運營鐵路隧道引水洞爆破振速控制關(guān)鍵技術(shù)研究

張 玉

(中鐵十九局集團第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 前言

近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展，其中隧道工程所占比重越來越大，隨之而來的滲漏水引起的事故成為高鐵隧道主要安全事故之一，對鐵路運營造成巨大影響[1]。而治理隧道滲漏水多采用增設(shè)引水洞方式進行引排水，新增引水洞根據(jù)圍巖類別及級別和施工條件，采用的開挖方式主要為機械法(掘進機法)和傳統(tǒng)礦山法(爆破)。采用爆破開挖產(chǎn)生的振動勢必對運營高鐵隧道造成一定程度的危害和影響，嚴(yán)重時會引發(fā)不可預(yù)料的后果[2]。因此研究科學(xué)的爆破振動振速控制技術(shù)意義重大[3]。隨著隧道施工新技術(shù)、新工藝、新材料的不斷改進和發(fā)展，一些新技術(shù)、新工藝、新材料也逐漸應(yīng)用于降低爆破振速控制中[4]。

2 工程實例

西成客專小安隧道全長13 423 m，運營1年多后受連續(xù)暴雨影響，洞身標(biāo)7 000多米處施工縫嚴(yán)重漏水，采取應(yīng)急搶險措施后，制定了新增引水洞進行引排水措施。引水洞全長960 m，從小安隧道2號橫平導(dǎo)進入，采用4.5×5.9 m(寬×高)凈空斷面，線間距為30～50 m，要求爆破控制振速為2.5 cm/s。

本段地表為構(gòu)造侵蝕低中山峽谷地貌，地形起伏大，埋深約370 m。本段地層巖性有第四系全新統(tǒng)人工填土()、溶洞充填()粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，二疊系下統(tǒng)(P1)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、頁巖。

3 開挖方案選擇和擬定

開挖方式主要為掘進機法和爆破法，由于本段引水洞地質(zhì)巖性主要為灰?guī)r，經(jīng)試驗測定巖石強度達到63 MPa以上，巖石堅硬且整體性非常好，通過類比及了解同類工程施工經(jīng)驗，如采用小型掘進機掘進開挖，施工難度極大[5]。因此最終選擇爆破開挖法，并進行振速監(jiān)測，僅在天窗點內(nèi)實施爆破。

經(jīng)綜合參考并研究同類工程實例，為控制振速影響，確保鐵路運營安全，擬綜合應(yīng)用數(shù)碼電子雷管起爆和水壓爆破技術(shù)[6]、增設(shè)減振孔、振速自動監(jiān)測系統(tǒng)等一系列措施。爆破設(shè)計方案完成后進行試爆以取得最佳爆破參數(shù)，使爆破振動影響控制在要求范圍內(nèi)。

4 開挖爆破振速控制技術(shù)

4.1 爆破控制設(shè)計

4.1.1 最大單段裝藥量控制計算

由爆破引起的地震波是對既有結(jié)構(gòu)物和周圍建筑產(chǎn)生破壞作用的主要因素[7]，因此要求振速控制在2.5 cm/s以內(nèi)。在隧道開挖爆破過程中，振速主要與一次性起爆的藥量有關(guān)，單段最大裝藥量采用薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式[8]:

式中:Q為單段最大裝藥量(kg)；v為保護對象所在地的質(zhì)點振動安全允許速度(本處為2.5 cm/s)；K、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；R為爆源中心至振速控制點的距離(m)。泄水洞中線距正洞左中線30 m，其爆破區(qū)藥量分布幾何中心至正洞邊緣距離R＝25.44 m，取最小凈距(見圖1)。

圖1 泄水洞中線距正洞邊緣距離

根據(jù)正洞開挖及同類巖石取樣試驗，各級別圍巖均較硬，強度在40～79 MPa間，其中Ⅲ、Ⅳ級圍巖達到60 MPa以上。K、α取值范圍見表1。

表1 不同巖性的K、α值

根據(jù)式(1)[9]，及不同圍巖K、α取值，計算出單段最大裝藥量為:Ⅲ級圍巖13.05 kg、Ⅳ級圍巖為11.98 kg、Ⅴ級圍巖為16.46 kg。

4.1.2 計算每循環(huán)總裝藥量

引水洞開挖總裝藥量的計算，采用公式:

式中:Q為一個爆破循環(huán)的總用藥量(kg)；V為一個循環(huán)進尺所爆落的巖石總體積(m3)；q為爆破每立方米巖石炸藥消耗量。本引水洞中:Ⅲ級、Ⅳ級圍巖錨噴開挖取q＝1.2 kg/m3，Ⅳ級模筑取q＝1.15 kg/m3，Ⅴ級取q＝1.05 kg/m3。

各襯砌類型的每循環(huán)總裝藥量計算結(jié)果:Ⅲ級圍巖錨噴總裝藥量為68.55 kg，Ⅳ級圍巖錨噴總裝藥量為72.5 kg，Ⅳ級圍巖模筑總裝藥量為78.1 kg，Ⅴ級圍巖模筑總裝藥量為76.82 kg。

4.1.3 各襯砌類型下各類炮眼裝藥量

引水洞每循環(huán)開挖長度計劃按2.1 m控制，炮孔布置分為掏槽眼、周邊眼、輔助眼、底板眼4種。其中掏槽采用雙排V型掏槽方式，輔助眼為2圈。經(jīng)爆破孔眼布置及裝藥量計算，各斷面炮孔數(shù)量及裝藥量見表2。

表2 各斷面炮孔數(shù)量及裝藥量計劃

4.2 采用數(shù)碼電子雷管

在隧道爆破開挖中，一般采用非電毫秒導(dǎo)爆雷管，利用段位一般為1～15段。為了控制單段最大裝藥量，需要段位較多。采用非電導(dǎo)爆雷管時，爆破設(shè)計時最大單段裝藥量已超出理論計算的單段最大裝藥量，因此必須采用段位更多的材料以降低單段最大裝藥量。

采用數(shù)碼電子雷管，雷管段位為1～20段。通過更多的分段來降低最大單段裝藥量，進而降低振速。

4.2.1 數(shù)碼電子雷管的優(yōu)勢

(1)在提高爆破效率及效果的同時，保障施工安全。

(2)降低爆破振動效應(yīng)(可達80%)。

(3)不受段別限制，爆破雷管時間根據(jù)爆破現(xiàn)場情況隨意設(shè)置。

(4)雷管可在線檢測(準(zhǔn)確定位)，隨時排查有問題雷管。

(5)可斷線起爆，爆破網(wǎng)路被破壞不影響正常起爆，準(zhǔn)爆率100%。

數(shù)碼電子雷管對比傳統(tǒng)雷管在減振方面的主要優(yōu)勢為:段位多，不受段別控制，共20段，可以對爆破進行更多分段以控制最大單段裝藥量，可以更好地實現(xiàn)錯峰降振。斷線優(yōu)勢方面:爆破網(wǎng)絡(luò)被破壞不影響正常起爆，因此對于本引水洞在天窗有限時間內(nèi)爆破防止二次補炮爆破具有極大優(yōu)勢[10]。

4.2.2 采用數(shù)碼電子雷管后最大單段裝藥量控制

為了控制最大單段裝藥量，采用數(shù)碼電子雷管，各襯砌類型各類炮眼采用的雷管段位分配及用藥量見表3。

表3 單段裝藥量控制

4.3 融入水壓爆破技術(shù)降振

融入水壓爆破技術(shù)可進一步減少最大單段用藥量，從而降低振速。

水壓爆破技術(shù)由我國著名爆破專家何廣沂教授于20世紀(jì)90年代提出，其原理為向炮眼中一定位置注入一定量的水，并用專用的“炮泥”回填堵塞炮眼，利用在水中傳播的沖擊波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過水傳遞至炮眼圍巖中幾乎無損失。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，有利于巖石破碎[11]。

隧道掘進水壓爆破，首先向每個炮孔最底部裝入水袋，隨后裝入藥卷，再裝水袋，最后用炮泥回填堵塞。水袋和炮泥使用專用設(shè)備制造成型。其裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)

同時每個孔(Ⅳ級、Ⅴ級模筑周邊眼除外)減少0.1 kg，約10%～15%的炸藥量，進一步降低最大單段裝藥量。最終各斷面最大單段裝藥量和總裝藥量見表4。

表4 最大單段裝藥量和總裝藥量

4.4 設(shè)置減振孔降振

在周邊眼中間隔增加1個炮孔，可以起到部分減振作用，同時也起到了提高光爆效果的作用[12]。周邊減振孔改善了周邊振速傳遞的介質(zhì)影響，對降振有一定效果，相當(dāng)于為控制振速傳遞增設(shè)了一層保險[13]。

4.5 振速控制技術(shù)綜合應(yīng)用后的振速測算及試爆

采用數(shù)碼電子雷管及融合水壓爆破技術(shù)，再通過減振孔減振作用，根據(jù)薩道夫斯基公式及不同圍巖的K、α取值與最大單段裝藥量，預(yù)測各襯砌類型在線間距30 m時的振速為:Ⅲ級錨噴2.102 cm/s、Ⅳ級錨噴2.102 cm/s、Ⅳ級模筑2.125 cm/s、Ⅴ級模筑1.793 cm/s。

通過測算，本次爆破設(shè)計振速滿足控制振速2.5 cm/s的要求，通過三次試爆試驗，實際振速均小于控制振速。

5 應(yīng)用效果

振速監(jiān)測采用增強型振動測試儀，本儀器采用分離式振動傳感器，可對微小振動及超強振動進行測量，并可實現(xiàn)爆破時進行自動監(jiān)測并上傳爆破振動數(shù)據(jù)。

實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在所有爆破過程中僅有1次爆破振速達到2.51 cm/s，其余均滿足振速控制要求，大多振速在1.0～2.2 cm/s之間，說明采用數(shù)碼電子雷管分段降低最大單段裝藥量、融入水壓爆破技術(shù)再次進一步降低最大單段裝藥量、增設(shè)減振孔等系列控制措施達到了降振減振效果并滿足振速最低要求，保證了運營鐵路不受影響，見圖3～圖5。

圖3 線間距30 m振速波形(振速2.18 cm/s)

圖4 線間距40 m振速波形(振速1.42 cm/s)

圖5 線間距50 m振速波形(振速1.22 cm/s)

6 結(jié)束語

運營高鐵隧道增設(shè)引水洞爆破施工，危險性極高，稍有差錯可能會對運營隧道造成慘重?fù)p失。本文綜合應(yīng)用數(shù)碼電子雷管更多段位以減少最大單段裝藥量、利用水壓爆破技術(shù)“水楔”效應(yīng)[13]、采用增設(shè)減振孔以改善介質(zhì)傳遞振速效果等多種降振減振措施，達到了降振減振的目的。