側穿高壓鐵塔陡斜平曲線隧道光面控爆技術

侯 健，田國鋒，朱國強，李英杰，楊保華，黃 引，楊 強，付 抗

(中建鐵路投資建設集團有限公司(重慶)，重慶 400000)

城市地鐵暗挖鉆爆法隧道工程，周邊環境往往較為復雜，多臨近既有高風險建(構)筑物，提高了鉆爆法隧道施工振速控制要求，與此同時，超欠挖合理有效控制也日益成為隧道工程領域眾多工程師與專家關注的焦點，為此實現隧道“光面控爆”雙重施工目的逐漸成為行業領域的研究重點與迫切需求。尹文綱等[1]針對周邊孔鉆鑿精度問題，提出周邊長短孔布孔技術；劉俊杰[2]針對巖溶隧道，提出了水壓光面爆破技術；李達昌等[3]采用數值模擬，針對特大斷面硬巖隧道爆破空孔布置形式及爆破參數開展研究；牛澤林等[4]開展了2種爆破減振模型探究，提出了單段最大裝藥量與雷管段別為實現控爆的重要指標，確定了合理有效的減振模型；陳貴等[5]結合爆破振動實測傳播規律，提出了上臺階楔形掏槽、下臺階分幅爆破，合理控制單段最大裝藥量與隧道循環進尺的控爆技術；鄒新寬等[6]通過采用現場試驗，提出了楔形分段毫秒延時掏槽爆破技術；劉趕平[7]針對Ⅱ級圍巖大斷面隧道，提出下部、上部掏槽孔先后爆破，為輔助孔與周邊孔提供了所需爆破臨空面，提高了炮孔利用率，實現了較好的光面爆破效果；周仕仁等[8]針對鄰近既有民用建筑物，提出了復式小楔形掏槽結構；袁紅所等[9]針對V級圍巖，提出了掏槽式光面爆破技術，降低了單循環炸藥用量；陳至昊等[10]針對隧道側穿危舊建筑物暗挖鉆爆隧道施工，提出了“多級楔形掏槽、單孔及單段最大裝藥量管控”的微振控制技術；管曉明等[11]針對隧道近距離下穿樓房開展了淺埋與深埋側爆破振動速度、主頻與安全評價方法研究；馬春德等[12]采用預留光爆層爆破技術，降低了平均線性超挖與初支噴混用量；劉海波等[13]較充分對比分析了聚能光面爆破與常規爆破技術，以現場試驗研究驗證了聚能光面爆破在實際施工中的一定優越性；傅洪賢等[14]通過現場試驗研究，提出了電子雷管相較于非電子雷管在爆破振動控制的優勢；費鴻祿等[15]綜合考慮波動作用和爆生氣體準靜態作用，獲得了巖體損傷范圍理論計算公式；已有學者取得了較豐碩成果，但仍存在略微不足，主要包括以下幾方面：第一，已有研究主要偏重光面爆破或控制爆破，現有城市區間隧道施工過程中，往往綜合控制因素較多，受臨近既有建(構)物影響同時，因地形因素臨時通道洞門標高與接入正線底板標高高差較大，引起通道坡度較陡，直線型線路設計難度大，進一步提高了平曲線傾斜隧道“雙控”施工難度，而已有周邊孔控制方式未考慮大傾角與平曲線2種因素對周邊鉆設角度有效控制的合理確定方式；第二，已有工況，主要針對民用建筑等領域的控爆研究，針對近距離側穿既有高壓鐵塔(220 kV等)控爆研究較少，該類工況，因具有風險源極高的特點，隧道開挖進尺與振速要求更為嚴苛，進一步加大了控爆難度。

以區間正線隧道施工通道為工程依托，針對鄰近既有高壓鐵塔陡斜隧道展開了光面控爆技術研究，工程實踐表明，研究成果切實滿足了“安全、高效、經濟”的施工要求，對類似工程具有重要的指導價值。

1 工程概況

重慶軌道交通五號線北延伸段一標段園玉區間施工通道為直墻圓弧拱形斷面，開挖尺寸寬×高為6 480 mm×6 440 mm，采用“鋼拱架+錨噴”支護形式。接入正線里程FCK0+520處，全長303.363 m，里程SK0+000～SK0+130坡度12%，里程SK0+150～SK0+277.363坡度11.83%，其余里程段坡度較緩，轉彎半徑30 m，線路呈“S型”布置。里程SK0+010～SK0+303為砂質泥巖，圍巖IV級，主要成分為黏土質礦物，粉砂泥質結構為主。220 kV翠南北線高壓鐵塔位于施工通道線路里程SK0+080右側，距施工通道開挖輪廓線水平距離18.15 m，鐵塔基礎采用樁長13 m，樁徑1.8 m人工挖孔樁，鐵塔基礎頂標高395 m，開挖輪廓線拱頂標高355.2 m，高差39.8 m，根據設計要求，施工通道里程SK0+060-SK0+090為高壓鐵塔保護范圍，需采用控制爆破開挖方法，爆破振速不大于1 cm/s。

2 光面控爆參數設計

2.1 單段最大裝藥量

依據薩氏公式[16]，結合設計爆破振速控制要求，獲得單段最大裝藥量理論控制值：

(1)

式中：R為爆心距，m；K為衰減系數，取300；α為衰減指數，取2.0；v為設計控制振速；Q為單段最大裝藥量，根據式(1)得理論控制值Q=22.6 kg。

2.2 炮孔數量及總裝藥量

1)炮孔數量估算[4]

(2)

2)總裝藥量

Q=qlA

(3)

式中：Q為總裝藥量；q為單位用藥量，0.8～1.2 kg/m3，結合圍巖等級與實際圍巖堅硬程度，取0.9 kg/m3；l為循環進尺，取2.5 m；依據式(3)，總裝藥量為90 kg。

2.3 炮孔布設參數

2.3.1 炮孔深度

1)掏槽孔。采用單排楔形掏槽：

L=(l/sinβ)+(1-ζ)l

(4)

式中：β為隧道水平夾角，取60°；ζ為炮孔利用率，0.9～0.95，取0.9；l為循環進尺，取2.5 m。依據式(4)，掏槽孔鉆設深度為3.13 m。

2)擴槽孔、掘進孔、周邊孔、底板孔

L=l+(1-ζ)l

(5)

依據式(5)，擴槽孔、掘進孔、周邊孔、底板孔炮孔深2.75 m。

3)炮孔間距。依據經驗取值，掏槽孔孔間距50 cm，擴槽孔、掘進孔孔間距0.5～1.0 m，周邊孔孔間距40～50 cm。

2.3.2 最小抵抗線

施工通道開挖斷面小，相較于大斷面隧道，巖石夾制作用相對顯著，最小抵抗線取值過低，易造成光爆層破碎程度過高，引起超挖；取值過高，光爆層破碎程度低，易產生欠挖[4]。

Wmin=(10～20)d

(6)

式中：Wmin為最小抵抗線，cm；d為炮孔直徑，cm，結合實際鉆頭直徑，取42 mm；考慮圍巖設計等級Ⅳ級，地勘表明質地偏軟，依據式(6)，取Wmin=14d=588 mm。

結合經驗公式，周邊孔間距a與最小抵抗線Wmin關系為

a=0.8Wmin

(7)

依據式(7)，取a=0.5 m，Wmin=625 mm。

綜合式(6)與式(7)，最小抵抗線取600 mm。

2.4 炮孔裝藥量設計

結合圍巖條件與施工經驗，炮孔裝藥系數η取值為：掏槽孔取0.7；擴槽孔、掘進孔取0.5；底板孔取0.6；周邊孔取0.2。不同炮孔裝藥量如表1所示。

表1 不同炮孔裝藥量

3 周邊孔鉆設角度設計

針對平曲線陡斜隧道光面爆破施工，光爆效果一方面取決于爆破參數合理選取，另一方面取決于拱圈，尤其是拱頂鉆設角度與邊墻偏轉角合理確定，實現鉆設炮孔底端接近開挖輪廓線，以進一步降低超欠挖過大風險，結合現場實際施工條件，自主建立該類工況隧道拱頂入射上仰角與邊墻偏轉角確定規則。

3.1 拱圈上仰角設計

α=arctan{H隧道開挖-tanβ×[l+(1-ζ)l]-H拱圈長孔}/[l+(1-ζ)l]

(8)

式中：α為拱圈周邊長孔上仰角度，°；H隧道開挖為隧道開挖設計中心線垂直高度，m，結合隧道取6.44 m；β為隧道傾角，取值11.83%～12%；l取值2.5 m；H拱圈長孔為拱圈長孔至掌子面底板垂直高度，m，依據實際炮孔垂高確定取值，考慮拱圈周邊孔施作過程中，鉆桿受鄰近工作面鋼架空間限制，鉆機距鋼架內邊緣預留空間高度約50 cm，拱頂處周邊孔H拱圈長孔取5.6 m，其他參數同前。依據式(8)，拱圈入射上仰角α取值為3.5°～4.0°。其余炮孔上仰角依據其不同垂高而定，隧道開挖縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道開挖縱斷面

3.2 邊墻偏轉角設計

γ=arctan[(B/2)-L2/Δs]

(9)

式中：γ為平曲線邊墻周邊長孔與垂直掌子面方向偏轉角，°；B為隧道設計開挖寬度，m，取6.48 m；L2為平曲線邊墻周邊長孔孔口距隧道線路中心線垂直距離，取2.95 m(平面曲線邊墻周邊長孔孔口距隧道開挖邊墻外輪廓線預留水平垂直距離50 cm)；Δs為平曲線邊墻弧長增加值，Δs平曲線邊墻開挖輪廓線任一點處切向角θ很小，平曲線邊墻開挖輪廓線任一點曲率相等且較低，近似等于直孔鉆孔深度L=l+(1-ζ)l(見圖2)。依據式(9)，偏轉角施打約9.5°。

圖2 隧道開挖平面

3.3 周邊短孔設計

為避免周邊長孔因鉆設過程中需考慮鋼架限制而預留的垂直與水平預留空間造成的潛在欠挖風險，采取動態補打短孔方式，降低欠挖，短孔打設數量依據實際隧道施工情況動態調整，打設角度與長孔相同，炮孔打設深度約1.0 m，裝藥量0.15 kg。

4 炮孔布置與裝藥結構設計

4.1 炮孔布置

綜合依據爆破參數設計值與施工經驗參數取值，結合施工臺架布置，設計掌子面炮孔布置(見圖3)。

圖3 炮孔布置

1)掏槽孔。掏槽孔布置于臺架中部與下部，采用單排楔形布設方式，入射角度60°，為擴槽孔與掘進孔爆破提供有效臨空面。炮孔布置間距0.5 cm，中部掏槽孔與下部掏槽孔間隔1.0 m。

2)擴槽孔。擴槽孔與掏槽孔相鄰水平層距690 mm，炮孔間距600 mm，垂直于掌子面施打炮孔，中部擴槽孔與下部擴槽孔間隔1.4 m。

3)掘進孔。起拱線以下掘進孔間距50 cm，掘進孔與擴槽孔間距0.7 m；起拱線以上掘進孔間距0.8 m，光爆層掘進孔間距1.0～1.1 m(視上循環掌子面揭露情況合理動態調整)。

4)周邊長(短)孔。周邊長孔布設間距50 cm，周邊短孔與長孔采用梅花型布置，布設間距50 cm，光爆層厚度0.6 m。

5)底板孔。底板孔間距0.9 m，考慮鉆機鉆設所需工作面需求高度，炮孔始端距底板預留高度約25 cm，入射角度5°。爆破參數如表2所示。

表2 爆破參數

實際炮孔數量及裝藥量，與理論設計值較為接近，驗證了爆破參數設計的合理性。

4.2 裝藥結構

1)周邊孔。為避免周邊長孔爆破后，因集中裝藥導致孔底超挖過大，炮孔中部孔壁巖體因爆破不充分引起的欠挖，結合施工條件，采用不耦合空氣間隔裝藥結構，采用炮泥封堵孔口，不耦合系數1.31。周邊短孔藥量較低，采用孔底不耦合集中裝藥。

2)非周邊孔。掏槽孔、擴槽孔、掘進孔與底板孔均采用集中裝藥，采用炮泥封堵(見圖4)。

圖4 裝藥結構

4.3 爆破網路設計

1)多隔段起爆控振設計。基于分段延時爆破技術，提出掏槽孔與擴槽孔多隔段起爆技術，有效避免了共振造成的相鄰段別炮孔先后起爆峰值振速的疊加，以實現爆破振速的有效控制，即掏槽孔采用MS1段、擴槽孔采用MS5段，其余炮孔依次為MS7段、MS9段、MS11段、MS13段與MS15段，周邊長孔與短孔可根據實際情況，調整為同段別。

2)底板分段起爆設計。施工通道底板墻底角處巖石夾制作用往往較大，局部巖體存在爆破不充分，需輔助機械鑿挖，采取分段爆破，為底板兩側提供巖體爆破拋擲，提供分階段臨空面。

3)分區網路起爆設計。爆破網路共劃分A、B、C、D 4個區域；A區炮孔共25個；B區雷管炮孔共26個，C區炮孔共34個、D區炮孔共36個；其中，周邊短孔數量需結合實際施工需求動態調整。各區采用同段別雷管(MS 3段)簇聯，同步激發，延時起爆，起爆網路如圖5所示。

圖5 起爆網路

5 工業應用

5.1 振速監測結果分析

采用YL-VMI型測速儀，布置于鐵塔基座處進行振速監測及數據采集，繪制振速監測曲線(見圖6)。隧道掘進過程中，振速存在一定波動，總體呈現起訖里程振速低，中間里程段振速高的演變特征，最大振速為0.933 cm/s，最小振速為0.442 cm/s，峰值振速均位于MS1段，即掏槽孔起爆時，鐵塔處振速最高；依據最大單段裝藥量與掏槽效果，動態調整掏槽孔單段裝藥量是進一步實現振速控制的關鍵因素。現場實測結果表明，已有設計爆破參數，滿足設計振速控制要求，確保了現場施工安全。

圖6 爆破振速監測

5.2 超欠挖監測結果分析

采用全站儀，沿隧道開挖輪廓面進行放線測量，實現隧道實際開挖輪廓線與設計開挖輪廓線比對，獲得實際超欠挖量與超欠挖分布狀態。超挖區域主要分布于拱部與右側邊墻，拱部最大超挖量為0.065 m，邊墻最大超挖量為0.119 m，最大欠挖量為0.176 m，位于拱部左側，最小欠挖量為0.069 m，主要欠挖區域位于左側邊墻，實測結果表明，超欠挖控制良好(見圖7和圖8)。

圖7 拱部爆破效果

圖8 全站儀斷面掃描結果

6 結語

1)依據薩氏公式，利用設計振速允許值，合理確定單段最大裝藥量，是實現爆破振速有效控制的關鍵因素。

2)綜合考慮隧道開挖幾何參數與施工參數為主要影響因素，建立了確定大傾角平曲線直墻圓弧拱形隧道拱圈上仰角與邊墻偏轉角理論公式，較為有效地實現了超欠挖控制，彌補了該類隧道鉆設角度合理控制實現方式的空白。

3)綜合利用延時爆破技術與多隔段爆破控振技術，有效避免了爆破共振造成的相鄰段別炮孔峰值振速“疊加效應”的發生，為振速控制進一步提供了實現途徑。

4)采用周邊長、短孔組合布孔方式，周邊長孔采用不耦合間隔裝藥結構，短孔采用不耦合孔底裝藥結構，進一步提高了隧道超欠挖有效控制。

5)采用現有爆破設計參數與關鍵施工技術，實現了設計振速與超欠挖有效控制，避免了機械開挖施工成本的增加，扭虧約48 萬元，施工進度由1 m/d提高至2.5 m/d，滿足了“安全、高效、經濟”的施工要求。

6)實踐進一步表明，傾斜隧道鉆爆施工，周邊孔鉆設質量亦可通過實現鉆桿入射角度與隧道傾角相平行下壓打設方式，實現較好控制效果，但存在勞動強度大，施工人員水平要求高等影響因素。

7)實踐表明，起爆網路分區每束連接雷管數量大于20發，引出雷管宜采用2～3根，確保起爆率。