新建京张高铁立体交叉隧道爆破振动控制研究

王海龙,赵 岩,王永佳,李玉龙,邹佳林,范海争

(1.河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000； 2.中国水利水电第七工程局,成都 610081)

现今，随着我国铁路干线的不断完善发展，新建铁路隧道与既有铁路干线形成立体交叉的情况愈来愈多，并且实际隧道工程中爆破施工对在建隧道及周围既有建筑、既有铁路干线的影响最大。隧道爆破施工对立体交叉隧道在建隧道和既有隧道影响规律的研究，国内外学者已经进行了大量的研究。于建新[1]结合新建走马岗隧道上跨既有引水隧洞工程，研究了爆破施工对隧道结构的不利影响规律；李景龙[2]结合泰安大型抽水蓄电站输水隧洞，研究了隧道下穿既有京沪铁路过程中爆破施工对既有干线的影响规律；林从谋[3]以大帽山隧道为研究对象，优化了现场爆破方案，并成功地应用于实际隧道爆破施工中。

上述研究都是围绕爆破施工对隧道交叉段的影响规律进行的，而在实际隧道工程中，隧道穿越的围岩类别差异大，变化多，而设计勘探的准确性有限，这就造成隧道立体交叉尤其是下穿既有铁路隧道时遇到的实际围岩等级与设计预估的围岩性质有出入，因此根据不同的围岩等级，严格控制爆破，实时调整隧道下穿段的爆破方案，具有重大的工程意义。以新建京张高铁特长隧道草帽山隧道工程为背景，一方面研究隧道爆破施工对在建隧道初期支护及拱墙衬砌的影响规律；另一方面由于新建草帽山隧道下穿既有唐呼铁路北草帽山隧道，因此根据施工过程中遇到的不同围岩级别，重点研究新建隧道爆破施工对既有铁路隧道的影响范围，并实时优化隧道施工中的爆破方案，指导现场施工。

1 工程概况

草帽山隧道全长7 340 m，在DK173+862～DK174+057段下穿唐呼铁路，京张铁路草帽山隧道与唐呼铁路北草帽山隧道交接里程DK173+965(唐呼铁路DK509+342)，平面交角76°22′，最小垂直净距16.9 m。草帽山隧道DK173+862～DK174+057原设计隧道围岩类别为Ⅲb，而实际根据草帽山隧道最新超前地质预报综合预报结果，掌子面素描显示DK173+895.8掌子面开挖揭示围岩主要为强风化凝灰岩，拱顶红褐色，其余为灰白色，节理裂隙发育，裂隙密集，节理面张开，夹杂钙泥质，呈碎块状。掌子面中下部及右侧为全风化，岩质较软，岩体破碎，易掉块。

综上所述，预判下穿段围岩以强风化为主，节理裂隙发育，岩体破碎，局部为全风化凝灰岩，偶夹弱风化岩块，围岩总体软硬不均，稳定性差，同时地下水较发育，易塌方。围岩总体较差，局部含水较多极易塌方，综合判断剩余下穿段DK173+905～DK174+057为Ⅳ级加强围岩或Ⅴ级围岩甚至更低。

由上述分析可知，实际隧道施工过程遇到的围岩类别与原设计中的围岩类别差异较大，因此本文将基于草帽山隧道非下穿段爆破施工现场实测数据，通过公式拟合得到可以表征Ⅲ级、Ⅳ级与Ⅴ级围岩的工程爆破地质参数K、α，而后在拟合参数的基础上计算得到下穿段最不利位置的最大单响药量及控制爆破的最小安全距离，并在此基础上提出下穿交叉段的爆破优化方案，为类似交叉隧道爆破设计与施工提供参考借鉴。

2 新建京张高铁草帽山隧道振动监测

2.1 监测方案

草帽山隧道爆破振动监测采用中科测控公司的TC-4850N爆破测振仪，爆破测振仪配有3个特定通道，同时测振仪均配置有相应的采集X、Y、Z三个方向爆破振速的振动速度传感器。同时，测振仪可以与相匹配的数据处理软件4850N Software联合使用，方便实时对爆破振速进行远程控制。图1为TC-4850N爆破测振仪与相匹配的振动传感器。

图1 TC-4850N爆破测振仪与传感器

新建草帽山隧道非下穿段根据围岩级别，采用台阶法或三台阶七部开挖法或三台阶临时仰拱法开挖施工，由于上台阶隧道掌子面产生的振动最大[4-7]，因此现场实测将以上台阶爆破为研究对象，对爆破振动进行深入研究。上台阶爆破时，利用激光测距仪及卷尺确定测点的位置，利用配置好的不锈钢夹片将速度传感器固定于新建隧道衬砌结构上，每个正方体传感器紧贴隧道衬砌结构，距下台阶表面均为2.5 m。现场试验过程中，X方向朝向隧道掘进掌子面，Y方向指向隧道直径内部，Z方向则垂直于XY平面向上。为保护爆破测振仪，用自制的钢筋笼罩在测振仪的外侧，以防被爆破过程中的抛石损坏。测点布置见图2。

图2 测点布置

草帽山隧道依据原有设计爆破施工方案，非下穿段开挖进尺根据不同围岩等级不尽相同，Ⅲ级围岩最大循环进尺3 m，最大装药量为55.8 kg(13段)；Ⅳ级围岩最大循环进尺2 m，最大装药量34.8 kg(11段)；Ⅴ级围岩最大循环进尺1.6 m，最大装药量26.5 kg(9段)。爆破采用塑料导爆管非电毫秒雷管起爆系统，引爆采用电雷管。炸药采用2号岩石乳化炸药，选用φ32 mm药卷。

2.2 监测数据分析

目前，国内外表征爆破振动强度的经验公式各不相同，其中被大多数学者认可的经验公式是萨道夫斯基经验公式[8-11]，并且我国将此经验公式编入《爆破安全规程》(GB6722—2014)。基于现场不同围岩情况爆破振动实测数据，可以利用萨道夫斯基公式进行回归分析，得到不同围岩情况相应的爆破工程系数K、α，建立可以表征不同地质情况的萨道夫斯基经验公式。萨道夫斯基公式如下

(1)

式中，V为爆破振速，cm/s；Q为单响最大装药量，kg；R为爆心距；K，α为爆破工程施工中的相关地质系数，K，α可以通过现场试验得到，若现场试验条件不足，也可根据爆破安全规程确定。

现场爆破监测的典型时程曲线如图3所示。由于下穿式立体交叉隧道下部隧道爆破施工对上跨既有铁路隧道的影响集中在垂直方向[12-17]，因此本文将以垂直方向爆破振速为评价指标。

图3 上台阶测点Z方向爆破振速时程曲线

表1为草帽山隧道不同围岩等级非下穿段爆破施工现场实测部分数据。由表1可知，Z方向爆破振速主要与爆心距及单响最大药量有关，爆心距越大，单响药量越小，爆破振速则越小；同时隧道的围岩类别也会对爆破振动的传递产生影响，而围岩类别对爆破振速衰减的影响主要表现在爆破工程系数K、α上。

基于爆破实测数据，根据式(1)，利用数值计算工具分别对非下穿围岩等级为Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ级洞身段爆破振速数据进行回归分析，可以得到表征不同围岩类别爆破振动地质系数K、α。计算得到：Ⅲ级围岩爆破的工程系数K=62.63，α=1.48；Ⅳ级围岩爆破的工程系数K=243.74，α=2.25；Ⅴ级围岩爆破的工程系数K=181.69，α=1.81。根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)，交通隧道的爆破振速不得超过10 cm/s，由表1可知，下部隧道爆破施工时，爆破振速均小于10 cm/s，因此下部隧道非交叉段爆破对在建隧道支护结构的影响均符合标准规定。

表1 草帽山隧道非下穿洞身段Z方向上台阶爆破振速监测数据

3 下穿段爆破施工振动控制

新建草帽山隧道施工前，相关地勘人员对既有唐呼北草帽山隧道附近进行了实地检查考察，结果表明北草帽山隧址附近以Ⅴ级围岩为主；同时由于唐呼铁路承载着运输煤炭、金属矿藏等任务，因此北草帽山铁路隧道通过的重载货运列车对交叉段安全施工及既有线运营安全均造成了不利影响。综上所述，由于下穿段隧道围岩较破碎且上部重载列车荷载对交叉段造成的不利影响，建议将下穿段爆破施工引起的隧道结构振动速度上限由《爆破安全规程》(GB6722—2014)中的10 cm/s下调为5 cm/s。

3.1 最大单响药量控制

根据拟合公式(2)，可计算最大单响药量。其中，计算距离R取下穿施工至既有隧道正下方时的最小净距16.9 m，爆破安全振速取5 cm/s。

(2)

根据计算可知，下穿段围岩等级为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级时，下穿至既有隧道正下方时爆破施工最大单响药量分别为29.47、27.21、18.35 kg，但考虑到草帽山隧道交叉段围岩等级确定困难及上部既有重载铁路隧道的运营安全，爆破施工的最大单响药量限制为18.35 kg(Ⅴ级围岩)，实际施工中为了方便控制药量，最大单响药量建议取值为15 kg。

3.2 控爆安全距离控制

按照现非下穿段爆破施工方案，Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩的实际施工最大单响药量分别为55.8、34.8、26.5 kg，安全振速取5 cm/s，则根据式(3)可求得最小控爆距离分别为21.09、19.80、14.03 m。

(3)

同最大单响药量控制值取值规律，建议控爆距离为30 m。

4 新建京张高铁草帽山交叉段爆破方案优化设计

由上述分析可知，下穿草帽山隧道爆破施工对既有铁路隧道的最大影响范围为30 m；而实际施工过程中为了安全起见，选择新建草帽山隧道与既有北草帽山隧道平面交叉点以外30 m为交叉段，考虑到2条隧道斜交角度76°22′且2条隧道空间净距仅为16.9 m，因此将交叉段以外25 m作为过渡段。具体控爆范围见图4，具体控爆里程见表2。

图4 草帽山隧道交叉段爆破振动控制范围

爆破方案控制里程1m进尺爆破DK173+910^DK173+935;DK173+995^DK174+0200.8m进尺一次爆破DK173+935^DK173+955;DK173+975^DK173+9950.8m进尺爆破配合机械开挖DK173+955^DK173+975

4.1 过渡段爆破方案

根据草帽山交叉隧道的具体影响范围,对草帽山隧道下穿式过渡段的爆破方案进行优化设计。

过渡段内采用1 m进尺爆破方案，现仅对爆破振动较大的上台阶爆破方案进行阐述。上台阶爆破掏槽形式采用三中空直或楔形掏槽，周边孔采用不耦合间隔装药，采用光面控制爆破。为防止爆破振动波叠加，采用非电毫秒雷管1～17奇数段引爆；其中，单孔装药量为300 g或者400 g，掏槽段采用斜眼掏槽，一段掏槽药量为4.5 kg，最大段为11段的掘进孔，装药量为15.3 kg。为减小爆破荷载对既有上跨隧道的影响，全部的掏心眼与辅助眼均采用斜眼布置形式，同时，在掏槽段与周边段都设有空心眼，用来为爆破施工提供更大的临空面，减小爆破振动。具体炮眼布置见图5。

图5 过渡段上台阶1 m进尺炮眼布置(单位：cm)

4.2 交叉段爆破方案

交叉段爆破施工分为两个阶段，远区交叉段DK173+935～DK173+955、DK173+975～DK173+995采用0.8 m进尺一次爆破成型，具体炮眼布置与过渡段1 m进尺相同，炮眼深度及装药量相应减少，其中，单孔装药量减少为200g或300g，一段掏槽药量为3.6 kg，最大段(11段)装药量为10 kg。

交叉段DK173+955～DK173+975距既有铁路隧道边墙较近，为了进一步减小振动对既有铁路轨枕与轨道的影响，采用0.8 m进尺爆破与机械开挖相配合的掘进方式，上台阶断面分为Ⅰ、Ⅱ两部分进行开挖。具体炮眼布置见图6，首先装药爆破掌子面红色区域Ⅰ，其中，单孔装药量为200 g或300 g，一段掏槽药量最大不超过2.4 kg，最大段装药量控制在8 kg之内。然后主要使用机械开挖对Ⅱ部开挖断面，若遇到坚硬岩石可配合部分周边眼爆破开挖轮廓。

图6 过渡段上台阶0.8 m进尺爆破配合机械开挖炮眼布置(单位：cm)

4.3 下穿交叉施工现场实测验证

全程跟踪监测新建京张高铁草帽山隧道爆破施工过程，爆心距35 m处测点Z方向爆破振速时程曲线如图7所示。从图7可以看出，爆破施工产生的振动主要集中在爆破施工过程中的掏槽段和最大装药段，因此控爆施工应对掏槽段和最大装药段引起重视。且采用下穿段爆破方案后，爆破振动速度得到了有效控制。

图7 各爆破方案实测Z方向爆破振速时程曲线

现场实测数据见表3。由表3中可知，采用优化后的爆破施工方案后，距掌子面35 m测点Z方向爆破振速峰值均小于0.85 cm/s，满足爆破安全需要，说明下穿交叉段爆破施工方案对于新建草帽山下穿既有铁路隧道工程是可行的。

表3 不同爆破掘进方案爆心距为35 m处Z方向速度峰值对比关系

5 结论

以新建京张高铁草帽山隧道下穿唐呼重载铁路北草帽山隧道交叉工程为工程背景，通过对隧道爆破施工振动的实时监测，得到如下结论。

(1)下穿草帽山隧道非下穿段爆破振速对在建隧道的影响均在规定范围10 cm/s以内。

(2)基于现场爆破数据得到不同围岩类别对应的爆破参数K、α，基于下穿段安全振速(5 cm/s)得到下穿段围岩等级为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级的最大单响药量分别为29.47、27.21、18.35 kg；而其最小控爆安全距离分别为21.09、19.80、14.03 m，但出于安全考虑建议爆破施工的最大单响药量不超过15 kg，最小控爆距离为30 m。

(3)对隧道下穿段爆破方案进行优化设计，爆破施工主要依据里程分为3段进行；同时通过现场试验验证距掌子面35 m测点Z方向爆破振速峰值均小于0.85 cm/s，满足爆破振动安全需要，说明下穿交叉段爆破施工方案对新建草帽山隧道下穿既有铁路隧道工程是可行的。

[1] 于建新，陈卫忠，杨建平，等.上下交叉隧道爆破振动控制技术研究[J].岩土力学，2014，35(S2)：445-452.

[2] 李景龙，李术才，李廷春，等.隧道下穿既有铁路爆破的稳定控制技术研究[J].岩石力学与工程学报，2007，35(S1)：3596-3600.

[3] 林从谋，陈礼彪，蒋丽丽，等.高速公路扩建大断面特小净距隧道爆破稳定控制技术研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(7)：1371-1378.

[4] 薛里，施龙焱，孙付峰.地铁浅埋隧道爆破开挖振动控制研究[J].地下空间与工程学报，2012，8(4)：791-795，814.

[5] 孟海利，郭峰.爆破地震波主频率的试验研究[J].铁道工程学报，2009，11(11)：81-83.

[6] 薛里，孟海利.电子-导爆管雷管混合起爆网路在隧道爆破中的应用[J].铁道建筑，2016(3)：70-74.

[7] 乔明佳.城市小净距立体空间隧道设计与施工关键技术[M].重庆：重庆大学出版社，2012.

[8] 张庆松，李利平，李术才，等.小间距隧道爆破动力特性试验研究[J].岩土力学，2008，29(10)：2655-2660.

[9] 江杰，蒲鸥，刘刚伯，等.玉象隧道爆破振动监测与分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(6)：1751-1755.

[10] 王明年，潘晓马，张成满，等.邻近隧道爆破振动响应研究[J].岩土力学，2004，25(3)：412-414.

[11] 袁红所，张家铭，贺立新，等.复杂地质条件下隧道爆破方案优化设计[J].爆破，2016，33(1)：50-54，67.

[12] 傅洪贤，赵勇，谢晋水，等.隧道爆破近区爆破振动测试研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(2)：335-340.

[13] 胖涛.铁路隧道小角度斜交下穿公路隧道设计探讨[J].隧道建设，2013，33(7)：573-578.

[14] 王祥秋，周岳峰，周治国.爆破冲击荷载下隧道振动特性与安全性评价研究[J].中国安全科学学报，2010，20(11)：134-138.

[15] TRIVINO L F，MOHANTY B，MILKEREIT B. Seismic waveforms from explosive sources located in boreholes and initiated in different directions[J]. Journal of Applied Geophysics， 2012，87(1)：81-93.

[16] Lu Wenbo， Luo Yi， Chen Ming， et al. An introduction to chinese safety regulations for blasting vibration[J]. Environmental Earth Sciences， 2012，67(7)：1951-1959.

[17] 朱正国，孙明路，朱永全，等.超小净距隧道爆破振动现场监测及动力响应分析研究[J].岩土力学，2015，25(3)：412-414.