淺談鄰近高鐵暗挖爆破安全技術(shù)控制

文／劉利剛 中鐵六局集團有限公司 北京 100036

1.項目背景

1.1 項目概況

目前，由于涉及營運鐵路的城市隧道施工，主要為采用機械掘進（破碎、盾構(gòu)機等）。徐州市城市軌道交通6 號線一期工程爆破施工為大湖北站～預(yù)留工程豎井區(qū)間隧道開挖工程，距離鐵路、涵洞等重點建構(gòu)筑物較近，需要在施工過程中，嚴格控制孔內(nèi)爆破振動，保證鐵路正常運營及建構(gòu)筑物安全的。徐州市城市軌道交通6 號線大湖北站～預(yù)留工程豎井區(qū)間采用新奧法施工。單線最長622.217m，線間距為13～16.7m，區(qū)間覆土厚度12.4m～88.2m。隧道最大開挖尺寸為6.6m×7.02m。區(qū)間設(shè)有1 處聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道采用新奧法施工。暗挖區(qū)間自北側(cè)預(yù)留工程豎井及橫通道向南掘進，下穿站東路和鳳凰山，然后從大湖安置小區(qū)與鳳凰佳園小區(qū)（在建）中間穿過，最后到達大湖北站。

1.2 爆破施工涉及鐵路概況

京滬高速鐵路在本方案爆破涉及段為有砟鐵路，立柱為鋼接觸網(wǎng)立柱，設(shè)計的最高速度為380km/h；徐鹽高速鐵路在本方案爆破涉及段為有砟鐵路，立柱為混凝土立柱，設(shè)計速度250km/h；隴海鐵路是為有砟鐵路，混凝土接觸網(wǎng)立柱，碎石道床，設(shè)計時速為160km/h。

1.3 與影響鐵路范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)筑位置關(guān)系

徐州市城市軌道交通6 號線大湖北站～預(yù)留工程豎井區(qū)間線路于豎井處距離線路最近，距4 號涵洞K1+926處距離為37.8m、距線路最近距離為37.8m、距最近211 號接觸網(wǎng)立柱約為37.8m。沿豎井到大湖北站，暗挖區(qū)間隧道與徐鹽鐵路間距逐漸增大，到與大湖北站相接處距線路距離為120m。暗挖爆破區(qū)間與位于小里程K2+071 處開閉所與暗挖爆破區(qū)間相距111m，大里程處K694+461.5 處開閉所與暗挖爆破區(qū)間相距約279m。其中不同爆破方法與保護對象的距離如下：

1.3.1 暗挖1 米臺階爆破

（1）徐鹽鐵路路基、徐鹽鐵路混凝土網(wǎng)桿和徐鹽鐵路4 號涵洞：37.8m；

（2）鐵路開閉所：111m；

（3）京滬高鐵路基、京滬高鐵混凝土網(wǎng)桿：188.3m。

1.3.2 暗挖2 米臺階爆破

（1）徐鹽鐵路路基、徐鹽鐵路混凝土網(wǎng)桿：54.6m；

（2）鐵路開閉所：120m；

（3）京滬高鐵路基、京滬高鐵混凝土網(wǎng)桿：198m。

1.3.3 暗挖2.4 米臺階爆破

（1）徐鹽鐵路路基、徐鹽鐵路混凝土網(wǎng)桿：95m；

（2）鐵路開閉所：253 m；

（3）京滬高鐵路基、京滬高鐵混凝土網(wǎng)桿：239m。

1.3.4 暗挖聯(lián)絡(luò)通道全斷面

（1）徐鹽鐵路路基、徐鹽鐵路混凝土網(wǎng)桿：170m；

（2）鐵路開閉所：283.1m；（3）京滬高鐵路基、京滬高鐵混凝土網(wǎng)桿：316.4m。

1.4 工程地質(zhì)

徐州市城市軌道交通6 號線大湖北站～預(yù)留工程豎井暗挖隧道工程線路屬溶蝕丘陵（殘丘）地貌單元：由寒武系、震旦系碳酸鹽巖構(gòu)成，地形變化明顯，起伏大，鳳凰山山頂高程114.9m，地面高程36.09～114.9m。根據(jù)工程地質(zhì)層劃分原則以及所施工的勘探孔，地層情況主要為：

（1）在左CK37+154～左CK37+185.002 范圍內(nèi)，以石灰?guī)r為主，局部夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r。

（2）在左CK36+910～左CK37+154 范圍內(nèi)，以石灰?guī)r為主，局部夾構(gòu)造角礫巖。

（3）在左CK36+830～左CK36+910 范圍內(nèi)，局部頁巖、石灰?guī)r互層，層厚約0.3m。以石灰?guī)r夾頁巖為主，局部呈互層狀。

（4）在左CK36+765～左CK36+830 范圍內(nèi)，以石灰?guī)r為主、局部夾頁巖。

（5）在左CK36+608～左CK36+765 范圍內(nèi)，以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖交互分布為主，局部為泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r互層.泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖互層。

（6）在左CK36+575～左CK36+608 范圍內(nèi)，以石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r交互分布為主，局部泥質(zhì)灰?guī)r，灰?guī)r互層。

（7）在左CK36+558.665～CK36+575 范圍內(nèi)，本段張渠組主要為石灰?guī)r。

2.爆破技術(shù)設(shè)計

2.1 爆破總體方案

2.1.1 爆破基本方法

隧道掘進爆破時，采用臺階法爆破和全斷面爆破。施工采用YT24 型氣腿式鑿巖機+自制土臺車進行鉆孔，掏槽方式采用楔式，周邊采用光面爆破施工，為避免爆破振動超過鐵路安全規(guī)程規(guī)定[1]，本工程嚴格控制開挖進尺和單響起爆藥量，減少爆破振動對鐵路振動影響。

本工程一次爆破最大藥量Q 為109.8kg，隧道爆破屬于巖土爆破中的地下爆破，藥量系數(shù)為0.5，所以Q ＜0.25t 屬于D 級巖土爆破工程，因爆破范圍周邊1000m范圍有高鐵軌道，提升一個級別至C 級巖土爆破。

2.1.2 爆破開挖順序規(guī)劃

暗挖段先行開挖右洞，左洞待右洞開挖25m 以后再行開挖。以盡量減少開挖爆破的互相影響，保證施工和永久性結(jié)構(gòu)安全。

2.1.3 爆破工藝流程

鐵路局爆破方案審批→方案設(shè)計、審批→組織人員、設(shè)備→清除表層→測量、放樣→鉆孔→驗孔、裝藥→聯(lián)結(jié)網(wǎng)路→檢查起爆網(wǎng)路→布置安全警戒→撤離爆區(qū)人員、設(shè)備至安全地點→起爆→爆后檢查、清除盲炮→解除警戒→下一作業(yè)循環(huán)。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

暗挖區(qū)間施工環(huán)境較復(fù)雜，根據(jù)不同斷面、初期支護設(shè)計參數(shù)、爆破區(qū)域與高鐵路之間距離，采用不同循環(huán)進尺的方法進行爆破，保證爆破施工不會對高鐵軌道及設(shè)施產(chǎn)生影響[2]。

（1）2m 進尺開挖區(qū)域（左線DK37+151.4～DK37+026.5，右線DK37+169.562～DK37+026.5，DK36+637.898～DK36+568.378）：臺階爆破開挖循環(huán)進尺為2m，上臺階采用楔形掏槽，掏槽孔孔口距1.0m，孔深均為2.3m；輔助孔孔深2.2m，孔距0.6m，排距0.7m；周邊孔孔深2.2m，孔間距0.4m。下半斷面開挖比上半斷面增加了一個自由面，因此，炮孔數(shù)及單耗均可減少，排距取0.8m，輔助眼孔距0.7m，周邊孔距取0.45m。

（2）1m 進尺開挖區(qū)域（左線DK36+730.5～DK 36+557.069，DK37+179.22～DK37+151.4，右線D K36+558.948～DK36+568.378，DK36+637.898～DK36+710.079）：為控制爆破振動，短進尺臺階爆破開挖循環(huán)進尺為1m。上臺階采用復(fù)式楔形掏槽，一級掏槽孔孔口距0.6m，孔深1m，二級掏槽孔孔口距1.2m，孔深均為1.2m；輔助孔孔深1.2m，孔距0.6m，排距0.7 m；周邊孔孔間距0.4m，孔深1.2m。下半斷面開挖比上半斷面增加了一個自由面，因此，炮孔數(shù)及單耗均可減少，排距取0.8m，輔助眼孔距0.7m，周邊孔距取0.45m，孔深1.2m。

（3）全斷面爆破方案設(shè)計：全斷面開挖炮孔深度不宜過大，按2.4m 循環(huán)進尺考慮，全斷面開挖。炮孔參數(shù)設(shè)計如下：掏槽孔孔口距1.0m，孔深均為2.7m；輔助孔孔深2.6m，孔距0.6m，排距0.7m；周邊孔孔深2.6m，孔間距0.45m，周邊眼抵抗線0.6m，底孔孔深2.7m。掏槽孔裝藥集中度取0.7kg/m，周邊眼裝藥集中度取0.15～0.20kg/m。

3.爆破振動安全設(shè)計

3.1 爆破振動速度控制值

（1）《鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)范》（TB10303-2019）針對隧道、橋梁、路基和接觸網(wǎng)等防護對象給出了安全允許標準。高速鐵路、城際鐵路橋梁允許值應(yīng)減小10%。橋梁以無列車通過時橋墩頂部、鐵路路基選擇迎爆側(cè)路肩、接觸網(wǎng)支柱以支柱基座等的振動速度峰值為基準。

（2）參考上述規(guī)范并結(jié)合既有線的工程振動控制經(jīng)驗，并根據(jù)《鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于“使用年限每增加10 年，爆破振動允許值降低8%”的規(guī)定，對不同類型建（構(gòu)）筑物爆破振動控制值的選取如下：

①鐵路：振動速度控制值1cm/s；

②涵洞：振動速度控制值1cm/s；

③路基：振動速度控制值1cm/s；

④接觸網(wǎng)鋼筋砼支柱：振動速度控制值1cm/s。

3.2 爆破振速計算及校核

根據(jù)該工程周圍環(huán)境、工程地質(zhì)情況，參數(shù)選取如下：

（1）R 取15m～260m。

（2）不同類型建（構(gòu)）筑物爆破振動控制值。

（3）因爆區(qū)巖性為中硬巖石，所以K 取150-250；a 取1.5-1.8，本方案K 取200；a 取1.8，后續(xù)可根據(jù)實際測量值進行調(diào)整。

（4）安全振動與安全距離和藥量之間的關(guān)系可用公式進行計算[3]：

R=(K/V)1/αXQ1/3

其中K、α--與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014/XG1-2016）可按下情況取值。

①堅硬巖石：K 取50～150，α 取1.3～1.5；

②中硬巖石：K 取150～250，α 取1.5～1.8；

③軟巖石：K 取250～350，α 取1.8～2.0；

代入式中，計算結(jié)果得出。

從表1 可知，按照爆破方案進行施工，產(chǎn)生的振動均在安全允許范圍內(nèi)，不會對鄰近鐵路路基、橋涵等設(shè)備設(shè)施等產(chǎn)生安全影響。

表1 爆破振動速度計算值

（5）為了控制爆破振動，同時采取以下措施：

①根據(jù)爆破施工區(qū)域與周圍保護目標的距離限制單段最大藥量，并通過試爆調(diào)整優(yōu)化爆破設(shè)計。

②暗挖采取“多打孔，少填藥，短進進，弱爆破”的控制爆破方法進行施工。

③嚴格組織，精心準備，保證各工序質(zhì)量。

此外，做好爆破振動監(jiān)測，根據(jù)試爆效果調(diào)整k，a值并修正振動計算值，并依此調(diào)整填藥量。

4.建（構(gòu)）筑物爆破振動監(jiān)測

4.1 監(jiān)測質(zhì)量保證措施

（1）技術(shù)交底及驗收

提前進行監(jiān)測點布設(shè)圖交底工作，說明監(jiān)測點埋設(shè)對應(yīng)的施工工序，及時告知相關(guān)人員做好監(jiān)測點埋設(shè)前的準備工作；收集好每個監(jiān)測點埋設(shè)時的影像資料、日期、位置等工作。

（2）初期控制

在施工前，根據(jù)施工設(shè)計方案，通過現(xiàn)場勘察，確定監(jiān)測儀器和監(jiān)測點布置的位置、數(shù)量及深度等，根據(jù)總的施工順序和進度計劃，初步確定測點布置順序。

（3）過程控制

儀器安裝埋設(shè)過程，要對儀器、傳感器和設(shè)備等進行不斷的檢驗，以保證監(jiān)測設(shè)備質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（4）監(jiān)測控制

監(jiān)測階段根據(jù)規(guī)定的采集頻率，滿足系統(tǒng)在時間上的連續(xù)性要求，以儀器的精度和準確度為標準檢驗或判斷數(shù)據(jù)的偏差是否正常。

（5）數(shù)據(jù)分析處理控制

監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲存、計算、管理全部采用計算機系統(tǒng)進行，自動圖表處理數(shù)據(jù)。

4.2 測點埋設(shè)及要求

監(jiān)測實施過程中，測點根據(jù)現(xiàn)場實際需要，對爆破振動影響范圍內(nèi)周邊存在的既有鐵路重要設(shè)施進行監(jiān)測。測點埋設(shè)時，不應(yīng)選擇松軟的浮土、蓋板、有地下空洞的地方布點。在監(jiān)測區(qū)域遇到上述地點，可以微調(diào)測點位置，以保證爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)的正常、真實有效。

4.3 測點埋設(shè)

測點埋設(shè)采用石膏粉的粘貼方法，將三向拾振器粘結(jié)牢固具體埋設(shè)方法為：

（1）在被測點選取一干凈平整面，然后取適量石膏粉放于選取點位置，向石膏粉中緩慢倒入適量清水進行拌合；

（2）待水和石膏粉基本溶解后，將傳感器輕輕放入溶解的石膏粉中，放入時注意保持傳感器正面豎直向上且垂直于選點平面，然后適當(dāng)用力按壓；

（3）等待5 分鐘后，輕移傳感器，如無明顯松動，即安裝完畢，即可聯(lián)接儀器；

（4）儀器進入信號等待狀態(tài)后，輕輕用手指敲擊傳感器，觀察儀器是否記錄，確保傳感器及儀器的可靠工作。

4.4 監(jiān)測方法

（1）首先對附近的建（構(gòu)）筑物進行詳細的調(diào)查，確定監(jiān)測對象。根據(jù)監(jiān)測對象與爆破點的相對位置關(guān)系，確定測點位置及布置方法。

（2）振動監(jiān)測采用SR-VM1004（A）爆破測振儀進行監(jiān)測。測試系統(tǒng)可以同時連接1～4 個拾振器。現(xiàn)場監(jiān)測時，在爆破前應(yīng)對監(jiān)測系統(tǒng)進行檢查、檢測和標定，等待現(xiàn)場的爆破指令，在爆破前1 分鐘開始進行采樣，數(shù)據(jù)采集儀自動采集并把相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到計算機的指定目錄中。

4.5 監(jiān)控測試點布設(shè)范圍

（1）徐鹽客專線4 號橋布設(shè)2 個測點；

（2）徐鹽客專線旁路基布設(shè)1 個測點；

（3）徐鹽客專線5 號橋布設(shè)2 個測點；

（4）徐鹽客專高架橋橋墩布設(shè)1 個測點；

（5）大湖北站車站臨近隴海線處布設(shè)1 個測點。

5.實際爆破測震情況

經(jīng)過徐州市城市軌道交通6 號線大湖北站～預(yù)留工程豎井區(qū)間隧道爆破工程施工經(jīng)驗分析，基本把上臺階爆破孔內(nèi)延期組合設(shè)計為；以各段別導(dǎo)爆管雷管均勻分布的網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)形式（簡稱大網(wǎng)絡(luò)）、以大段別導(dǎo)爆管雷管與小段別導(dǎo)爆管雷管組合網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)形式（簡稱大小網(wǎng)絡(luò)）和以小段別導(dǎo)爆管雷管為主網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)形式（簡稱小網(wǎng)絡(luò)）3 種模式。施工過程中，項目最大振動參數(shù)約0.82cm/s，最小振動參數(shù)約0.05cm/s，均小于鐵路50m 范圍內(nèi)振動0.85cm/s 要求。有效減少對鐵路干線的擾動，保證了鐵路安全平穩(wěn)運營。