铜锣山隧道洞室群小净距爆破施工控制技术

朱艳峰，黄明普

(1.广州番禺职业技术学院，广东广州511483;2.中铁十八局集团有限公司，天津300222)

铜锣山隧道洞室群小净距爆破施工控制技术

朱艳峰1，黄明普2

(1.广州番禺职业技术学院，广东广州511483;2.中铁十八局集团有限公司，天津300222)

复杂洞室群小净距隧道施工的关键是爆破振动效应的控制。为减少小净距隧道爆破开挖对结构及中夹岩柱稳定的不利影响，重庆轨道交通六号线铜锣山隧道复杂洞室群小净距爆破通过精确计算，合理选择与工程相匹配的钻爆参数，采用非电毫秒雷管、乳化炸药和光面爆破，硬岩地段爆破分台阶进行，确保了隧道超欠挖在允许范围之内，并使中夹岩柱的扰动达到最小。本工程的复杂洞室群爆破控制技术可为今后类似工程提供参考。

复杂洞室群 小净距隧道 爆破控制技术

我国正大规模开展城市地铁、公路、铁路等的交通建设，因受地形地质条件、征地范围和环保要求的限制，相邻隧道间距相对较小的小净距隧道越来越多地出现在工程实践中［1-2］。

目前，隧道与地下工程的主要施工方法有明挖法、半明挖法、盾构法以及钻爆法［3］。钻爆法相对于其他三种施工方法，具有开挖成本低、地质条件适应性强的特点，在岩体破碎的中长、短隧道以及岩体坚硬的隧道施工中更加适宜。不论是从经济、技术角度还是从掘进效率方面考虑，小净距隧道大部分都会采用钻爆法掘进。复杂洞室群小净距隧道施工的重点以及难点是控制爆破作业，减小两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形，确保隧道在开挖过程中中夹岩柱的稳定［4-8］。本文以重庆轨道交通六号线铜锣山隧道工程为例，系统地阐述了复杂洞室群小净距隧道爆破施工控制技术。

1 工程概况

铜锣山隧道工程为两单洞单线隧道，位于重庆轨道交通六号线二期刘家坪站—上新街站区间。隧道右线起点里程为YDK5+825，终点里程为YDK11+ 458.373，全长5 633.373 m，属低山地貌，地面高程420～380 m，坡脚8°～20°，地质情况极其复杂，经过F1断层，石膏岩及低阻异常区等地段。隧道埋深180 m左右，隧道洞身围岩为三叠系上统须家河组第六段地层，主要为砂岩、泥岩。在里程YDK11+213—YDK11 +222存在采空区，宽约9 m，斜切整个隧道，向隧道四周延伸;在里程ZDK11+223—ZDK11+226，存在须家河第五段煤系地层，有压煤、穿煤、低瓦斯等不良地质现象，以接近正交方式横穿隧道，在隧道洞身段四周无规则延伸;距离1#斜井与主洞交叉口洞室群10 m左右存在水冬瓜煤矿采空区，地下水聚集在下部;里程Y(Z)DK9+640—Y(Z)DK10+800段为岩溶饱水区，HHS0+00—HHS0+33段为低阻异常区，地下水富集［9-11］。

2 小净距隧道爆破难点及振动控制方法

铜锣山隧道工程1#斜井与正线交叉口各洞室的间距很近，如图1所示。ZDK8+906.175—ZDK8+ 835段距右线的开挖边线净间距为5.16 m和5.40 m，而TBM拆卸洞的开挖洞径为10.08 m，开挖边线线间距接近TBM拆卸洞洞径的一半(d/2)，为典型的小净距隧道。为减少爆破振动效应的叠加，确保隧道开挖过程中中夹岩柱体的稳定，隧道开挖顺序的选取以及爆破效应的控制至关重要。

小净距隧道爆破振动效应的控制方法包括:①微差爆破干扰降振法;②不耦合装药结构或低爆速炸药降振法;③增加临空面、减小爆破夹制力降振法。

1)微差爆破干扰降振法属于主动控制法。爆破振动与爆心距、爆破药量以及介质条件有关。由于介质条件不可改变，与改变爆心距相比，在工程上控制爆破药量更为有效。虽然控制同段起爆的最大药量可以有效减小爆破振动的影响，但为了加快施工进度，往往加大一次起爆的药量。微差爆破技术可以有效解决降低爆破振动影响与施工进度之间的矛盾。采用微差爆破技术时，可通过调节各段之间的相位差使得各段爆破振动产生的干扰相互抵消，从而降低爆破振动强度［12］，达到降振目的。使用毫秒延期雷管是实现干扰降振的主要手段，将一次爆破药量分成多段实现毫秒延期起爆。由于前发药包为后发药包开创了临空面，可以有效加强爆破效果;逐发爆破又使炮孔产生的振动波相互干扰，峰值不能迭加，减少了岩石的夹制力，具有精度高、段别多，选择余地大等特点。在小净距隧道爆破施工中，采取前排段别适当减小炮孔数，后排段别适当增加炮孔数的方法，将爆破振动控制在要求的范围内，并且能扩大爆破装药量，以满足施工进度的要求。

2)不耦合装药结构和低爆速炸药降振法均属于被动控制法。不耦合装药结构即为炮孔直径大于药卷直径的一种装药结构形式，可以有效延长爆轰气体对岩石的作用时间并降低爆破时的冲击压力。爆破振动的强弱与炸药的性能密切相关，低爆速炸药的应用也可有效降低爆破产生的冲击速度。所以，在小净距隧道爆破施工中为控制爆破振动效应，常常同时采用不耦合装药结构与低爆速炸药降振法。

3)增加临空面、减小爆破夹制力降振法。爆破位置离自由面越远，岩石产生的夹制作用就越强，爆破振动速度就越大;相反，自由面位置越近爆破产生的振动速度就越小。另外，临空面的多少也对爆破振动的强弱有极大影响。在小净距隧道的爆破施工中，为减少爆破振动的影响，需对掏槽方案进行优化。通过改善起爆顺序，来改善临空面条件，减轻爆破夹制作用，减小最小抵抗线。

图1 1#斜井与主线洞口关系平面示意(单位:m)

3 复杂洞室群小净距隧道爆破设计及施工技术

1)爆破方法及减震措施

铜锣山复杂洞室群小净距隧道采用了台阶法施工，复合式TBM拆卸洞采用钻爆法开挖。为达到爆破后隧道轮廓线的平整度及保证中夹岩柱和隧道结构的稳定，最大限度地减少爆破振动对岩石的扰动，避免加大既有裂隙而出现隧道渗漏水现象，爆破时不影响相邻洞室支护结构的稳定性，并控制后续爆破对小净距隧道初期支护的震动作用，开挖过程中TBM拆卸洞断面分5次爆破成型。根据炸药与岩石的匹配程度，精心选择了合适的爆破器材。在爆破施工中，两洞不能平行爆破作业，采用中等爆速的炸药;前后洞之间的距离控制在30～50 m;掏槽眼、掘进眼、扩帮眼均选用了乳化炸药，采用非电毫秒雷管和导爆索连接各周边孔内的药卷起爆，相邻段别的起爆间隔＞100 ms，周边眼采用不耦合装药结构的光面爆破，以减少每段起爆的炸药用量以及各段爆轰波的叠加;孔外采用非电毫秒雷管传爆，电雷管起爆。掏槽爆破段时间间隔设置为50～75 ms，后续炮眼的爆破段时间间隔由于受到爆破器材的限制，进行了逐段安排。

2)爆破参数

本工程对爆破参数进行精心选择，在保证爆破振动速度符合安全规定的前提下，严格遵循“弱爆破、短进尺”的施工原则，有效提高了隧道开挖成型的质量和施工进度。本隧道设计单循环进尺为2.0 m，在隧道拱顶设置一圈周边孔，隧道最大段起爆药量设置为30.0 kg，掏槽孔布置于隧道断面的中部，左、右2组各5对对称布置，掏槽孔孔深2.3 m，倾斜角度65°，每对掏槽孔孔口间距为2.18 m，2组掏槽孔的直线距离为0.40 m。掏槽方式采用在垂直方向楔形掏槽。爆破中心的掏槽孔总装药量为16.0 kg。爆破采用非电毫秒雷管微差起爆，分8段起爆完毕。在隧道上部呈弧形布置5排炮孔，最外排炮孔与隧道拱顶周边孔相距50 cm，中间炮孔的排距为70 cm。在隧道边墙的周边孔与掏槽孔之间布置了4排炮孔，最外排的炮孔与隧道边墙周边孔的距离为70 cm，中间炮孔的排距为70 cm。在隧道掏槽孔的下方设置了2排炮孔，底板炮孔的间距为70 cm，中间炮孔间距为70 cm。炮孔布置如图2所示。

图2 TBM拆卸洞上台阶开挖炮眼布置(单位:mm)

按药卷逐节密贴装填不加捣实估算，炮眼数目为

式中:N为炮眼数目，个;q为单位炸药消耗量，kg/m3; s为导坑断面积，m2;r为药卷每米质量，kg/m;κ为炮眼富余系数;α为装填系数。

3)爆破控制

将地面建筑物基础底部或地面的振速控制测点至爆源中心的距离R作为爆破安全控制半径，质点振动波速度以1.5 cm/s为控制标准。最大一段的允许用药量Qm为

表1 TBM拆卸洞上台阶爆破装药参数

式中:Qm为最大一段的允许用药量，kg;R为爆源中心与振速控制测点的距离，m;Vkp为质点振动波速度限值，取1.5 cm/s;K为与爆破技术及地形有关的系数，一般取150;a为爆破振动波衰减系数。

为使有限的装药量均匀地分布到被爆破体中，炮眼按照浅密原则布置，以降低隧道爆破的震动强度。结合现场岩石的特性确定TBM拆卸洞上台阶爆破装药参数，见表1。

4)爆破施工技术措施

为了更有效地利用炸药爆炸的能量，减少对周边围岩的扰动，确保隧道超欠挖在允许范围之内，硬岩地段隧道爆破施工分台阶进行，间隔装药，在掏槽孔、辅助眼和底板眼处连续装药。本工程Ⅲ级围岩线装药密度取0.3～0.6 kg/m，起爆网络采用簇并连法，爆破采用微差起爆方式，掏槽孔段间延时差为50～75 ms，共分8段起爆。起爆顺序为掏槽孔→辅助眼→周边孔，确保抛渣2 m。

5)爆破监测

本工程爆破振动速度按《爆破安全规程》(GB 6722—2003)的要求进行控制，在地面及先行洞内对每次爆破均进行了爆破振动监测，以掌握爆破对附近建筑物的影响程度，且爆破监测对控制隧道超欠挖及维护隧道内外环境的稳定，修改钻爆设计起着关键作用。

6)岩壁加固

施工时先行开挖左线，待开挖右线时同步对岩壁进行加固。岩壁加固采用φ25砂浆锚杆，锚杆采用车丝杆，锚杆两端加设200 mm×200 mm×10 mm的固定垫板，用螺帽拧紧。将岩壁穿透对拉锁死(灌浆浆液采用M20水泥砂浆)。φ25砂浆锚杆按梅花形布设，间距1.0 m×1.0 m。

4 爆破有害效应验算

小净距隧道采用爆破方法掘进时，爆破过程中部分炸药的能量将转化为地震波，并伴随着冲击波、飞石、爆破毒气以及爆破噪声的产生，严重影响着附近地表建筑物、机械设备以及生命财产的安全。小净距隧道爆破有害效应的验算，将确保隧道爆破的安全性。

1)地震效应验算

根据爆破安全规程的规定，工程爆破中采用爆破地震的最大质点振动速度来衡量爆破振动的强度。计算公式为

式中:v为质点垂直振动最大速度，cm/s;Q为最大一段的装药量，kg;R为测点距爆源中心的距离。

工程上爆破地震效应的验算一般用垂直振动速度作为判据。由于爆破振速的大小与炸药量、距离、地形、爆破方法等有关，本工程最大段装药量Qmax=19.8 kg，取K=150，a=1.6。表2为测点距爆源中心不同距离时的最大垂直震动速度。由表2可知，当测点距爆源中心的距离为50 m时，垂直震动速度v=1.41 cm/s，小于爆破安全规程要求的1.5 cm/s，因此，爆破振动的安全距离为50 m。由于测点垂直震动速度随着距爆源中心距离的增大而减小，因此，在测点离爆源中心的距离＞50 m的情况下，爆破地震效应引起的垂直震动速度能确保建筑物的安全;当建筑物处于距离爆源中心50 m范围以内时，采用小进尺(循环进尺1 m)即可保证震动指标符合设计要求。

2)冲击波超压影响

由于本工程中隧道洞室群爆破均位于地下，且小净距隧道的施工方向均为水平，所以冲击波超压对洞口周围建筑物的影响可以忽略不计。

3)爆破噪音影响

爆破噪音主要由冲击波造成气体压力脉动而产生。在爆破作业中，当空气冲击波的超压值降至0.02 MPa以下时，冲击波将蜕变为声波，并以波动的形式继续向前传播，随之产生爆破噪音。我国《爆破安全规程》规定:空气冲击波超压值的安全允许标准对人员为0.02×105Pa。本项目按隧道内裸露药包爆破计算空气冲击波超压值。

式中:Δp为空气冲击波超压值，×105Pa。

测点距爆源中心不同距离时空气冲击波超压值如表3所示。

表2 测点距爆源中心不同距离时的最大垂直震动速度

表3 不同距离的空气冲击波超压值

由表3可以看到，当测点距爆源中心距离为50 m时，空气冲击波超压值为0.001 697 MPa，小于对人员的安全冲击波超压标准0.002 MPa，即相当于161 dB。但当噪音峰值超过90 dB以上时，就会严重影响人们的正常生活和工作，因此，必须采取措施，隧道爆破时在洞内加设湿泡沫罩或废旧轮胎，以减少冲击波产生的噪音影响，同时爆破时间应在白天喧闹时间进行，将噪音峰值控制在90 dB以下。

4)爆破飞石影响

爆破飞石指爆破时个别或少量脱离爆堆飞得较远的碎石或碎块，爆破飞石往往是造成人员伤亡、建(构)筑物和仪器设备等破坏的原因。隧道爆破时，要求个别飞石对人员的安全距离应该不小于规定的300 m。本工程爆破设计采用低爆速炸药、不耦合装药结构、毫秒延时爆破等。爆破时，飞石对人员安全距离均符合设计要求。

5 小净距隧道爆破效果

1)隧道爆破后开挖面无明显裂隙，无危石，避免了局部塌落，保证了施工的安全。

2)隧道爆破后石块大小均匀，无大块石，方便出渣和运输，提高了出渣效率。

3)隧道爆破后超欠挖符合设计规定，开挖轮廓成型规则，岩面较平整;减少了超欠挖量，节约了大量混凝土和回填片石，加快了施工进度。

4)隧道爆破后，大大降低了爆破震速。隧道爆破规定的设计震速不得超过2 cm/s，现场爆破时实际检测均在1 cm/s左右，极大降低了爆破振动对周边环境及建筑物的影响，保证了爆破施工安全。

6 结语

复杂洞室群小净距爆破施工是本区间隧道施工中的重点和难点，本文以铜锣山隧道工程为例，从爆破方法的选择、减震措施的采用、爆破参数的确定以及爆破控制等几方面系统阐述了复杂洞室群小净距隧道开挖的爆破设计方案，提出了小净距隧道掘进爆破的具体施工技术措施和质量控制技术，通过爆破效应的验算确保符合爆破安全规程的要求。该爆破施工控制技术的成功应用，可为类似的隧道爆破施工提供参考。

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Controlling blasting technique for Tongluoshan tunnel group w ith small net spacing from each other

ZHU Yanfeng1，HUANG Mingpu2
(1.Guangzhou Panyu Polytechnic，Guangzhou Guangdong 511483，China;2.China Railway 18 Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China)

T he key of neighborhood tunnel construction for com p lex tunnel group is the con trol of blasting vibration effect.In order to reduce adverse effect of neighborhood tunnel blasting on in terlaid rock stability，neighbo rhood blasting of T ongluoshan tunnel for complex tunnel group in Chongqing rail transit line 6 chose the d rilling and exp losion param eters m atching w ith the engineering by accu rate calcu lation and adopted the nonelectric m illisecond detonator，em ulsion exp losive and sm ooth blasting.Step by step blasting w as used in hard rock sections，which ensu res the over excavation of tunnel in allow able range and m akes the interlaid rock distu rbance be m inim al.Con trolling blasting technique for com p lex tunnel group could p rovide a reference fo r the sim ilar engineering in future.

Com p lex tunnel group;T unnels w ith sm all net spacing;Con trolling blasting technique

TD235.34

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.22

1003-1995(2015)06-0083-05

(责任审编葛全红)

2015-01-10;

2015-04-25

朱艳峰(1968—)，女，山西五台人，讲师，博士。