沙崗山鐵路隧道微臺階法爆破開挖施工技術(shù)研究

摘要：針對爆破開挖施工振動速度較大、峰值速度較高，容易導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)、隧道形變等問題，以沙崗山鐵路隧道施工項目為依托，開展微臺階法爆破開挖施工技術(shù)研究。先闡述工程概況，然后以此為基礎(chǔ)，完成施工技術(shù)的設(shè)置，通過設(shè)置復(fù)式楔形掏槽分區(qū)、布置沙崗山鐵路隧道爆破炮孔、連接隧道起爆組網(wǎng)等步驟，實現(xiàn)爆破開挖任務(wù)。最后通過測試完成該技術(shù)施工效果的驗證。實例分析結(jié)果驗證了該技術(shù)的施工質(zhì)量更佳，能夠應(yīng)用于實際工程中。

關(guān)鍵詞：沙崗山；鐵路隧道；微臺階法；爆破開挖；施工技術(shù)

0 引言

在隧道爆破施工過程中，爆破振動對隧道開挖結(jié)構(gòu)及周圍既有建筑的危害較大，會嚴(yán)重影響隧道施工質(zhì)量。因此，如何減小爆破振動的危害成為施工人員的研究重點[1]。

目前，爆破施工的減振方法以炮孔間距設(shè)計、掏槽布孔優(yōu)化、增設(shè)減振孔、縮短進(jìn)尺等方面為主。通過在掏槽布孔中增加一個孔位，可延長爆破時間，改變施工工序，從而降低爆破振動[2]。而增設(shè)減振孔則是在炮孔外側(cè)布置減振孔位，并增加孔位之間的間距，以減小振動的幅度。另外，縮短進(jìn)尺也是一種減小爆破振動的方法，其通過減小起爆藥物的用量來實現(xiàn)。

以上這些方法均采用不同的施工工序，以達(dá)到減小爆破振動的效果。但受到隧道現(xiàn)場環(huán)境的影響，爆破過程中仍會對既有建筑造成影響，無法滿足隧道施工需求[3]。炸藥在隧道巖體內(nèi)發(fā)生爆炸之后，爆炸能量在巖體中循環(huán)傳播，橫波與縱波均會產(chǎn)生一定應(yīng)力，壓縮擠壓隧道巖體，造成隧道形變。在爆破開挖施工過程中，裝藥包以炮孔為中心，炮孔半徑的范圍內(nèi)，形成大量的沖擊波。沖擊波能量衰減較大，沖擊振幅、頻率、強(qiáng)度參數(shù)均隨之改變[4]。沖擊波與橫波縱波共同作用，容易造成隧道坍塌的隱患。

基于此，本文以沙崗山鐵路隧道施工項目為研究對象，以減小爆破振動為目標(biāo)，設(shè)計了一種沙崗山鐵路隧道微臺階法爆破開挖施工技術(shù)。

1 工程概況

本文以沙崗山鐵路隧道爆破開挖工程為例，開展研究。沙崗山鐵路為客貨共線雙線隧道，位于穿山、象州區(qū)間。起始樁號為DK35+140，終止樁號為DK35+615，全長475m，最大埋深70m，最小埋深0m，進(jìn)口坡度較緩、出口坡度較陡。進(jìn)口、出口均有基巖出露，坡面植被多為桉樹、灌木。

隧道斜穿越一座條形山體。隧道進(jìn)、出口不遠(yuǎn)處均有便道相通，線路左側(cè)有柳北高速公路，交通較為便利。隧道主要圍巖級別為Ⅲ級、IV級、V級。隧道進(jìn)口地形整體下緩上陡，地面高程100～180m，相對高差40～80m，自然坡度15～40°。沙崗山隧道洞身管線布置情況如圖1所示。

隧道出口地形較陡，自然坡度為35～50°。整個地區(qū)地形地貌受構(gòu)造控制較明顯，山體明顯可見呈臺階狀展布，臺階前部呈陡壁狀，陡壁處及山頂可見基巖出漏。

在DK35+140～DK35+150里程上（長度為10m），采用

明挖法開挖施工；在DK35+170～DK35+200里程上（長度為30m），采用三臺階+臨時支撐的形式開挖；在DK35+225～DK35+265里程上（長度為40m），采用兩臺階開挖。

2 微臺階法爆破開挖施工設(shè)計

本文以上述工程為基礎(chǔ)，完成微臺階法爆破開挖施工設(shè)計，具體流程如下：

2.1 設(shè)置復(fù)式楔形掏槽分區(qū)

在微臺階爆破時，巖體受到的夾制力作用較大，夾制力作用強(qiáng)度與炮孔深度成正比[5]。因此，在爆破開挖的過程中安裝掏槽模板，確保隧道巖石夾制力作用效果，從而保障掏槽質(zhì)量。臺階法施工縱斷面如圖2所示。

由于沙崗山鐵路隧道的地質(zhì)條件較差，本次將開挖斷面分為3層，分別為①層、②層、③層。以①層、②層、③層的順序開挖，形成3個正臺階[6]。開挖施工前，設(shè)置了超前支護(hù)，其強(qiáng)度需足夠支撐爆破開挖的穩(wěn)定性。

在①層、②層、③層的位置設(shè)置復(fù)式楔形掏槽分區(qū)，①層為掏槽u5zJulg7veribbfEKoI6YA==1區(qū)，②層為掏槽2區(qū)，③層為掏槽3區(qū)。掏槽1區(qū)處夾制力作用較大，對此利用爆破漏斗形成臨界深度，使巖石拋出沖擊作用力與夾制力作用抵消，從而避免隧道形變。

2.2 布置沙崗山鐵路隧道爆破炮孔

在隧道爆破時，通過縮小開挖進(jìn)尺，可減小炮孔間距、減小裝藥密度，從而滿足爆破需求。根據(jù)隧道中心線、腰線布置炮眼位置、方向、深度，嚴(yán)格控制周邊眼的間距，使炮孔滿足爆破需求[7]。通過改變炮孔間距，能夠改變雷管總段位數(shù)，均勻分配爆破裝藥量，從而起到一定減振效果。爆破參數(shù)如表1所示。

表1中，a為掏槽眼，b為輔助眼，c為掘進(jìn)，d為內(nèi)圈眼，e為底板眼，f為周邊眼。A為爆破眼，B為周邊眼。根據(jù)沙崗山鐵路隧道施工圖紙，劃分出隧道中心線。根據(jù)中心線位置，布置炮眼位置。在此過程中，需要嚴(yán)格控制周邊眼的間距。

根據(jù)沙崗山鐵路巖石穩(wěn)定性能，調(diào)整炮眼間距為40cm左右。周邊眼的開眼位置在炮眼中心輪廓線上，根據(jù)炮孔深度調(diào)整傾斜率。在周邊爆破孔中，采用小直徑連續(xù)裝藥的形式，確保爆破孔的起爆效果。

2.3 連接隧道起爆組網(wǎng)

2.3.1 操作要點

本文根據(jù)隧道開挖需求，準(zhǔn)備起爆網(wǎng)絡(luò)。將起爆器、爆破母線、連接線、炮孔、電雷管連接在一起，通電起爆完成爆破開挖任務(wù)[8]。起爆器安裝在起爆臺階上，并調(diào)整起爆器的輸出電壓與電流使其符合要求。將爆破母線連接在起爆器與各個炮孔引爆線上，并讓電雷管與炮孔連接。將各個起爆設(shè)備連接完成之后，檢查整體線路。待起爆網(wǎng)絡(luò)一切正常后，通電起爆。

2.3.2 相關(guān)參數(shù)計算

在掏槽區(qū)，爆炸變形能可表示如下：

（1）

式中：?E為掏槽區(qū)起爆的巖性變形能，δt為徑向應(yīng)力，δk為切向應(yīng)力，αt為徑向應(yīng)變，αk為切向應(yīng)變。

徑向應(yīng)力δt可表示為：

（2）

式中：Pmax為爆破壓力作用在巖體的初始峰值壓力，r為應(yīng)力波傳播距離。

將?E與、δt與Pmax設(shè)計值相對照，確定其符合設(shè)計需求，能夠滿足本次施工質(zhì)量要求。在全部爆破孔均爆破完成之后，及時斷開起爆器的電源，確定現(xiàn)場無殘留爆破材料后，完成本次爆破開挖任務(wù)，確保隧道開挖施工的安全性。

3 測試結(jié)果分析

本文將炸藥量設(shè)定為9.0kg，設(shè)置爆心距在10～20m范圍內(nèi)。在X向（徑向）、Y向（切向）、Z向（垂向）的爆破振動速度方向，確定峰值速度與最大矢量合成速度。使用本文設(shè)計技術(shù)開始施工，確定實際矢量合成速度。將最大矢量合成速度與實際矢量合成速度對比，后者低于前者的前提下，后者越小，爆破開挖施工質(zhì)量越佳。

峰值速度是爆破開挖過程中，振動的最大速度值，峰值速度越大，對鐵路環(huán)境的影響越大。本文在爆破開挖施工過程中，充分考慮到了既有建筑的實際情況，控制爆破的峰值速度。矢量合成速度是爆破振動在三維空間的合成速度，最大矢量合成速度就是X（徑向）的峰值速度+Y（切向）的峰值速度+Z（垂向）的峰值速度。實際矢量合成速度低于最大矢量合成速度，才能滿足爆破開挖施工質(zhì)量需求。應(yīng)用結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，在炸藥量、爆心距等條件均已知的情況下，使用本文設(shè)計的開挖施工技術(shù)之后，實際矢量合成速度均低于最大矢量合成速度，能夠滿足沙崗山鐵路隧道施工質(zhì)量需求。

4 結(jié)束語

在地質(zhì)條件復(fù)雜的環(huán)境中，若隧道開挖與支護(hù)技術(shù)存在安全隱患，會影響隧道爆破開挖施工質(zhì)量。基于此，本文以沙崗山鐵路隧道項目施工為依托，開展微臺階法爆破開挖施工技術(shù)研究。

從掏槽施工、炮孔布置、起爆網(wǎng)絡(luò)連接等方面，控制隧道斷面的形狀與大小。利用微臺階法，將隧道斷面分成小臺階，以獨立爆破的形式完成開挖施工，從而最大程度上減小爆破開挖施工對隧道圍巖的擾動情況。

測試結(jié)果表明，本次通過二臺階、三臺階等爆破開挖的形式，減小了爆破振動速度，避免了圍巖失穩(wěn)、隧道形變的問題，有效提高了隧道爆破開挖施工質(zhì)量。

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