淺埋高鐵隧道下穿建筑群鉆爆法開挖設計與優化

賀偉奇HE Wei-qi

（中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊 050000）

0 引言

目前，隧道開挖常采用鉆爆法，設計階段主要考慮地質條件、開挖斷面、開挖方法、掘進循環進尺、鉆眼機具、爆破器材及環境要求等因素，設計內容包括炮眼布置、深度、斜率和數量，裝藥量和裝藥結構，起爆方法和爆破順序等。當高鐵隧道穿越城市淺埋地段時，采用鉆爆法一方面要嚴格控制開挖后地表及圍巖沉降，另一方面需考慮爆破過程中產生的振動影響，這是不同于山嶺隧道鉆爆設計的主要區別。《爆破安全規程》（GB6722-2014）中對不同類型建（構）筑物、設施設備等保護對象制定了不同的安全判據和允許標準，如表1 所示[1]。本文以沈白高鐵順城隧道淺埋段為背景進行鉆爆法開挖設計，并在此基礎上探尋多種有效的減振技術方案，從而保證隧道淺埋段安全快速掘進。

表1 爆破振動安全允許標準

1 工程概況

沈白高鐵順城隧道斜井段里程DK41+630～DK42+300段670m 穿越遠洋社區，埋深8.43～12m。隧道臨近多座建筑物，地質條件復雜，施工變形、振動控制要求極其嚴格。經調查，社區內地表建筑物與隧道在平面上的相對位置如圖1 所示，在各里程橫斷面上的相對位置如圖2 所示（以DK42+030 里程為例）。通過平面圖和橫斷面圖，可以測量計算出建筑物距隧道最小距離，即爆破時應設定的安全爆心距。

圖1 淺埋段地表建筑物與隧道相對位置平面圖

圖2 DK42+030 處隧道與建筑物位置關系橫斷面圖

2 鉆爆法開挖設計

2.1 確定最大單段藥量

大量工程實踐證明，振動速度的峰值主要取決于最大單段藥量。由于掏槽爆破夾制作用強，破巖時需要裝填更多炸藥，因此如何控制掏槽爆破振動成為減振施工的關鍵。經專家論證，本工程中附近居民的建筑物爆破振動速度不得大于0.5cm/s。計算最大單段藥量采用修正的薩道夫斯基公式[2]，見式（1）。

式中，V 為質點振動速度峰值，cm/s；Q 為與振速V 值對應的最大單段起爆藥量，kg；R 為測點與爆心的直線距離，m；K1為進尺修正系數，取0.3-1；K2、α 分別為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

本工程中，進尺為1m 左右時，K1取0.3，進尺為2m 左右時，K1取0.5；K2取250；α 取1.8。結合建筑物的安全爆心距和圍巖分布情況，劃分不同的影響里程段，每一里程段的安全爆心距和圍巖級別相同，據此計算允許最大單段藥量，見表2。

表2 影響里程段劃分及最大單段藥量控制表

2.2 爆破參數設計

爆破參數按如下原則設計：整體遵循光面爆破的原理，采用毫秒延時微振控制爆破技術，嚴格控制最大單段藥量，同時在振動允許的情況下，盡量選擇合適的進尺以保證進度。以K41+750～K42+050 為例，本里程段為Ⅴ級圍巖，安全距離為20m，結合表2 確定爆破參數如下：

采用三臺階法開挖，上臺階保證每循環進尺2 榀拱架（1.2m），最大單段藥量不超過1.9kg；上臺階爆破后，中、下臺階與建筑物之間形成空氣隔振槽，一定程度上減弱了爆破振動的傳播，可以增加循環進尺為3 榀拱架（1.8m），單孔藥量隨之增加。同時進尺增加，K1取值增大，一定程度上又要減少單段藥量。綜合分析，確定中、下臺階最大單段藥量不超過1.6kg。采用數碼雷管起爆網路，雷管段位和同時起爆孔數嚴格按照圖3 的標識要求，其他爆破參數見表3。

圖3 V 級圍巖三臺階法控爆設計圖（安全距離為20m）（單位：cm）

表3 Ⅴ級圍巖三臺階法（安全距離為20m）爆破參數表

2.3 裝藥結構、堵塞和起爆網路

使用?32mm 的2#巖石乳化炸藥進行爆破，掏槽孔、輔助孔、底孔采用連續不耦合裝藥結構，周邊孔采用間隔不耦合裝藥結構，起爆雷管均置于炮孔底部。炮孔填塞采用稍濕含細砂黃粘土，需分層搗固密實。周邊眼在孔口進行堵塞，長度不小于20cm。上臺階按照掏槽眼-輔助眼-壓頂眼-內圈眼-抬炮眼-底板眼-周邊眼-底腳眼的順序連接起爆網路，中、下臺階按照第一排、第二排炮眼-內圈眼-底板眼-周邊眼-底腳眼的順序連接起爆網路。

3 鉆爆法方案優化

3.1 預裂爆破

采用預裂爆破在主爆區爆破之前沿設計輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫，能夠有效地緩沖、反射開挖爆破的振動波，降低周邊建筑物的振動峰值。有富余的振速安全儲備時，可以增大主爆區單段藥量，提高循環進尺，降低起爆網路的復雜程度。但是，采用預裂爆破周邊眼只有一個臨空面，受夾制作用強，需要通過增大孔徑和裝藥量、減小孔間距保證裂縫貫穿炮孔，此時炮孔周邊圍巖易受到破壞，開挖輪廓面的平整光滑度不如光面爆破[3]。另外提高了炸藥單耗，經濟效益欠佳。因此，以降振為主要目的時，綜合考慮其他因素，選用預裂爆破是一種有效的方法。

3.2 環縫取芯

與預裂爆破方法的原理相同，采用鉆機沿上臺階輪廓線以相臨圓方式進行環縫取芯，形成連續隔振槽道。相較于貫穿裂隙，降振作用明顯，能夠保證開挖輪廓面平整度。但是本方法增加了一道工序和多臺鉆孔設備，延長了循環耗時，提高了施工成本。

3.3 鉆爆法+懸臂式掘進機聯合開挖法

懸臂式掘進機是隧道工程中常見的開挖機械，通過切削刀盤上的滾刀對巖面形成滾動擠壓進行破巖，可以有效地避免振動影響，但是應用在硬巖中具有開挖速度慢、施工成本高等缺點。因此可作為輔助的方法，配合鉆爆法進行降振開挖。

根據懸臂式掘進機開挖斷面比例，可分為圖4 所示的三種方法：a.上臺階全斷面機械開挖法；b.上臺階輪廓機械開挖法；c.上臺階導洞機械開挖法，其余部分仍采用鉆爆法開挖。

圖4 鉆爆法+懸臂式掘進機聯合開挖法

上臺階全斷面機械開挖法和輪廓機械開挖法形成大面積的隔振空間，阻斷了爆破振動的直線傳播路徑，延長了傳播距離，同時能夠消耗一定的爆破能量，降振作用最為明顯。上臺階導洞機械開挖法采用懸臂式掘進機對掌子面核心巖土進行掏槽，一方面消除了上臺階掏槽爆破引起的振動，另一方面為輔助眼爆破提供了更大的臨空面，可以降低其單孔裝藥量從而達到減振的目的[4]。

4 結論與建議

以沈白項目順城隧道淺埋段下穿多座建筑物為工程背景，通過設計研究得出以下結論與建議。

①采用鉆爆法開挖時，掏槽眼的設計是隧道減振控制的關鍵，通過合理的計算方法和經驗推導得出最大單段藥量，并以此進行光面爆破參數設計是基本的、有效的方法，設計過程應兼顧建筑物的振動安全和合理的開挖進尺。②以降振為目的的爆破方案設計，除了減少最大單段藥量，也可以采用預裂爆破、環縫取芯、上臺階輪廓機械開挖的方法，在主爆區與保護對象之間形成不同寬度的隔振帶起到降振作用。另外采用機械開挖掏槽區從而消除掏槽爆破環節也是一種有效的方法。施工過程中可結合項目特點綜合應用，進一步保證周邊建筑物的安全。③爆破施工過程中，應根據現場振動監測的分析結果，綜合考慮安全、進度、成本等因素，及時調整爆破參數和降振方法。