小间距下穿高铁隧道控制爆破技术

孟祥栋，王立川，孟令天，钟金贝，曾维英，王守伟，刘文鹏，鲁甲兵，蔡正清

（1.重庆城建控股（集团）有限责任公司，重庆404100；2.成都铁路局，成都610000；3.重庆旭博建筑工程咨询有限责任公司，重庆404100；4.重庆市公安局，重庆400023；5.中铁十局集团第三建设有限公司，安徽 淮南232000）

小间距下穿高铁隧道控制爆破技术

孟祥栋1，王立川2，孟令天3，钟金贝3，曾维英3，王守伟4，刘文鹏5，鲁甲兵5，蔡正清5

（1.重庆城建控股（集团）有限责任公司，重庆404100；2.成都铁路局，成都610000；3.重庆旭博建筑工程咨询有限责任公司，重庆404100；4.重庆市公安局，重庆400023；5.中铁十局集团第三建设有限公司，安徽 淮南232000）

因2015年雨季兰渝高铁龙凤隧道内地下水涌出，致其停运，故在线下增建泄水洞，要求必须在2016年雨季前贯通。该泄水洞距上方运营高铁仅5 m，为保证高铁的运营安全，对爆破振速控制要求极为严格。介绍了此工程中所采用的爆破方法、爆破参数和起爆方式，并最终引入了电子雷管错相减振技术以及相应的起爆时差。由于施工区域地质复杂，围岩等级较高，岩石硬度大。通过试爆段的多次爆破监测数据显示，爆破振速以及主频都远远大于一般类似工程。传统非电毫秒延时方式已彻底无法满足工程要求，普通电子雷管逐孔起爆方法亦无法使得振速得到有效控制，所以最终采取了数码电子雷管错相减振技术。施工过程表明，电子雷管错相减振方式的工程爆破效果良好，减振效果明显，保证了泄水洞如期贯通，避免了高铁再次因雨停运。可为类似的工程作为参考。

下穿隧道；微振法；电子雷管；逐孔起爆；错相减振；精确延时

1 引言

随着国家高铁建设的不断推进，下穿既有高铁运营线的泄水洞施工已是常见的情况。为了确保高铁的运营安全，通常此类工程具有严格的振速控制要求。但由于地质、岩石条件的复杂性，传统微振法通常很难起到有效的减振作用。近些年来，高精度电子雷管以及相应的精确延时控制技术已被广泛应用到各类爆破作业项目中，并取得了显著的减振效果。这也为实现隧道爆破的振速控制提供了另一个有效的技术方法。

2 工程概况

因2015年雨季兰渝客运专线隧道内地下水涌出，致其停运。该泄水洞分别下穿相邻并行的既有渭井上行线龙凤隧道、渭井下行线龙凤隧道、沪蓉线龙凤隧道，并与它们垂直相交（见图1～图2）。泄水洞拱顶与既有隧道仰拱底净距仅为5 m，原设计为机械开挖，但因下穿段围岩为弱风化白云岩、灰岩及盐溶角砾岩互层，岩质坚硬，机械开挖效率极低，故决定在绝对保证既有隧道运营安全的前提下，采用控制爆破开挖。在既有线轨道处爆破振速控制在2.5 cm/s以下。

图1 泄水洞下穿既有线平面关系图Fig.1 Platform of drainage tunnel and in-service railway

图2 泄水洞下穿既有线剖面关系图Fig.2 Cross-section of drainage tunnel and in-service railway

爆破振速监测系统布置在既有隧道与下穿泄水洞正交处的轨道平面上（见图3），为了避免对既有线运营的干扰，使用无线监测系统。

图3 既有线内测振仪器位置图Fig.3 Vibration monitor in railway tunnel

3 下穿前试爆段爆破施工

为保证既有隧道的运营安全，在临近下穿段前实施实验段，在相同工况下进行爆破实验。在实验段中分别使用传统微振爆破和数码智能爆破方法；在实施传统微振分部开挖、电子雷管逐孔起爆和电子雷管错相减振起爆的爆破方案后，利用监测数据不断优化方案，最终确定了下穿段的爆破方法、爆破参数和起爆方式。

3.1 传统微振分部开挖

因在实验过程中，爆破振动始终严重超标。为了降低振速，孔深从最初的1.2 m逐渐减小，对仅33.3 m2的小断面隧道开挖方式也从全断面一次爆破调整到分部爆破，直到0.8 m孔深，按下台阶掏槽部分、下台阶扩槽孔与辅助孔、上台阶辅助孔、底板孔与周边孔的顺序依次分四部开挖。

3.1.1 爆破设计

传统微振法炮孔、段别布置如图4所示，传统微振法爆破参数设计见表1。

图4 传统微振法炮孔、段别布置图Fig.4 Detonator arrangement using conventional slight vibration method

表1 传统微振法爆破参数设计Table 1 Blasting parameters of conventional slight vibration method

3.1.2 爆破效果

掏槽部分进尺约0.8 m，成型较平整；下台阶进尺约0.6 m，断面较平整；上台阶进尺约0.6 m，断面较平整；周边孔轮廓较为模糊，不平整。爆破前后效果对比如图5所示，传统微振法的最大振速见表2。

图5 爆破效果图Fig.5 Blasting effect

表2 传统微振法最大振速Table 2 Peak particle velocity generated by conventional slight vibration method

图6 传统微振法爆破振动波形Fig.6 Blasting wave generated by conventional slight vibration method

由监测数据可见，在爆破设计已逼近传统微振爆破工艺的极限的情况下，依然远远无法达到控制振速的要求，尤其是在近距离下。因此必须采用其它爆破方法，故考虑采用电子雷管数码智能爆破方法。

3.2 电子雷管逐孔起爆

因传统微振爆破的设计思想是每段爆破的振动基本衰减完毕后起爆下一段，使得相邻段的爆破振动不叠加。减少单段药量可以降低爆破振速，当每段只爆破一个炮孔时振动最小（排除孔内分段的情况），所以这种方法减振的极限是单孔单响逐孔起爆。但因为传统导爆管雷管的段位有限，如果单孔单响，则没有足够的段位用于爆破，因此不得不分部爆破。而电子雷管通常具有16 000 ms总延时，延时间隔可在1～16 000 ms之间任意调整，精度达1 ms，所以逐孔起爆法可完全实现单孔单响并且不受段位的限制，可实现全断面一次爆破，大大提高生产效率。

3.2.1 爆破设计

逐孔起爆炮孔、延时布置如图7所示，逐孔起爆法的爆破参数设计见表3。

表3 逐孔起爆法爆破参数设计表Table 3 Blasting parameters of hole-by-hole blasting method

图7 逐孔起爆法炮孔、延时布置图Fig.7 Detonator arrangement using hole-by-hole blasting method

3.2.2 爆破效果

电子雷管全断面逐孔起爆法实现了全断面一次起爆，效果良好。爆破前后效果对比如图8所示，逐孔起爆法最大振速见表4，爆破振动波形如图9所示。

图8 爆破效果Fig.8 Blasting effect

表4 逐孔起爆法最大振速Table 4 Peak particle velocity generated by hole-by-hole blasting method

图9 逐孔起爆法爆破振动波形图Fig.9 Blasting wave generated by hole-by-hole blasting method

由监测数据可见，电子雷管逐孔起爆法已有效降低了振速，可仍存在单孔振速过大的问题。若坚持采用此方法，只能采取减小孔深和单孔药量的方式来降低振速。但为了保证爆破效果，0.8 m的孔深已是最小。所以考虑使用电子雷管错相减振法。

3.3 电子雷管错相减振

电子雷管的基本原理是利用数码电子雷管孔内可编程，延时精度高等特点，在隧道爆破施工过程中，通过分析爆破振动波形，找出主振频率的半周时长确定合理的爆破延时，从而使相邻两个炮孔引起的爆炸波到路轨时相位相差π。这样一来，两个爆炸波在同一质点上振动矢量方向相反，合成振幅减小，降低了爆破振动波的能量，增加了爆炸破岩的能量，最终实现了错相减振与爆炸能量的高效利用。上述的理想情况是反相，实际情况下，受到诸多外部条件的制约，无法做到完全反相，但在离开最佳反相点一定区间内的相位错动，仍有多个波的合成振幅小于单个波振幅的效果，这就是错相减振。

考虑节省成本，使用总延时为1 000 ms型号的电子雷管，由于总延时过短无法实现全断面一次爆破，故采用上下台阶分部爆破。

3.3.1 爆破设计

错相减振法炮孔、延时布置如图10所示，错相减振法爆破参数设计见表5。

3.3.2 爆破效果

数码电子雷管错相减振上下台阶起爆的爆破效果良好（见图11）。错相减振法最大振速见表6。

通过监测结果可见，错相减振法降低振速的效果比逐孔起爆法更加明显。除此以外，两者的波形有明显的区别。因为数码电子雷管的的应用都是单孔单响，所以在单孔装药量和时差布置相同的时段，波峰应像图9所示那样，是从时域上孤立的衰减波，不会有突然的降低。而图12与图9相比较，大波峰更为稀疏，大波峰的突然降低非常频繁，且两个大波峰之间通常是许多个连续的小波峰，这个现象说明错相削峰的效果已成功出现。

表5 错相减振法爆破参数设计表Table 5 Blasting parameters of stagger phase reducing vibration method

图10 错相减振法炮孔、延时布置Fig.10 Detonator arrangement using stagger phase reducing vibration method

图11 爆破效果Fig.11 Blasting effect

图12 错相减振法爆破振动波形图Fig.12 Blasting wave generated by stagger phase reducing vibration method

表6 错相减振法最大振速表Table 6 Peak particle velocity generated by stagger phase reducing vibration method

4 电子雷管错相减振法的确定

根据错相减振法的原理，最关键的是通过主频确定爆炸波的半周期，而主频是有现场岩石性质决定的。由于无法保证现场的岩石性质均匀，岩石性质也可能随着隧道施工进度的推进而变化，所以每次爆破的炮孔延时布置应根据上一次的爆破监测数据而调整，随时响应岩石性质变化。

通过比较在实验段使用的三种爆破方法的效果，最终确定使用电子雷管错相减振法作为下穿段的爆破方法。下穿段的爆破振速见表7，这是目前的最优调试结果。

需注意的是，除了泄水洞拱顶到既有线拱底的净距5 m，渭井线拱底到内轨顶面的距离为2.5 m，爆源到测点的距离的起算点是上下台阶的几何中心，因此表7中的距离就是正下穿的数据。

表7 下穿段错相减振法最大振速表Table 7 Peak particle velocity of critical area generated by stagger phase reducing vibration method

续表7

5 结论

本文通过对兰渝线龙凤隧道泄水洞项目中所试用的三种爆破方法的比较和分析，验证了电子雷管错相减振技术的可行性，证明了错相减振技术可大幅降低爆破振速。

电子雷管错相减振的运用显著提高了施工进度，可保证泄水洞在雨季前贯通，避免客运专线再次因雨停运。

尽管减振效果明显，但从原理出发，由于场地岩石分布的复杂性和不确定性，错相减振无法达到其效果的理论极限。

在具体使用错相减振起爆法的过程中，每次爆破需结合上次爆破振速、频谱，和实际效果不断调整方案，以求达到减振效果的最大化。

（

）：

﹝1﹞田振农，孟祥栋，王国欣.城区隧道电子雷管起爆错相减震机理分析［J］.振动与冲击，2012，31（21）：108-111. TIAN Zhen-nong，MENG Xiang-dong，WANG Guoxing.Mechanism analysis of fault-phase vibration reduction for tunnel blasting initiated by electronic detonators in city area［J］.Journal of Vibration and Shock，2012， 31（21）：108-111.

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Controlled blasting technology of underpass the high speed railway tunnel with small interval

MEPC Xiang-dong1，WPPC Li-chuan2，MEPC Ling-tian3，ZHOPC Jin-bei3，ZEPC Wei-ying3，WPPC Shou-wei4，LIU Wen-peng5，LU Jia-bing5，CPI ZHeng-qing5
（1.Chongqing Urban Construction HoIding（Croup）Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China；2.Chengdu RaiIway Bureau，Chengdu 610000，China；3.Chongqing Xubo Engineering ConsuItancy Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China；4.Chongqing MunicipaI PubIic Security Bureau，Chongqing 404100，China 5.China RaiIway Ten Bureau Croup Third Construction Co.，Ltd.，232000，China）

Because of the drainage problem，the high-speed rail line of Lanzhou to Chongqing was out of service during 2015 wet season，so a drainage tunnel was constructed for the line and required to be accomplished before 2016 wet season.This drainage tunnel was only 5 meters below the line，the blasting vibration need to be strictly controlled.All the applied blasting method，parameters and detonation throughout the entire project were introduced，finally brings in the electronic detonator stagger phase technique and corresponding time difference for detonation.The construction site had complicated geology with hard rock.The trial blasting results showed that the peak particle velocity and basic frequency of blasting wave were far larger than the results in similar projects.Conventional method was ineffectual for reducing blasting vibration，and the hole by hole method with electronic detonator could not always have apparent effect，consequently，the stagger phase method with electronic detonator was adopted.Construction results exhibit the prominent blasting effect by using stagger phase method，blasting vibration was effectively controlled.Drainage tunneling was ensured completed before wet season，high-speed rail was prevented from being out of service.It could provide a reference to similar engineering project.

Underpass tunnel；Micro vibration method；Electronic detonator；Hole by hole blasting；Staggered phase vibration reduction；Precise time delay

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.014

1006-7051（2016）05-0069-08

2016-05-30

孟祥栋（1962-），男，高级工程师，从事岩土爆破方面的研究。E-mail：bp204125@163.com