控爆技术在邻近营业线铁路隧道小净距施工中的应用

李海波

摘要：新郁山隧道平导与既有渝怀线铁路隧道水平最小净距只有7m，地质条件差，设计采用控制爆破施工，要求既有隧道爆破振速不大于2.5cm/s，施工难度和风险极大。为确保在隧道平导爆破施工时既有线运营安全可控，通过对爆破振速监测，研究孔眼设计、装药方式及起爆网路设计施工方法，并在正式施工中得到成功应用，保证了隧道平导开挖工程的安全高效完成，并对邻近营业线隧道爆破施工具有很强的指导意义。

Abstract： The minimum horizontal net distance of the Xinyu Mountain tunnel adit and the existing Chongqing -Huaihua Railway tunnel is only 7m and the geological condition is poor. The design adopts controlled blasting. It is required that the existing tunnel blasting vibration velocity is not more than 2.5 cm/s， so the construction is extremely difficult and risky. In order to ensure the safe and controllable operation of the existing railway during the tunneling and blasting construction， through the monitoring of the blasting vibration velocity， the study of the hole design， the charging method and the design method of the detonation network， and the successful application in the formal construction， the safe and efficient completion of tunneling excavation gas been ensured and it has a strong guiding significance for the tunneling blasting construction of the adjacent business line.

关键词：小净距离；爆破振速；光面爆破；微差间隔

Key words： small net distance；blasting vibration velocity；smooth blasting；differential interval

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0108-06

0 引言

在高速铁路、繁忙干线及干线或一些特定地段修建二线铁路，受既有线营运及地形地质条件限制的影响，新线与既有线间距变得越来越小，为了适应这种发展，小净距离隧道的修建也越来越多。新郁山隧道平导与营业线铁路隧道距离较近，地质条件差，隧道间相互影响，通过改进控爆施工技术有效的解决了与营业线铁路隧道小净距离施工安全的问题。

1 工程概况

渝怀铁路涪陵（不含）至梅江（含）段是渝怀铁路的东南段，线路（成都铁路局管内）位于重庆市境内，渝怀线属于成都铁路局干线铁路，运营任务繁忙。

新郁山隧道进口平导作为隧道辅助坑道，全长1860m，隧道穿越地层构造复杂，不良地质主要有岩溶、危岩落石，隧道穿越区内节理发育，岩体多被切割成块状，隧道主要穿越学堂板向斜，郁山正断层和胜地坝逆断层，地下水丰富。

进口平导：Ⅱ级围岩880m，占49%；III级围岩605m，占33%；IV级围岩25m，占1%；V级围岩300m，占17%。二是隧道之间间距较小，其中扩建既有平导1800m，既有平导与既有线之间净间距7～13m，属于营业线小净距离施工，施工安全风险高。因此，必须严格控制爆破施工技术，以确保既有隧道结构和既有线运营安全。

1.1 平导扩挖断面分析

既有平导扩挖需要注意以下问题：一是断面尺寸达不到设计轮廓线，大部分断面为不规则形状且基本宽高仅为3.0×2.8m，不能满足正洞施工设备要求；二是为确保与既有铁路距离更为安全，平导开挖总体偏向左侧；三是断面变化较大导致开挖时需要钻孔爆破的岩体方量不均匀；四是有部分围岩较差段已施做二次衬砌，再次扩挖须一次性挖至5×6m断面（宽×高）较为困难，安全影响较大。通过对其进行较为深入的分析，确定合理的控制爆破方案。

1.2 爆破控制标准及要求

根据业主和施工图纸设计要求，确定既有隧道爆破振动控制标准≦2.5cm/s。

2 平导开挖顺序与总体爆破施工方案

2.1 平导扩挖总体原则与要求

2.1.1 平導扩挖原则

①常规开挖段扩挖至宽高为5.0×6.0m。

结合平导既有的爆破开挖边界，依据尽量降低爆破振动对紧邻既有隧道安全影响的基本规则，确定平导扩挖断面为宽高为5.0×6.0m左右，在保证能够挖出所需断面形状与尺寸的前提下，尽量开挖左侧（靠近新建隧道侧）而不动靠近既有隧道一侧。按照这个原则，尽可能保证平导本身稳定和既有隧道结构安全。

②已施做二次衬砌段扩挖至宽高为5×6m。

铁路建设完工后需把平导作为应急通道使用，因此平导最终必须开挖至宽高为5×6m设计标准。为此，已施做二次衬砌段扩挖应挖至宽高为5×6m。由此，施工爆破时必须确保既能完成已施做二次衬砌和需要扩挖的围岩，又须保证软弱围岩安全。根据实测，新郁山隧道既有平导衬砌段经现场检查为素混凝土衬砌，厚度为20～60cm不等，具体统计结果见表1。

从表1中发现，要爆破的衬砌断面非常不规则，其左右侧及顶部需爆破的岩体炮孔布置不确定。最为典型有两个断面：一是较为规则断面，左右两侧需要爆破距离大致相同，如图1所示；二是极为不规则断面，左右两侧需要爆破距离相差非常大，甚至左侧超出原设计位置1.23m，如图2所示。其他断面均为上述两种的过渡形式。

基于上述分析，选择最为典型的两个断面进行设计，其中过渡段可以根据这两个设计进行局部调整。

对于衬砌洞段，确定爆破原则为“先衬砌后围岩、左光面右预裂”的原则，即在保证能够安全挖出所需断面形状与尺寸的前提下，必须尽量开挖均衡左右两侧的开挖宽度，除了要保证右侧既有铁路安全外，还须保证已经开挖完成的增建的二线正洞安全。按照这个原则，尽可能保证平导本身稳定、既有隧道结构和新建二线隧道安全。

2.1.2 施工顺序

按正常施工组织，从平导进口开始一直往里控制爆破扩挖，直到最终里程。

2.2 平导常规扩挖爆破方案

2.2.1 开挖方式和爆破方法确定

平导顶部不动，只扩挖左右两侧，但两侧需要扩挖的厚度较小，基本不到30cm，故采用方便施工且速度快的斜向钻眼爆破方法，具体如图3所示。

结合本工程的地形特点，为了提高爆破效果，平导常规段拟采用浅孔与控制爆破相结合的方法进行爆破施工。为了对大块岩石进行二次破碎，按需要在个别地方可以进行二次爆破作业，以保证岩体块度满足运输要求。

2.2.2 开挖机具选择

结合本工程实际情况，平导浅孔爆破选用机具见表2。

2.3 平导衬砌段扩挖爆破方案

衬砌洞段爆破时有四个特点，一是必须先爆破平导衬砌，经现场检查为素混凝土襯砌，厚度为20～60cm不等；二是必须破坏原先的初支结构；三是开挖宽高至5×6m；四是围岩比较软弱，容易坍塌失稳。所以，总体爆破方案如下：

①最先右侧预裂爆破。

右侧按预裂爆破进行装药与起爆设计，但须校核对右侧既有线的振动安全影响，据此确定预裂炮孔的分段及最大段装药量。

②再起爆衬砌。

对素混凝土衬砌沿隧道轴向打水平炮眼，进行爆破。

③围岩段爆破。

根据衬砌与需扩挖至轮廓线的距离确定左右两侧及至洞顶的炮眼布置，分段起爆。

④左侧光面爆破。

左侧按光面爆破进行装药与起爆设计，但须校核对左侧新建二线的振动安全影响，据此确定光面炮孔的分段及最大段装药量。

3 常规洞段平导控制爆破设计

3.1 控制爆破参数确定

爆破参数的设计应根据岩石种类、岩性、岩石结构和裂隙情况进行计算，同时通过爆破试验确定调整爆破参数，在局部地段采用预裂控制爆破技术。

①钻孔直径。

由于采用浅孔凿岩设备，孔径多为36～42mm，药卷直径一般为32mm。

②炮孔深度。

③单耗q与单孔装药量Q。

单位岩体炸药消耗量不仅影响岩石破碎块度、岩石飞散距离和爆堆形状，而且影响炮眼利用率、钻眼工作量、劳动生产率、材料消耗、掘进成本、断面轮廓质量以及围岩的稳定性。合理的单耗决定于多种因素，其中有岩石的物流力学性质、断面、炸药性能、炮眼直径和深度等。

线装药密度：q=0.25kg/m。

总装药量Q可以根据单位岩体炸药消耗量和炮孔孔深计算确定。

Q=qL1=0.25×1.55=0.39kg，取Q=0.4kg。

④孔距和排距。

沿平导既有轮廓线均匀布置，孔距a必须与孔深L对应，故a=L=1.5m。排距为沿既有轮廓线布置，b=0.5m。

3.2 炮孔布置

炮孔布置时，离底板20cm开始布置炮孔，往上共布置7排，排距为0.5m；每排布置炮孔根据实际控制需要定，孔间距为1.5m。预裂爆破及常规爆破炮孔布置见图4-5所示，图中仅标出部分炮孔，其他炮孔布置方式相同。

3.3 炮孔装药及填塞结构

一般情况按设计药量装药进行爆破施工，根据现场爆破经验、岩石种类、岩性、结构、抵抗线大小是否有变化，在保证填塞高度原则下，爆破安全的基础上，适当增减炮孔装药量。装药和填塞结构：从孔口到孔底连续柱状装药。所有炮眼的剩余部分应用炮泥封堵，炮眼封泥不足或不严不应进行爆破。炮泥应用水炮泥和黏土泡泥。水炮泥外剩余的炮眼部分应用黏土炮泥填满封实。严禁用煤粉、块状材料或其他可燃性材料作炮泥。

3.4 爆破微差间隔时间及起爆网路设计

①微差间隔时间确定。

起爆顺序从两侧墙下往拱肩依次微差起爆。微差间隔时间Δt=25～50ms比较合适。

②起爆网络设计。

本工程爆破工程使用毫秒电雷管、非电雷管、导爆索进行排间微差松动控制爆破。由于爆破范围较大，此处仅对爆区部分起爆网路进行说明，具体分段以实际控制最大段装药量为准，按实际段别分别取ms1、ms3、ms5和ms7等段。

4 衬砌洞段平导控制爆破方案

4.1 控制爆破参数确定

爆破参数的设计分衬砌、围岩、左侧光面和右侧预裂等四种类型。

4.1.1 衬砌爆破参数

由于衬砌为素混凝土浇筑，所以只要能把混凝土炸碎即可，为此间隔打眼装药爆破。注意ZDK259+125～ ZDK259+140段，平导左侧衬砌已经超出轮廓线位置，故此段左侧衬砌保持不动，仅扩挖右侧，但必须严密注意右侧围岩变形及对既有线的影响。

①钻孔直径。

由于采用浅孔凿岩设备，孔径多为36～42mm，药卷直径一般为32mm。

②炮孔深度和超深。

L=L0+Lc

式中 L—炮孔深度，m；L0—单次爆破进尺，取3m；Lc—超深，m。

超深一般取炮孔深度的10%～15%，即Lc=（0.10～0.15）L0=（0.10～0.15）×3=0.3～0.45m，取L=3.5m。

③其他参数。

素混凝土衬砌厚度为20～60cm，取厚度δ=40cm，则最小抵抗线w=δ÷2=40÷2=20cm。选取孔间距a=50cm，实际按a=100cm布置炮孔。

炮孔个数n=10个。

④炸药单耗与爆破药量计算。

炸药单耗：q=0.5kg/m3。

单孔药量计算：Q孔=qV=qaδL=0.5×0.5×0.4×3.5=0.35kg。

总药量计算：Qc=nQ孔=10×0.35=3.5kg。

4.1.2 围岩扩挖爆破参数

爆破参数的设计应根据岩石种类、岩性、岩石结构和裂隙情况进行计算，同时通过爆破试验确定调整爆破参数。

①钻孔直径。

由于采用浅孔凿岩设备，孔径多为36～42mm，药卷直径一般为32mm。

②炮孔深度和超深：与衬砌相同。

③其他参数。

孔距：a=0.8～1.0m。

排距：b=0.8m。

由于需要爆破的围岩岩体与轮廓线距离不定，故孔距和排距初步按0.8m～1.0m进行布置，具体见炮孔布置图。

④炸药单耗及爆破药量计算。

炸药单耗：q=0.6kg/m3。

单孔装药量：Q孔=qabL=0.6×0.8×0.8×3.5=1.344kg。

取Q孔=1.4kg。

按装药系数校核装药量：

选择线装药系数为0.5，则装药长度为Ly=0.5L=0.5×3.5=1.75m。

故Q孔=（1.75×100）÷20×0.2=1.75kg。最终确定Q孔=1.8kg。

4.1.3 左侧光面爆破参数

①炮孔参数。

平导设计为Ⅳ或Ⅴ级围岩，围岩软弱、破碎，因此周边眼间距适当缩小，可以控制爆破轮廓，避免超欠挖，本断面E的值选用E=45cm。

光面爆破层就是周边眼与最外层辅助眼之间的一围岩层，光面爆破层厚度就是周边眼的最小抵抗线W，本隧道断面W=40cm。

光爆孔装药不耦合系数r=D÷d。其中D为炮孔直径，取42mm，d为药卷直径，取25mm。r=D÷d=42÷25=1.68。光面爆破采用不耦合间隔装药结构，反向起爆。

②炸药单耗及单孔药量计算。

1）线装药密度：q=0.2kg/m。2）单孔装药量Q孔

Qg孔=qL=0.2×3.5=0.7kg，取Qg=0.8kg。

③光面孔数目。

中心线左侧全部光面爆破，故总炮孔数为20个。

4.1.4 右侧预裂爆破参数

右侧（邻近既有隧道）围岩段，首选光面控制爆破，但如果爆破振动对既有线影响较大，则须按预裂爆破进行控制，其参数计算如下：

①炮孔参数。

平导设计为Ⅳ或Ⅴ级围岩，选取E的值选用E=40cm。

光爆孔装药不耦合系数r=D÷d。其中D为炮孔直径，取42mm，d为药卷直径，取25mm。r=D÷d=42÷25=1.68。采用不耦合間隔装药结构，反向起爆。

②炸药单耗及单孔药量计算。

1）线装药密度：q=0.2kg/m。2）单孔装药量Q孔

Qy孔=qL=0.2×3.5=0.7kg，取Qy=0.8kg。

③炮孔数目。

中心线右侧全部预裂爆破，故总炮孔数为21个。

4.2 炮孔布置

4.2.1 规则断面爆破炮孔布置

规则断面爆破炮孔布置见图6所示，图中仅标出部分炮孔，其他炮孔布置方式相同。

4.2.2 不规则断面爆破炮孔布置

不规则断面爆破炮孔布置见图7所示，图中仅标出部分炮孔，其他炮孔布置方式相同。

从图7中看出，左侧底部至边墙段已经超出设计轮廓线位置，基于现有平导既有轮廓线，左右侧不动，向上扩挖至设计轮廓线，确保施工安全。

4.3 炮孔装药及填塞结构

一般情况按设计药量装药进行爆破施工，根据现场爆破经验、岩石种类、岩性、结构、抵抗线大小是否有变化，在保证填塞高度原则下，爆破安全的基础上，适当增减炮孔装药量。装药和填塞结构：主爆孔是从孔口到孔底连续柱状装药，起爆药包放置在炮孔底部；预裂爆破孔是不偶合装药，按实际孔长以胶布均匀的捆绑在导爆索上，下到孔底，孔口只堵塞0.5～1.0m砂土填塞物，形成了药卷之间，药卷与孔壁之间是空气间隔，即是不偶合装药。炮孔装药与填塞结构见图8。

4.4 爆破微差间隔时间及起爆网路设计

4.4.1 微差间隔时间确定

在采用预裂段，须保证预裂孔先于主药包起爆的时间差：预裂爆破应先于主炮孔起爆，其时间差要保证人造断层的形成，一般应大于50ms，在保证主药包网路安全准爆的前提下，其间隔时间越大，人造断层层面形成效果越好，其岩壁的成型效果也就越好。微差间隔时间确定的主要依据：一是根据岩石硬度确定，软岩微差时间长，反之硬岩微差时间短；二是根据孔网参数距离大小确定，距离大微差时间长，反之距离小微差时间短。确定较好的微差间隔时间是有利于提高开槽爆破质量，降低爆破地震效应，减少对平导本身及左右两侧隧道的影响。由于主爆孔与预裂炮孔排间距离较小，确定微差间隔时间Δt=25～50ms是比较合适。据此，确定主爆孔与与预裂炮孔微差间隔时间为50毫秒。

4.4.2 最大段装药量的确定

根据萨道夫斯基控制爆破震动速度公式，可得

4.4.3 起爆网络设计

本工程爆破工程使用毫秒电雷管、非电雷管、导爆索进行排间微差松动控制爆破，起爆顺序为预裂爆孔、主爆孔和光面爆破孔，预裂和光面爆破炮孔炸药由导爆索捆绑并引出炮孔外，再由毫秒电雷管引爆，起爆网路分别见图9和10，图中标出的起爆段别仅为理论段别，可以按实际段别分别取ms1、ms3、ms5、ms6、ms7、ms8和ms9等段。

5 爆破安全评估与控制

5.1 常规洞段爆破振动速度及其安全分析

5.1.1 爆破振动速度计算

6 结语

新郁山隧道平导扩挖采用光面爆破、预裂爆破、不耦合装药、微差间隔起爆的爆破施工方案，爆破振动不会对既有铁路隧道造成破坏，不会影响既有线安全运营，有效解决了与营业线小净距施工安全风险大的难题，为邻近营业线爆破施工积累了宝贵经验。

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