草籽崗隧道爆破施工影響分析

馬運新　傅鶴林　李朋　黃齊兵

摘要：草籽崗隧道臨近既有杭深鐵路大山腦隧道，此為該隧道工程爆破施工的難點。文章分析了隧道爆破對近接既有運營隧道的影響，提出彈性區的振動波是對既有隧道造成損傷的主要原因，并提出了針對性的施工方案。

關鍵詞：地質條件;隧道近接;爆破;監測

中圖分類號：U455.6

0 引言

鉆爆法由于具有工序簡單、經濟合理等優點，在地下工程施工中被廣泛應用。但是，該法也給距爆炸源一定范圍內已開挖地下工程的安全和穩定帶來了重大影響[1]。

李興華等[2]采用波函數展開法，推導了無限巖石介質中爆破地震波作用下隧道圍巖動應力集中系數的表達式;葉培旭等[3]結合南山下隧洞下穿溫?？瓦\專線錢倉山隧道工程，實時監測了近距離交叉隧洞爆破施工對既有隧道的振動影響，發現采用導洞先行預留光面爆破，導洞爆破掏槽眼、周邊眼及底板眼分開起爆，控制最大段裝藥量等措施，可有效地降低爆破振動影響，控制其對近接隧道的影響;王新宇等[4]為保證既有線的安全運營，采用ANSYS LS-DYNA軟件建立了隧道的有限元模型，結合既有線振動速度的實測數據，采用質點振速判據評估了下穿隧道爆破施工時既有線結構的安全性，保障了下穿隧道施工時既有隧道的運營安全;文獻[5-7]通過模型實驗對圍巖在爆破振動作用下的動態響應進行了研究;文獻[8-12]通過現場的監測工作和數據反饋，動態調整和優化了具體洞段的鉆爆參數及工藝，確保了隧洞安全順利穿越敏感區域。

本文依托G228陸埠互通及S319丈亭互通草籽崗隧道工程，在重難點施工分析基礎上研究隧道爆破對近接既有運營隧道的影響，并給出相應的施工方案，為近接既有隧道爆破施工提供指導與借鑒。

1 項目概況

G228陸埠互通及S319丈亭互通工程位于浙江省慈溪市、余姚市境內，線路在余姚市丈亭鎮梅溪村南部需對草籽崗隧道進行穿越。該隧道最大埋深為130 m，為雙向六車道，公路等級為一級，設計時速為80 km/h。該隧道左右洞分離，左洞和右洞均>1 000 m，為分離式長隧道。隧道設置表如表1所示。

草籽崗隧道左線全長為1 130 m（起止里程為ZK25+840～ZK26+970），其中Ⅴ級圍巖長135 m，Ⅳ級圍巖長405 m，Ⅲ級圍巖長590 m;右線全長為1 180 m（起止里程為YK25+800～YK26+980），其中Ⅴ級圍巖長130 m，Ⅳ級圍巖長485 m，Ⅲ級圍巖長565 m。進口端明洞長約10 m，左右雙洞洞門均采用端墻式洞門;出口端明洞長約20 m，左右雙洞洞門均采用削竹式洞門。隧道單洞行車道為3×3.75 m，單洞建筑限界總寬度為14 m，凈高為5 m。隧道圍巖分級如表2所示。

由表2可知：草籽崗隧道左洞圍巖以Ⅲ級、Ⅳ級為主，其中Ⅲ級圍巖約占50%，Ⅴ級圍巖最少，圍巖工程性質較好;右洞以Ⅲ級、Ⅳ級圍巖為主，Ⅲ級、Ⅳ級圍巖長度相當，Ⅴ級圍巖最少，圍巖工程性質較好。在Ⅳ～Ⅴ級圍巖處，應加強支護，并及時襯砌;在溝谷、構造作用處及兩側附近，地下水富集，隧道開挖易產生滲水、淋水等問題，建議加強超前預報。

2 難點分析

雖然隧道路線走廊帶內未見對路線方案選擇有重大影響的不良地質作用，總體適宜項目建設，但草籽崗隧道臨近既有杭深鐵路大山腦隧道，此為該工程的難點。草籽崗隧道出口端與大腦山隧道水平相距大約965 m，而進口端距大山腦隧道較近，水平相距大約50 m。

新建勝陸公路東西分幅，均以路塹跨越杭深鐵路大山腦隧道，再接新建草籽崗隧道。東幅中心線對應鐵路里程大致為杭深下行線K275+027處，交角約55.2°;西幅中心線對應鐵路里程大致為杭深下行線K274+985處，交角約54.8°。公路設計路面與鐵路隧道洞頂垂直距離>31 m。新建草籽崗隧道小里程方向洞口距離既有杭深鐵路大山腦隧道水平距離最近處約50 m（實際>50 m）。隧道Ⅴ級圍巖段爆破區域距離既有鐵路最近處約50 m（實際>50 m）;隧道Ⅳ級圍巖段爆破區域距離既有鐵路最近處約150 m（實際>150 m）;隧道Ⅲ級圍巖段爆破區域距離既有鐵路最近處約200 m（實際>200 m）。詳細平面關系如圖1所示。

3 爆破分析

炸藥爆炸過程相當之復雜，根據文獻[13]可知，由于用來裝藥的炮孔空間狹小，待雷管引爆炸藥后，沖擊荷載由之產生并相當巨大，瞬間作用于炮孔的孔壁之上，隨之周圍土體將產生強烈振動，進一步加快爆破振動波在土體中的傳播速度。與此同時，巖土體由于彈性不強，在沖擊荷載下，孔洞周圍的巖土體將產生嚴重的塑性變形，變為碎石顆粒，進而形成破碎區。另一方面，周圍土體對破碎區具有一定的約束作用，因此破碎區的范圍一般較小，然而大部分的振動能量都消耗于該處，振動波的應力大小急劇減小，且能量減小后的振動波繼續向周圍巖土體傳播。盡管振動波能量大幅降低不足以對巖土體產生破壞，但仍然會使得巖土體產生非彈性變形，進而形成裂縫區。此時振動能量波雖然繼續減小，但是減少量變小且減少速率變低，一般裂縫區范圍會大于破碎區范圍。隨著傳播距離的不斷增大，振動波的能量也不斷減小，此時巖土體只會產生小范圍的彈性運動，并不會對土體產生任何破壞，此區域稱之為彈性區。彈性區的范圍遠大于破碎區及裂縫區，且一般來講彈性區的振動波是對既有隧道造成損傷的主要原因[14]。爆破振動波影響區域如圖2所示。

4 施工方案

鑒于上述情況，建立隧道施工方案如下。

草籽崗隧道進口在與杭深鐵路隧道結構外緣水平距離50 m范圍內根據相關要求不得采取爆破施工;水平距離50 ～1 000 m洞身開挖采用機械開挖+微弱爆破時，應采用風鉆打設炮眼，單次爆破炸藥用量不得>30 kg，懸臂挖機配合進行開挖;隧道距離出洞還有45 m時采用機械開挖方式掘進，保障臨近鐵路隧道的運行安全。隧道開挖方法分段說明如圖3所示。

根據爆破區域周邊環境、地質條件等相關要求，并結合本工程所處的爆破地理位置和環境的總體考量，針對工程開挖特點和環境條件，對于不同類型和不同巖體采用如下方法開挖：

（1）隧道掘進采用單向掘進開挖，自大里程向小里程方向推進（距離杭深鐵路附近的進口段后挖）。在距出洞口約15 m時，先掘進1.8 m×1.8 m小斷面，然后再從進洞口開挖。

（2）隧道進口明洞采取露天淺孔松動爆破，臺階高度為1～5 m。

（3）隧道洞身Ⅲ級圍巖斷面寬度為16.25 m，高度為9.58 m，面積為123.24 m2，采用全斷面法開挖，每循環進尺為2.7 m，隧道洞身Ⅲ級圍巖段緊急停車帶采用臺階法進行開挖，每循環進尺為2.7 m。

（4）隧道洞身Ⅳ級圍巖斷面寬度為16.61 m，高度為9.67 m，面積為147.64 m2，采用上下臺階法開挖，每循環進尺為1.6 m。

（5）隧道洞身Ⅴ級圍巖斷面寬度為16.95 m，高度為10.33 m，面積為158.89 m2。一般深埋段采用環形開挖留核心土法開挖，每循環進尺為0.9 m;洞口段、全風化富水破碎帶Ⅴ級圍巖采用中隔壁（CD）法開挖，循環進尺為0.9 m。

（6）隧道人行橫洞面積為8.31 m2，采用全斷面開挖，每循環進尺為1.6 m;車行橫洞面積為47.51 m2，采用臺階法開挖，每循環進尺為2.7 m。

根據工程施工特點，按照外部施工各個階段的工期安排，對杭深鐵路的監測頻率為：在施工開始之后的每次爆破時進行監測[15]。當監測值超過預警值時，應及時通知施工單位調整爆破參數，以最大可能地避免爆破振動超過相應的安全允許值，保證運營隧道的安全。

5 結語

本文以G228陸埠互通及S319丈亭互通草籽崗隧道為依托工程，從地形地貌、地質條件、水文條件等方面分析了隧道爆破對近接既有運營隧道的影響。結果表明，爆破振動波影響區域分為彈性區、裂縫區及破碎區，其中彈性區的振動波是對既有隧道造成損傷的最主要原因。同時，給出了相應的施工方法及監測方法，為該工程的安全提供了保障，可為其他類似工程提供參考。

參考文獻

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作者簡介：

馬運新（1985—），工程師，研究方向：隧道技術管理;

傅鶴林（1965—），博士，教授，研究方向：隧道技術;

李 朋（1989—），工程師，研究方向：施工技術管理;

黃齊兵（1997—），碩士，研究方向：隧道技術。