礦山法隧道下穿既有建筑物爆破施工控制技術(shù)研究

摘要：介紹了新建寧波至舟山鐵路線金塘海底隧道以及其北侖陸域礦山法隧道段工程概況、周邊環(huán)境和工程難點(diǎn)，制定了包括開挖方法、開挖順序和開挖注意事項(xiàng)等在內(nèi)的隧道開挖方案，從炮孔布置斷面及參數(shù)、爆破振動(dòng)速度安全校核、裝藥結(jié)構(gòu)與填塞、起爆網(wǎng)路及爆破順序等方面對(duì)爆破施工進(jìn)行了設(shè)計(jì)，施工效果說(shuō)明采用三臺(tái)階法爆破開挖方案是可行的。

關(guān)鍵詞：礦山法；隧道爆破施工；控制技術(shù)；三臺(tái)階法；安全振動(dòng)速度

0" "引言

隧道工程是交通設(shè)施建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，采用礦山法施工具有工序簡(jiǎn)單、成本小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道工程。但是礦山法施工對(duì)周邊環(huán)境影響較大，應(yīng)提前設(shè)計(jì)好爆破參數(shù)，盡可能減小爆破帶來(lái)的不利影響。

近年來(lái)，采用礦山法進(jìn)行隧道施工已逐漸成為研究熱點(diǎn)之一，不少學(xué)者對(duì)此開展了一系列的研究。石連松等[1]依托南關(guān)嶺鎮(zhèn)-南關(guān)嶺站區(qū)間，采用上下臺(tái)階法開挖，提出了配置大孔徑減震孔、掏槽部位盡量下移等措施。蔣麗等[2]基于LM算法改進(jìn)的BP算法，建立了多因素神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用以預(yù)測(cè)爆破施工引起的振動(dòng)響應(yīng)。朱利明等[3]依托南京古建筑鼓樓背景，通過(guò)有限元軟件建立數(shù)值模型，分析了地鐵四號(hào)線爆破施工引起的既有建筑的振動(dòng)響應(yīng)，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了施工方案的可行性。

時(shí)曉強(qiáng)等[4]基于新建隧道下穿已有步行街的工程背景，設(shè)計(jì)了合理的裝藥結(jié)構(gòu)和爆破參數(shù)，優(yōu)化了起爆網(wǎng)路，監(jiān)測(cè)了地表振動(dòng)響應(yīng)；謝興博等[5]以淺埋地鐵隧道礦山法掘進(jìn)施工為背景，針對(duì)工程特點(diǎn)，提出了優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)了延期起爆的松動(dòng)爆破方法和合理爆破參數(shù)體系。

王仁濤等[6]依托青島地鐵3號(hào)線背景，分析了地下水豐富等特點(diǎn)，開展了專項(xiàng)爆破振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，分析了合理布置炮孔間排距、炸藥量、優(yōu)化爆破網(wǎng)路等方案，有效控制了爆破引起的振動(dòng)效應(yīng)。本文以金塘海底隧道北侖陸域段隧道為背景，分析了工程難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了施工方案和爆破參數(shù)。

1" "工程概況

1.1" "工程概況

新建寧波至舟山鐵路線金塘海底隧道總長(zhǎng)度為16.180km，為單洞、雙線隧道，是該鐵路線最長(zhǎng)的隧道。YZSG-2工區(qū)包含隧道8.557km，其中北侖陸域礦山法隧道長(zhǎng)度為3.617km，盾構(gòu)段海底隧道4.940km。雙車道斜井1座（640m）、疏散通道1座（113.61m）。鋪設(shè)CRTS雙塊式無(wú)砟軌道道床長(zhǎng)度為16.77km，無(wú)砟軌道精調(diào)長(zhǎng)度為16.77km。

北侖陸域礦山法隧道施工范圍起點(diǎn)樁號(hào)為DK14+533，終點(diǎn)樁號(hào)為DK18+150，最大埋深約為250m。該礦山法隧道共有兩種斷面類型，其中里程DK14+533～DK18+090設(shè)計(jì)高度為8.68m，凈寬為12.2m，軌面以上斷面有效面積約92.09m2；里程DK18+090～DK18+150設(shè)計(jì)高度為12.995m，凈寬為12.82m，軌面以上斷面有效面積約92.07m2。本文主要研究金塘海底隧道北侖陸域礦山法段隧道、斜井及疏散通道的爆破開挖施工。

1.2" "周邊環(huán)境

金塘海底隧道北侖陸域礦山法隧道段的西南側(cè)距離廠房最近約100m，距離110kV高壓鐵塔約220m，距泰山西路約180m，廠房?jī)?nèi)沒有需重點(diǎn)保護(hù)的精密儀器設(shè)備；東南面距離廠房最近約100m；西北面明暗交接處距離約60m有一處110kV高壓鐵塔塔基；西側(cè)距離約120m有廠房。

礦山法隧道洞身段K16+100和DK16+200里程分別下穿在建黃山西路隧道左右線，其凈距離分別為15.1m和17m；DK15+342里程下穿已廢棄的林家大山灰管隧道，其垂直距離約3.9m；K15+291里程與甬滬寧原油管道的最近距離為70m。

1.3" "工程難點(diǎn)

金塘海底隧道北侖陸域礦山法隧道段的開挖斷面較大，北侖側(cè)的進(jìn)口位于丘陵緩坡的坡腰，其埋深淺，穿越殘坡積、強(qiáng)～中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，圍巖為散體狀-碎裂狀結(jié)構(gòu)；隧道穿過(guò)斷裂帶，節(jié)理裂隙發(fā)育地質(zhì)條件復(fù)雜；隧道嚴(yán)格按“早預(yù)報(bào)、預(yù)加固、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、快襯砌”的原則組織施工。

金塘海底隧道北侖側(cè)的進(jìn)口西南側(cè)及DK14+659里程西側(cè)，分別有110kV高壓鐵塔塔基，進(jìn)洞口周圍有多處廠房，隧道位置的山上有高壓線路穿過(guò)，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制爆破藥量，控制爆破振動(dòng)速度在2.0cm/s以內(nèi)。

洞身里程DK15+342、DK16+100、DK16+200等處，分別下穿廢棄林家大山灰管隧道和在建黃山西路隧道左右線。在該里程段爆破施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)速度。在該里程段下穿點(diǎn)前后100m爆破施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行爆破振動(dòng)檢測(cè)。對(duì)黃山西路隧道爆破振動(dòng)速度需控制在5.0cm/s以內(nèi)，對(duì)林家大山隧道需控制在2.0cm/s以內(nèi)。北侖斜井洞口有大量廠房及高壓鐵塔，爆破時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)速度，主線隧道下穿北侖斜井施工時(shí)，交叉點(diǎn)前后50m內(nèi)采用弱爆破，控制爆破振動(dòng)速度在5.0cm/s以內(nèi)。

2" "隧道開挖方案

2.1" "開挖方法

礦山法隧道段下穿黃山西路隧道左、右線DK16+075～DK16+125、DK16+175～DK16+225的Ⅲ級(jí)圍巖里程采用三臺(tái)階法施工。下穿廢棄林家大山隧道DK15+327～DK15+357里程，采用機(jī)械開挖方法；DK15+287～DK15+327、DK15+357～DK15+397的Ⅲ級(jí)圍巖里程采用三臺(tái)階法施工。

洞壁周邊布置光面爆破孔，根據(jù)不同地質(zhì)巖性的實(shí)際需要布設(shè)合適的孔數(shù)，周邊孔一般要向洞壁方向傾斜10cm左右，以便形成平整的輪廓面。爆破器材選用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為Ф32mm；雷管選用數(shù)碼電子雷管。

2.2" "開挖順序

隧道開挖支護(hù)順序?yàn)椋洪_挖上半斷面→施作上半斷面初期支護(hù)→開挖下半斷面→施作下半斷面初期支護(hù)→施作仰拱→鋪設(shè)防排水層→模筑二次襯砌。

2.3" "開挖注意事項(xiàng)

一是每循環(huán)進(jìn)尺控制在2m左右，各工序平行作業(yè)；二是暗洞爆破需采用控制爆破，嚴(yán)格控制炮眼深度和裝藥量；三是開挖前應(yīng)先進(jìn)行I型Φ42小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)；四是分臺(tái)階開挖后，需立即噴射混凝土，并做好初期支護(hù)；五是下臺(tái)階開挖時(shí)，應(yīng)在先開挖噴射混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行另一部分開挖；六是仰拱二次襯砌混凝土的澆筑宜緊跟初期支護(hù)；七是當(dāng)開挖形成全斷面時(shí)，及時(shí)完成全斷面初期支護(hù)閉合。

3" "爆破施工的設(shè)計(jì)

3.1" "炮孔布置斷面及參數(shù)

3.1.1" "炮孔布置斷面

金塘海底隧道北侖陸域礦山法隧道段為中等復(fù)雜Ⅲ級(jí)圍巖，采用三臺(tái)階法爆破掘進(jìn)施工。三臺(tái)階法隧道斷面炮孔布置斷面如圖1所示。

3.1.2" "炮孔布置參數(shù)

三臺(tái)階法隧道炮孔布置參數(shù)如表1所示，掏槽用小直徑中空直孔布置參數(shù)如圖2所示。

3.2" "爆破振動(dòng)速度安全校核

海底隧道穿越既有構(gòu)建筑物時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行爆破振動(dòng)速度安全校核。薩道夫斯基公式給出的安全振動(dòng)速度最大允許值的計(jì)算方法如下：

式中：v為安全振動(dòng)速度最大允許值，單位為cm/s；k為地質(zhì)特征相關(guān)系數(shù)，無(wú)量綱；Q為單次爆破最大段藥量，單位為kg；R為爆源與觀測(cè)點(diǎn)的直線距離，單位為m；α為地質(zhì)特征相關(guān)衰減指數(shù)，無(wú)量綱。

該礦山法隧道段圍巖強(qiáng)度以Ⅲ級(jí)為主，屬于中硬及軟巖石，故復(fù)核時(shí)值取200，值取1.7。振動(dòng)速度安全校核計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，既有構(gòu)建筑物的振動(dòng)速度均在控制范圍之內(nèi)。

3.3" "裝藥結(jié)構(gòu)與填塞

3.3.1" "周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)

周邊孔采用普通Φ32藥卷間隔裝藥。由于隧道地質(zhì)情況十分復(fù)雜，存在巖性不良或塌方地段，具體裝藥要視現(xiàn)場(chǎng)情況研究決定。對(duì)工況復(fù)雜的位置可在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加輔助孔、周邊孔數(shù)量，并采用特殊裝藥結(jié)構(gòu)、減少裝藥量等方法及時(shí)調(diào)整爆破施工工藝。

要嚴(yán)格控制進(jìn)尺，緊跟作業(yè)面初期支護(hù)快速襯砌，多打孔、少裝藥、放小炮，保證斷面規(guī)整，為初期支護(hù)創(chuàng)造條件。及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)是消除塌方的重要手段，強(qiáng)支護(hù)是預(yù)防塌方的主要措施，施工中利用小導(dǎo)管注漿、長(zhǎng)管棚、格柵拱等進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，對(duì)巖性不良或塌方地段進(jìn)行處理。周邊孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

3.3.2" "其他炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽孔、輔助孔及底孔，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

3.3.3" "堵塞長(zhǎng)度

堵塞材料采用炮泥（砂：土：水=3：1：1）。堵塞的作用是使炸藥在受約束條件下充分爆破，提高炸藥能量利用率。堵塞質(zhì)量要求密實(shí)，不能有空隙和間斷。根據(jù)炮孔位置和作用不同，炮孔的堵塞長(zhǎng)度有所不同。

3.4" "起爆網(wǎng)路及爆破順序

3.4.1" "起爆網(wǎng)路

隧道中、下部臺(tái)階孔內(nèi)雷管采用數(shù)碼電子雷管，靈活設(shè)置延期時(shí)間，自上而下逐排起爆，每發(fā)電子雷管卡扣緊扣在母線上，采用爆破專用發(fā)爆器起爆。在實(shí)際施工過(guò)程中對(duì)延期時(shí)間不斷優(yōu)化調(diào)整。

3.4.2" "爆破順序

隧道下穿黃山西路左、右線起爆順序?yàn)椋篋K16+075～DK16+125里程、DK16+175～DK16+225里程；隧道下穿廢棄林家大山隧道起爆順序?yàn)椋篋K15+287～K15+327里程，DK15+357～DK15+397里程。采用單孔起爆方式，使用數(shù)碼電子雷管靈活設(shè)置延期時(shí)間。

4" "結(jié)束語(yǔ)

本文以金塘海底隧道北侖陸域礦山法隧道段金塘海底隧道Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)段礦山法施工為依托，提出了三臺(tái)階法施工工藝，設(shè)計(jì)了爆破參數(shù)。車站主體爆破施工遵循“早預(yù)報(bào)、預(yù)加固、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、快襯砌”的原則，有利于減少裝藥量并提升炮孔利用率。基于薩道夫斯基公式驗(yàn)算，周邊構(gòu)建筑物的振動(dòng)速度均未超過(guò)控制值，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的施工方案和爆破參數(shù)合理。

參考文獻(xiàn)

[1]" 石連松，高文學(xué)，王林臺(tái).地鐵隧道淺埋段下穿磚混結(jié)構(gòu)房屋爆破振動(dòng)控制研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（12）：1237-1243.

[2]" 蔣麗，黃華東，王先義，等.基于LM-BP算法的隧道爆破振動(dòng)災(zāi)害預(yù)測(cè)的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2016（5）：525-530.

[3]" 朱利明，吳志強(qiáng)，邢世玲，等.隧道爆破開挖施工對(duì)古建筑振動(dòng)速度的影響[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（10）：26-29.

[4]" 時(shí)曉強(qiáng)，雷振，劉幸，等，城市淺埋隧道下穿密集建筑群控制爆破技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（2）：223-227.

[5]" 謝興博，王希之，唐啟超.城市復(fù)雜環(huán)境下淺埋地鐵隧道掘進(jìn)爆破[J].爆破，2014，31（3）：91-95.

[6]" 王仁濤，王成虎，江英豪，等.青島地鐵太延區(qū)間爆破振動(dòng)控制及影響評(píng)價(jià)[J].爆破，2015（3）：139-145.