Pa；[σc]——巖石三軸抗壓強度，Pa；r——絕熱指數；

光面爆破周邊眼間距：E=54.2976Kpdi

式中：Kp——抗破壞屈服系數（巖石），具體見表1，di——炸藥直徑，cm；最小抵抗線：炮眼密集度系數即E/W=0.8。

N個感知半徑為Rs的傳感器節點S1,S2,…,SN隨機部署在長為L,寬為W的矩形區域內,假設該無線傳感器網絡具有以下性質:①所有傳感器節點隨機部署后為靜止狀態;②可以通過定位技術確定每個節點的位置;③相對于節點的感知覆蓋范圍,目標區域的面積足夠大,邊界效應可以忽略;④節點采用布爾感知模型,網絡采用網格覆蓋模型;⑤無線傳感器網絡為同構網絡,所有節點(不包括Sink節點)具有相同的參數和初始條件,節點的最大通信半徑Rc和感知半徑Rs無特定關系;⑥網絡無時鐘同步的要求。

表1 巖石抗破壞屈服系數Kp

式中：E——炮眼間距，cm；W——最小抵抗線，cm。

光面爆破炮眼裝填系數：

式中：β——光面爆破炮眼裝填系數；[τ]——巖石抗剪強度，Pa；[σe]——巖石抗拉強度，Pa；L——炮眼深度，cm。

3.4 Ⅲ、Ⅳ級采用全斷面開挖，Ⅴ級采用兩臺階開挖施工方法

①首先按照破空布置圖進行測量放樣，采用紅油漆標注開挖輪廓線，按照圖紙標注掏槽、輔助、周邊眼的位置。采用YT-28型鑿巖機鉆孔，按照設計的角度進行鉆孔，把誤差減到最小，以確保爆破質量。掏槽孔要保證鉆孔角度，在輪廓線內5cm傾斜打設周邊眼，外插腳1°～2°；周邊孔鉆孔誤差環向及徑向符合光面爆破相關要求；掏槽孔不大于3cm，其它孔開眼誤差不大于5cm。②鉆孔完成后，采用小直徑鋼筋及高壓風管孔內吹風，將孔內石屑及雜物清理干凈。經檢查合格后方可裝藥。裝藥分片分組負責，應自上而進行裝藥，裝藥數量及雷管段位嚴格按照爆破網絡設計進行安防，按順序連接起爆網絡，認真檢查復核并依照爆破設計要求和《爆破安全規程》嚴格執行。③采用間隔不耦合裝藥，采用炮泥對炮孔進行有效堵塞，提高爆破效能及炸藥的利用率，降低炸藥用量。裝藥后用炮泥進行認真堵塞，掏槽孔要把不裝藥部分全部堵塞，周邊孔采用不小于20cm的炮泥堵塞，其余炮孔按照不小于最小抵抗線的80%的長度進行堵塞，能夠有效保證爆破的安全及提高炸藥利用率。爆破采用光面控制爆破，非電毫秒雷管起爆。

4 控爆施工工藝

4.1 控爆總體方案

既有線總體爆破方案為：統攬全局、分段實施、防控結合、控制規模控爆參數按照以下條件計算：炮孔直徑42mm，藥卷直徑32mm，藥卷長度20cm，藥卷質量為200 g/條，炸藥為乳化炸藥。爆破雷管采用非電毫秒雷管，控爆方法采用楔形掏槽先爆形成臨空面，然后輔助眼及周邊眼相繼爆破，要求斜鉆孔，密布眼，少裝藥，且爆破時間為天窗點（23：00-5：00）。

4.2 炮孔覆蓋設計方案

炮孔阻塞：炮孔阻塞長度應大于或等于最小抵抗線，阻塞材料采用沙土或者粘土（炮泥）堵塞，嚴禁采用含有尖銳石塊阻塞。

按照既有線不同的邊沿加寬厚度和開挖高度，靈活應用淺孔臺階隔墻防護控制爆破的各項參數，孔網布置，裝藥結構，爆破順序和起爆方法，嚴格控制最小抵抗線方向及炮孔阻塞長度，按照不同的淺孔臺階爆破參數。

4.3 爆破后檢查內容

①爆破后超過5分鐘方可準許檢查人員進入爆破作業地點，如不能確認有無盲炮，應經過15分鐘后才可進入檢查。②地下爆破有無瓦斯及地下水流出，有無冒頂、危巖、支撐是否破壞，有毒氣體是否排除。③在爆破警戒區內公共設施寫明警示，嚴禁其他無關人員進入爆破區，檢查人員應將檢查獲得的情況立即報告工作領導人，對重要的爆破工程項目應填寫“爆破后檢查記錄表”，發現盲炮或其他險情應立即上報并請示處理，在處理前應在現場設立危險標志，禁止無關人員進入。發現殘存的爆破器材應收集上交，集中銷毀。

5 爆破參數（具體見表2、表3）

表2 光面爆破參數表

表3 爆破器材選擇表

炮眼布置原則：布置炮眼時，先布置掏槽眼，其次周邊眼，最后輔助眼。掏槽眼布置在導坑的中央或者偏下方，為充分發揮掏槽眼創造臨空面的作用，比其他炮眼深10cm；其他炮眼（除底眼外）深度要一致，眼底應落在一個平面上。掏槽范圍一般為1.6×1.6m；周邊眼應嚴格沿設計開挖輪廓線均勻布置為40cm，幫眼和頂眼間距在堅硬巖層中和周邊眼的深度一致；在中硬巖層中正好為達到坑道的邊界；軟巖中在導坑邊線以內10cm；底眼不論在任何情況下都超出導坑邊界10cm，深度與掏槽眼深度一致。周邊眼和掏槽眼之間距離過大時，應適當布置輔助眼，間距80cm-100cm。合理布置掏槽炮眼是直接關系到坑道的掘進效率和炮眼的利用率，但掏槽的形式、掏槽炮眼的深度、掏槽眼的深度、掏槽眼的數目、間距及角度都是重要的因素。掏槽的形式一般分為斜眼和直眼兩種，我們一般采用斜眼垂直楔形掏槽，缺點是沒有直眼掏槽進尺大。

6 爆破震速監控

參考國家標準規程爆破振動安全允許標準，具體見圖2。

圖2 國家標準規程

振動波示意圖，具體見圖3。

圖3 振動波示意圖

泄水洞與隧道位置斷面示意圖，具體見圖4。

圖4 泄水洞與隧道位置斷面示意圖

6.1 調整測振采集儀安裝位置方案

測振采集儀原安裝位置在側溝電纜槽的通信信號槽內，由于貴州凱里地區進入雨季，隧道內過水量增大，導致電纜槽內存在積水、過水情況，對采集儀造成嚴重威脅，為保證采集設備安全，測振工作的順利進展，將原安放在電纜槽內的采集儀位置調整至襯砌結構上。具體見圖5。

圖5 測振采集儀安裝

6.2 布置原則

①最大振動斷面的位置和方向監測；②爆破地震效應的跟蹤監測，爆破地震波衰減規律監測；③本項目監測以地震波質點的振動速率作為衡量地震波強度的標準。

6.3 監測點的布置

根據現場實際情況以全斷面開挖作為代表工況對爆破振動進行數值模擬并結合爆破振動傳播規律及以往經驗，在隧道斷面上，近爆源一側的振動峰值大于遠爆源一側，因此在現場監測中應將測點布置在近爆源處。針對既有隧道現場不易放置測點的位置，例如拱頂、拱底、拱腰處，現場監測時采用替代測點的方法進行處理。①襯砌結構監測點布置。襯砌結構監測點考慮震源位于隧道靠下，隧道襯砌監測點布置在最靠近震源一側的襯砌邊墻處。布置三矢量傳感器，具體位置見圖6：根據圖6“監測點位置”，襯砌結構監測點布置在側溝電纜槽頂面與襯砌交接處。②接觸網支柱監測點布置。鑒于本隧道已運行，可不在接觸網支柱上直接布置監測點；根據爆破振動傳播規律以及以往經驗，結合泄水洞與正洞位置關系，接觸網支柱的振動監測以襯砌結構處監測點作為替代點，間接反映爆破振動對接觸網支柱的影響。③道床結構監測點布置。道床結構監測點布置在靠近震源一側的道床板頂面左側邊緣處。道床結構監測點處布置一個豎直向傳感器。具體位置見圖7。④變壓器設備監測點布置。由于正洞變壓器設備安裝與變壓器專用洞室中，變壓器設備監測可通過監測洞室處襯砌結構來反映變壓器設備的震動速度。

圖6 襯砌結構監測點位置

圖7 道床結構監測點布置