金臺(tái)鐵路長(zhǎng)大、重難點(diǎn)隧道施工技術(shù)研究

燕超

（金臺(tái)鐵路有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 318000）

1 工程概況

金臺(tái)線位于浙江省中東部的金華地區(qū)和臺(tái)州地區(qū)，地形地貌多樣，經(jīng)過(guò)的地貌單元主要有河谷平原區(qū)、垅崗狀低丘區(qū)、低山丘陵區(qū)和中山區(qū)，隧道穿越的地形復(fù)雜、地質(zhì)條件較差[1]。金臺(tái)鐵路隧道的特點(diǎn)及難點(diǎn)為淺埋段多、地表水系發(fā)育、地下水發(fā)育、巖爆、部分隧道洞口危巖落石發(fā)育、斷層破碎帶以及臨近既有隧道等。秀山隧道全長(zhǎng)3356m，是TSG-2 標(biāo)段的重難點(diǎn)工程。秀山隧道中II、III 級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)的70%，地質(zhì)條件復(fù)雜，水量較豐富。隧道高度8.49m，寬度7.68m，設(shè)計(jì)最小開挖半徑為3.39m，斷面方量為56.25m3。

2 施工技術(shù)研究

2.1 施工準(zhǔn)備

所有隧道在施工前都需要進(jìn)行實(shí)地考察工作，核查地形條件等。施工前做好洞口的邊仰坡防護(hù)，做好洞口的截水天溝。通過(guò)施工前的準(zhǔn)備，對(duì)施工過(guò)程中所存在的各種地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)其制定相應(yīng)的緊急預(yù)案，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行信息化監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)施工，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量技術(shù)對(duì)圍巖各項(xiàng)參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行收集，來(lái)優(yōu)化施工方案。

2.1.1 施工供電

施工用電從就近電力局提供的電源接口引入，各施工口配備相應(yīng)的箱式變壓器，在施工前各洞口配備1 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組及配備的自動(dòng)切換裝置同時(shí)作為接入系統(tǒng)斷電后備用措施。為保證用電安全，隧道內(nèi)電線用橡膠電纜，并掛設(shè)在隧道右側(cè)邊墻上，進(jìn)洞電線采用四相五線制，采用封閉式配電箱,照明采用高壓鈉燈，每10m 設(shè)置一個(gè), 懸掛在軌面線以上2.5m 的位置。其中動(dòng)力電源為380V電壓，照明電壓、作業(yè)地段采用36V。

2.1.2 施工用水、隧道通風(fēng)

洞內(nèi)施工用風(fēng)、用水管線，結(jié)合施工方法、進(jìn)度安排、工序配合等條件安裝。隧道施工所用高壓風(fēng)由兩臺(tái)20m3的空壓機(jī)組提供，通過(guò)Φ150mm鋼管輸送至各工作面使用，鋼管設(shè)置在隧道一側(cè)。

施工用水通過(guò)洞口修筑的150 m3或100 m3（對(duì)于短隧道采取洞口設(shè)置水箱,采用增壓泵供水）蓄水池接進(jìn)到隧道，通過(guò)Φ100mm鋼管輸送到掌子面滿足施工使用。

洞內(nèi)風(fēng)、水管線設(shè)置在電纜線路的對(duì)面一側(cè)，不得妨礙交通運(yùn)輸。管線敷設(shè)平順，接頭嚴(yán)密，不漏風(fēng)、不漏水。

2.1.3 隧道出碴

隧道廢碴通過(guò)裝載機(jī)運(yùn)輸，通過(guò)結(jié)構(gòu)施工隧道的實(shí)際情況配置挖樁機(jī)數(shù)量，組成“挖裝運(yùn)”一體的作業(yè)線。并做好碴場(chǎng)四周排水系統(tǒng)，避免二次污染。

2.1.4 洞內(nèi)排水

反坡施工段排水將通過(guò)移動(dòng)的泵站將隧道中的水抽至固定泵站中，再通過(guò)固定泵站將儲(chǔ)存在其中的水排出到洞口外隧道上坡方向段利用隧道的坡度及水的重力，讓其自然排水，通過(guò)沿著排水溝流出隧道。

2.2 聚能水壓爆破施工技術(shù)研究

2.2.1 聚能水壓爆破原理

聚能管水壓爆破就是將光面爆破中的藥卷、引線通過(guò)聚能裝置來(lái)替換[2]。炸藥爆炸后，應(yīng)力波在傳播過(guò)程中同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，“空孔”會(huì)使得炮孔之間的巖體的初始裂隙很大，并且受到爆炸作用的影響，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，聚能裝置產(chǎn)生的高溫高壓作用也會(huì)割裂巖石，有利于裂縫的發(fā)展開裂。聚能管光爆炮孔通過(guò)使用水沙袋對(duì)其進(jìn)行填塞，可以將炸藥爆炸產(chǎn)生的氣流儲(chǔ)存在炮孔中，由此產(chǎn)生的爆破效果會(huì)比普通光面爆破的效果大很多，更有利于使裂縫進(jìn)行下一步延伸擴(kuò)大。聚能水壓爆破不僅能夠保證光面爆破的爆破效果，還能改善作業(yè)條件，大大保障施工人員的身體健康。

2.2.2 聚能管裝藥技術(shù)

2.2.2.1 聚能管參數(shù)

聚能管采用一種抗靜電阻燃的特種塑料管，形狀為D形壁管，管長(zhǎng)1.0、1.5、2、2.5、3.0 m不等。聚能管根據(jù)炮孔深度可長(zhǎng)可短，是由一個(gè)D 形壁管和一個(gè)蓋條組成，管壁厚2mm，聚能槽為D形壁管凹進(jìn)去的槽[3]。聚能管截面尺寸如見(jiàn)圖1 所示。

圖1 聚能管截面尺寸

2.2.2.2 聚能管裝置的組裝方法

聚能水壓爆破中，在施工現(xiàn)場(chǎng)較為常用的起爆器材是傳爆線和起爆雷管，且起爆雷管段別是與普通光爆相同的。往D形壁管注藥需要?dú)鈩?dòng)膠槍、空壓機(jī)和氣包等設(shè)備，注藥槍長(zhǎng)45 cm，重0.8 kg；小型空壓機(jī)為一般市面上的空壓機(jī)，功率800 W。

往半壁管注藥步驟：

第1 步把將藥卷的包裝打開，將兩個(gè)藥卷組合置入槍筒中，擰緊蓋子；

第2 步給注藥槍加壓，其壓力為0.2～0.3MPa；

第3 步通過(guò)使用注藥槍，將炸藥緩緩注入D 形壁管中，延米裝藥量為0.4～0.45kg；

第4 步在注好炸藥的D 形壁管中放置一根導(dǎo)爆索，然后將蓋條扣上，兩端分別套上定位塊（方形和圓形）并綁扎固定，特別注意方形定位塊距聚能管頂端25cm,圓形定位塊距離聚能管底部100cm；

第5 步在聚能管底部裝半只乳化炸藥（Φ32mm）并用專用連接件固定在聚能管上，聚能管基本組裝好。組裝好的聚能管如圖2 所示。

圖2 組裝好的聚能管

2.2.3 聚能水壓爆破施工的技術(shù)要點(diǎn)

2.2.3.1 周邊孔參數(shù)的確定

聚能水壓爆破的流程和普通的光爆大致相同，所需要用到的工具和相關(guān)工藝沒(méi)有區(qū)別。最大的差別就是周邊眼的布置。光面爆破布置周邊眼的間距在40～50cm，聚能水壓爆破的間距在80～100cm。若想適當(dāng)減小周邊孔的間距。則需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)起拱線、圍巖發(fā)育等視情況而定。首個(gè)周邊眼和底角眼的距離一般為50cm?？椎鬃畲笸獠宄谏疃?0～15cm，周邊孔與輔助眼之間的距離大于50cm為宜，輔助眼與周邊眼采用的布孔方式為梅花布孔[4]。

①孔距a＝80～100cm；

②排距b≥50cm；

③孔徑D＝42cm；

④聚能管延米藥量等于0.4～0.45kg；

⑤抵抗線W＝50cm。

爆破周邊孔布孔示意圖如圖3 所示。

圖3 爆破周邊孔布孔示意圖

2.2.3.2 裝填操作步驟

在填裝炸藥之前，需要將聚能管安裝相關(guān)規(guī)定要求，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)掌子面，炸藥的裝藥步驟如下[5]：

第1 步向炮孔最底部填裝一只炸藥；

第2 步將不同段別的雷管，安裝其對(duì)應(yīng)位置，反向插入裝藥管的底部；

第3 步往炮孔中填裝聚能管，填裝至點(diǎn)位點(diǎn)時(shí)，將聚能槽的反向進(jìn)行調(diào)整，并將其送入孔底；

第4 步在距離周邊孔附近30cm 處裝填水沙袋，將所有的周邊孔裝填好后，安裝原有計(jì)劃進(jìn)行起爆。聚能管光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 單線隧道水壓爆破

聚能管裝填時(shí)要確保聚能管凹槽方向與相鄰周邊眼連線一致，即聚能管的定向聚能斷裂方向?yàn)橹苓呇鄣那芯€方向。因此開挖斷面為弦線的連接線，由于單線隧道半徑小，為3.39m，拱部采用80cm周邊眼間距會(huì)出現(xiàn)弦高小于半徑的情況。計(jì)算如下：弦高為b，半徑為r，圓心角為α，弧長(zhǎng)為c，則：

弦高b=cos（c/2r）*r=cos（0.8/2/3.39）*3.39=3.366m；

侵限值d=3.39-3.366=0.024m；

由此可得按照原斷面周邊眼布孔最大侵限值為2.4cm。

因此，周邊眼采用聚能管水壓爆破，原設(shè)計(jì)半徑為3.39m時(shí)，周邊眼采取爆破參數(shù)為：孔距80cm，半徑加大3cm，示意圖如圖5 所示。

圖5 孔距與半徑示意圖

3 經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

3.1 爆破作業(yè)消耗對(duì)比

通過(guò)將普通光爆和聚能水壓爆破施工相比，聚能水壓爆破主要是在導(dǎo)爆索和鉆孔方面有較大節(jié)約資金。

3.2 出渣作業(yè)消耗對(duì)比

采用聚能水壓爆破，不僅減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度，保護(hù)了圍巖，還能減少爆破面超挖的情況，使得爆破效果大大提升，減少了每次循環(huán)的出渣量。

3.3 噴射混凝土效果對(duì)比

對(duì)于普通光面爆破，極易產(chǎn)生超挖現(xiàn)象，且超挖的部分需要通過(guò)噴射混凝土進(jìn)行填充，若超挖的部位過(guò)大，還需要通過(guò)設(shè)置鋼筋網(wǎng)進(jìn)行加固，噴射混凝土還有一個(gè)缺點(diǎn)就是回彈率較大。而通過(guò)采用聚能水壓爆破施工后，超挖現(xiàn)象明顯減少，爆破部位平整度很好。通過(guò)施工材料的統(tǒng)計(jì)，每次爆破循環(huán)都可以減少9m3噴射混凝土的使用量，還能節(jié)省電費(fèi)、人工費(fèi)等，每次循環(huán)爆破能為施工節(jié)省較多資金，為綠色施工，低碳施工指引了方向。

3.4 防水板施工效果對(duì)比

隨著光面爆破效果的提高，初支平整度較好，鋪掛防水板、土工布的效率也得到提高，原來(lái)鋪掛防水板需要3 個(gè)工人施工，現(xiàn)在僅需兩個(gè)鋪掛防水板工人，可以節(jié)省人工工資。

3.5 二襯襯砌施工效果對(duì)比

隨著光面爆破效果的提高，既保證了二襯混凝土的結(jié)構(gòu)厚度，有減小了二襯混凝土的超耗系數(shù)，9m臺(tái)車每次澆筑8.9m，設(shè)計(jì)方量61m3，采用聚能爆破前每次澆筑平均方量為105m3，目前每次澆筑方量平均值為87m3。

3.6 工序時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 工序?qū)嶋H對(duì)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行循環(huán)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)循環(huán)將耗時(shí)10.77h，每個(gè)循環(huán)減少了25 個(gè)鉆孔，鉆孔的時(shí)間聚能水壓爆破將比普通光爆減少25 分鐘左右，裝藥及出碴能節(jié)約30min，噴錨量減少使噴射混凝土?xí)r間縮短35min 左右。每循環(huán)合計(jì)節(jié)約時(shí)間1.5 小時(shí)。

二襯施工時(shí)間節(jié)約主要是混凝土澆筑方量較原來(lái)減少了18m3/模，澆筑時(shí)間有原來(lái)的10 小時(shí)縮短到了8 小時(shí)。

3.7 技術(shù)效果對(duì)比

通過(guò)采用聚能爆破的施工方法，與傳統(tǒng)的光面爆破相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)[6-7]：

（1）炮眼殘留率：由原來(lái)的70%左右提高到90%以上；（2）周邊眼之間存在的剪切應(yīng)力由于爆破沖擊而增大，由此，炮眼之間的由鼓凸造成的超欠挖現(xiàn)象大大減??；（3）周邊眼的掛口現(xiàn)象，在光面爆破中無(wú)法消除，而由于聚能爆破的裝藥是連續(xù)的，從而可以消除該現(xiàn)象；（4）光面爆破對(duì)周邊眼的要求較為嚴(yán)格，而聚能爆破恰恰可以大大減少周邊眼的數(shù)量，從而提高爆破的質(zhì)量；（5）聚能爆破能夠減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，對(duì)局部的超挖情況也有較大的改善。光面爆破技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 光面爆破技術(shù)參數(shù)表

4 結(jié)論

隨著我國(guó)軌道交通的日趨成熟，長(zhǎng)大隧道施工技術(shù)的發(fā)展建設(shè)，對(duì)于施工質(zhì)量的把控愈發(fā)嚴(yán)格。本文結(jié)合通過(guò)長(zhǎng)大、重難點(diǎn)隧道的施工特點(diǎn)，結(jié)合本項(xiàng)工程實(shí)際，對(duì)于采用新型爆破技術(shù)的秀山隧道的施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

經(jīng)過(guò)15 個(gè)循環(huán)的光面爆破試驗(yàn)，與傳統(tǒng)爆破施工相比，采用聚能水壓爆破有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）技術(shù)效果有顯著提升：聚能管光面爆破技術(shù)通過(guò)聚能管的高溫高壓射流切割作用，保證光面爆破效果。嚴(yán)格控制聚能槽的方向，使炸藥的作用力集中在切線方向，減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，平整度有顯著提升，支護(hù)量相應(yīng)減少。水袋爆破后具有降塵的作用，對(duì)于改善作業(yè)環(huán)境有顯著效果。

（2）縮短工序時(shí)間：周邊眼間距由原來(lái)的40-50cm，擴(kuò)大到80cm，周邊眼鉆孔量減少一半，鉆孔時(shí)間縮短25min左右；簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)周邊眼裝藥及連線工作強(qiáng)度，裝藥時(shí)間縮短10min 左右；出渣及排險(xiǎn)時(shí)間節(jié)約20min，平整度提升，減少了初期支護(hù)噴射混凝土?xí)r間，節(jié)約35min 左右。總體每循環(huán)節(jié)約時(shí)間1.5 小時(shí)左右。

（3）節(jié)約成本：通過(guò)光面聚能水壓爆破施工技術(shù)的使用，能夠?yàn)槭┕す?jié)約大量人力物力，節(jié)省大量資金。

作為新型的光面爆破方法，聚能光面爆破施工技術(shù)在單線隧道的光面爆破掘進(jìn)過(guò)程中具有爆破效果比傳統(tǒng)光爆效果更好，經(jīng)濟(jì)效益更佳，環(huán)境保護(hù)程度更好的優(yōu)點(diǎn)，符合新時(shí)代土建工程綠色低碳的環(huán)保理念，值得在軌道交通隧道工程施工中進(jìn)行廣泛推廣。