城市浅埋超大断面隧道双侧壁法开挖爆破方案设计及优化

文/张传奎 中建八局第一建设有限公司 北京 100021

城市浅埋超大断面隧道双侧壁法开挖爆破方案设计及优化

文/张传奎 中建八局第一建设有限公司 北京 100021

随着城市交通的快速发展，涌现出了越来越多的城市浅埋大断面隧道，也同时对隧道修建技术提出了更为苛刻的要求。本文依托京沪高速济南连接线龙鼎隧道，在详细研究柱状装药岩石破坏规律的基础上，结合隧道爆破相关理论及规范，进行了龙鼎隧道双侧壁开挖方法爆破方案的设计，并在实际施工开挖中进行了应用。经过工程实际开挖应用及相关爆破震动监测等结果验证，表明该方案在满足城市隧道爆破震动控制等要求的前提下，实现了围岩的较小扰动和超欠挖的精确控制，在保证工程安全、快速施工的前提下，取得了一定的经济效益，可为类似工程提供一定的参考。

浅埋；超大断面；隧道；CD法开挖；爆破

1、引言

随着国民经济水平的提高，城市交通堵塞的问题愈演愈烈，成为制约城市发展的关键问题。新兴城市快速路的出现，极大的缓解了城市交通运输压力。作为城市快速路的关键组成部分，城市隧道的修建，也越来越多，且向着超浅埋、大断面等方向发展，也为工程修建技术提出了更多亟待解决的难题。

爆破以其经济、高效、快捷的特点广泛应用于矿山开采、地下交通工程、水利水电工程和核电基础的开挖中，然而爆破施工在造成爆区岩体破碎和剥离的同时，不可避免地造成近区岩体的扰动和损伤，以及中远区岩体的振动等危害。推进式往复爆破作业时岩体的损伤效应更为突出，如大断面隧洞双侧壁导坑法爆破开挖时围岩的扰动损伤。损伤岩体的力学性能劣化，强度降低、完整性变差，从而对岩体的安全稳定造成威胁。因此正确分析爆炸荷载作用下岩体特征进而采取合理的控制方式是工程中关注的问题[1-4]。

大断面隧道由于形状扁平，开挖后围岩稳定性变差[5]；围岩应力更集中，松弛压力更大[6]；支护结构所能提供的承载力相对减小[7]。基于以上特点，目前在岩质大断面隧道中应用较多的工法是单侧壁导坑法和双侧壁导坑法[8-10]。其中，双侧壁导坑法是将整个开挖断面分成6个导洞分部掘进，即一导洞开挖掘进若干米后另一导洞再开挖跟进，因此隧道周边的围岩遭受推进式往复的爆破荷载作用[11]。

上述问题在城市隧道的修建过程中表现的更为突出。因此本文以京沪高速济南连接线龙鼎隧道为背景，系统研究了柱形装药岩石的破坏规律，进行了洞身开挖方案的设计及优化，并在工程实际施工中进行了验证，取得了良好的应用效果。

2、柱形装药岩石破坏规律研究

根据无限长柱形装药爆破和有限长柱形装药爆破时产生的柱面压缩波和椭球面形状的压缩波的分析和计算，柱形装药爆破时对岩石的破坏，可以分成：压碎区、受剪破坏区、受拉破坏区、振动区。

在压碎区，岩石被强大的压力所粉碎，形成一系列与径向成45°的滑移面。这同球形装药爆破是一样，这个区域，在柱形装药的侧面大约是柱形装药半径的3.75～4.75倍；在柱形装药的端部大约是柱形装药半径的2～3倍。这个区域，就是在坚硬岩石中压缩波压力峰值在2万大气压以上，在软岩石中压缩波压力值在1万大气压以上的区域。

受剪破坏区。柱形装药爆破的岩石受剪破坏区形成辐射状的径向裂缝，在径向裂缝之间还有环向裂缝，在它们之间同时形成剪切裂缝。这些裂缝和裂隙，越靠近压碎区越密。

在坚硬岩石中，在柱形装药侧面该区域为9～17.6倍柱形装药半径，在柱形装药端部该区域为9～29.6倍柱形装药半径。

在一般岩石中，在柱形装药侧面该区域为10.5～21.1倍柱形装药半径；在柱形装药端部该区域为10.5～37.2倍柱形装药半径。

在软岩石中，在柱形装药侧面该区域为12.6～28.3倍柱形装药半径；在柱形装药端部该区域为12.6～45.1倍柱形装药半径。当柱形装药的长度与直径之比为1时，是最小值；当柱形装药的长度与直径之比超过20倍时，是最大值。

在受拉破坏区。在柱形装药的侧面岩石有单向受拉破坏区，只出现径向裂缝或裂隙，越靠近受剪破坏区越密一些。存在受拉破坏区，是柱形装药爆破的特点，在工程爆破中必须充分利用这个特点。在柱形装药的侧面，岩石受拉破环区域，对于坚硬岩石，为柱形装药半径的0～63.4倍；对于一般岩石，为柱形装药半径的0～76倍；对于软岩石，为柱形装药半径的0～102倍。在柱端轴线方向上为0。当柱形装药的长度与直径之比为1时，取0。当柱形装药的长度与半径之比（对于坚硬岩石大于63.4；对于一般岩石大于76；对于软岩石大于102）较大时，取最大值。

在受拉破坏区外是振动区。在振动区，岩石没有破坏，但有运动。在无限岩石介质中振动区的范围很大。

对于一般爆破来说，必有一个以上的临空面，所谓临空面，也就是岩石的自由面。有的是在柱形装药的侧面，有的是在柱形装药的端部，有的是在柱形装药的侧面和端部都有临空面。

当压缩波到达柱形装药端部外的自由面时，立即产生稀疏波。在压缩波和稀疏波的共同作用下，柱端到岩石自由面处的岩石受剪破坏区会进一步扩大，并在自由面附近形成剥离区，即利用岩石原有的裂隙把岩石抬起来。

当压缩波到达柱形装药的侧面的岩石和自由面时，同样会立即产生稀疏波。在压缩波和稀疏波的共同作用下。岩石自由面附近会有一部分岩石出现受拉破坏，与压缩波队岩石的受拉破坏连通起来，同时在自由面附近会有部分岩石沿原有的裂隙被抬起来。

在柱形装药爆破中，根据工程要求和具体条件，充分利用岩石的自由面（临空面），同样是爆破设计关键。从药柱轴线到药柱侧面的岩石自由面的距离为侧面抵抗线，最近处为侧面最小抵抗线。从药柱端部到端部外的岩石自由面的距离。为柱端最小抵抗线。在爆破设计中，合理地确定最小抵抗线和装药量（药柱长度和直径），是控制爆破对岩石的破坏范围、破碎程度、堆积高度或倒塌状况、飞石距离的关键所在。

3、工程概况

作为京沪高速济南连接线重点控制工程，龙鼎隧道位于济南市历下区太平庄西侧，隧道为双向八车道，单洞四车道隧道，开挖宽度最大处达到20 m，高度达到13.6 m，是山东省内跨度最大，全国也罕见的超大断面公路暗挖隧道，目前公路隧道设计及施工规范中无单洞四车道隧道相关规定。

龙鼎隧道全长2183米，工程规模大、地质条件复杂，隧道覆止厚度最小处仅为17 m，左右幅隧道相距最小处仅为12 m，围岩等级大部分为V级和Ⅳ级，且又穿越断层破碎带和溶隙溶洞群，属于极浅埋、小净距、超大跨的暗挖隧道。如果设汁施工管理不善，极易遇到隧道围岩大变形、大体积塌方等不利状况，给隧道的施工安全带来了一定的挑战。并且由于位于市郊临近村庄，合理组织爆破施工，避免“扰民”和“民扰”，也是施工中面临的严峻问题。

4、爆破方案设计及优化

4.1 爆破参数确定[12]

（1）炮眼深度

根据设计图纸，炮眼深度与开挖进尺一直取0.8m，掏槽眼延长10%～15%。

（2）炮眼数目

炮眼数目N可按一下公式计算：

式中，q为岩石爆破单位体积下炸药消耗量，Kg/m3;L为炮眼深度，m；n为炮眼装药系数；r为炸药的线装药密度；S为开挖面积。

（3）炮眼布置

按照先布置掏槽眼、周边眼，后布置底板眼、内圈眼，最后布置掘进眼的原则进行布置。周边眼间距为炮眼直径的8到10倍，抵抗线为间距的1到1.5倍，集中装药度一般取0.04～0.19Kg/m。

（4）一次爆破总装药量

式中，Q为一次爆破的总装药量，Kg；S为开挖断面积，m2；L为有效炮眼深度，m；q为隧道爆破炸药单耗，Kg/m3。

（5）单眼装药量计算

周边孔单孔药量计算公式如下

其他部位炮眼装药量计算公式如下

式中，d为药卷直径，cm；ρ0位炸药密度，g/cm3；β为装填系数；q*为单眼药量，Kg；a为炮眼间距，m；W为炮眼爆破方向的抵抗线，m；L为炮眼深度，m；λ为炮眼所在部位系数。

4.2 方案设计

根据工程实际，钻孔直径d=40mm；选用普通乳化炸药(直径32mm，长度18cm，质量150g)；掘进进尺0.8m；炮眼利用率90%；辅助孔间距0.4～0.8m，周边孔间距0.5～1.0m，周边孔距离隧道轮廓线距离0.1～0.2m；底孔间距0.4～0.7m，孔口高于隧道底板0.1～0.2m，孔底低于底板0.1～0.2m。根据V级围岩爆破要求，采用多打孔少装药的原则进行设计。

结论：

通过对柱状装药岩石破碎规律的研究，结合龙鼎隧道设计相关资料，进行了京沪高速济南连接线龙鼎隧道双侧壁导坑法爆破方案的设计。经过工程实际开挖应用及相关爆破震动监测等结果验证，该方案在满足城市隧道爆破震动控制等要求的前提下，实现了围岩的较小扰动和超欠挖的精确控制，在保证工程安全、快速施工的前提下，取得了一定的经济效益，可为类似工程提供一定的参考。

[1] 夏才初,龚建伍,唐颖,等.大断面小净距公路隧道现场监测分析研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(1):44－5

[2] 叶培旭,杨新安,凌保林,等.近距离交叉隧洞爆破对既有隧道的振动影响[J].岩土力学,2011,32(2):537－541.

[3] 龚建伍,夏才初,朱合华,等.鹤上大断面小净距隧道施工方案优化分析[J].岩土力学,2009,30(1):236－240.

[4] 刘明高,高文学,张飞进.小净距隧道建设的关键技术及其应用研究[J].地下空间与工程学报,2005,1(6):952－955.