临近既有线隧道开挖施工控制爆破分析

翟富强 刘盛

摘  要：临近既有线隧道开挖爆破施工会对既有隧道结构产生不利影响，造成结构物的变形、开裂、渗漏水等。文章通过对临近既有线隧道开挖控制爆破施工技术的探讨，浅析爆破振速及主振动频率控制对既有线隧道的影响，在确保既有隧道结构安全稳定的前提下，获得更好的爆破效果及开挖进尺，为临近既有线隧道的爆破施工提供参考。

关键词：既有线;控制爆破;振速;主振频率

Abstract： The blasting construction of tunnel excavation adjacent to the existing line will have an adverse impact on the existing tunnel structure， resulting in structural deformation， cracking， water leakage and so on. Based on the discussion of the controlled blasting construction technology of the tunnel excavation near the existing line， this paper analyzes the influence of blasting vibration speed and main vibration frequency control on the existing line tunnel， on the premise of ensuring the safety and stability of the existing tunnel structure. Better blasting effect and excavation footage are obtained， which can provide reference for the blasting construction of the tunnel near the existing line.

前言

随着国民经济的快速增长，我国的基础设施建设进入快速发展的阶段。作为带动经济和战略生命线的铁路网迅速在全国各地铺开，新旧线路纵横交错，涉及临近既有线施工的情况越来越多。临近既有线隧道进行开挖爆破施工会对既有隧道结构产生不利影响，造成结构物的变形、开裂、渗漏水等，给列车的安全运行带来极大的安全隐患，严重时会造成铁路交通事故，轻则铁路停运，重则造成重大人员财产损失。

目前临近营业线控制爆破技術主要以爆破振速作为唯一控制指标[1]，随着爆破技术的深入发展，单一参数作为控制指标暴露出许多不合理之处。业界对这一课题也开展了相关的研究，并取得了一些成果。如瑞典将振速、振动频率、位移和加速度等多项指标纳入了评判标准，而美国矿务局、德国和芬兰则引入了振速和振动频率两个参数作为控制指标[2]。国内学者针对控制爆破技术指标也提出了一些见解，如焦永斌[3]认为除振动强度外，振动频率效应也是一个重要因素，建议引入频率影响系数作为估算爆破地震安全评定标准的参数;赵精富等[4]结合近年来的研究成果，对爆破振动“多因素”综合安全判据的研究现状进行了总结。本文以新建重庆铁路枢纽东环线鹞子岩隧道工程为例，以爆破振速及主振动频率作为控制爆破的控制指标，对爆破方案与实施效果进行了阐述。

1 工程背景

1.1 工程概况

鹞子岩隧道是新建重庆铁路枢纽东环线重点控制性工程，位于重庆市北碚区龙凤镇及施家梁镇管辖区内，为单洞双线铁路隧道，全长4782m，起讫里程DK150+570～DK155+352，最大埋深330m。为满足工期、施工排水、运营排水、施工通风等多方面需求，采用“出口平导”辅助坑道方案，平导位于左线线路中线右侧35m，无轨运输，坑底较对应里程正洞轨面低3m，全长3154m，起讫里程PDK152+200～PDK155+354。

隧道出口端临近既有沪蓉铁路，出口正洞DK155+352～DK154+600段共752m及平导PDK155+354～PDK154+678段共676m临近既有沪蓉铁路桐子林隧道，正洞与既有隧道线间距30～200m，平导与既有隧道线间距65～200m，按临近既有线施工，采用控制爆破开挖。

1.2 施工内容

鹞子岩隧道出口及平导临近沪蓉铁路童家溪至合川区间桐子林隧道K1693+860～K1693+115段（两端各延伸50m）洞身开挖施工情况见表1。

1.3 施工安排

正洞DK155+352～DK154+980段开挖（50m范围内）、桐子林隧道日常检查及爆破振速监测点埋设属Ⅲ级施工，在天窗时间内进行;正洞DK154+980～DK154+600及平导PDK155+354～PDK154+678属C类监管，施工在监管下进行，爆破施工安排在列车间隔时间大于30分钟时段进行[5]。

1.4 施工前准备工作

（1）纳入既有线管理施工段在施工前先与成都铁路局遂宁工务段、重庆供电段、重庆北车务段、达州电务段、成都通信段签订安全管理及配合协议。

（2）临近既有线段施工前由重庆铁路枢纽东环线建设指挥部组织施工单位、遂宁工务段、重庆供电段、重庆北车务段、达州电务段、成都通信段等相关部门对沪蓉线童家溪至合川区间桐子林隧道K1693+860～K1693+115段所有设备、设施、电缆及可能存在隐患部位进行安全排查看是否需要在施工期间进行防护，并做好详细记录，以便在施工过程中加强观察判断是否对洞内设备、设施有影响。

（3）根据鹞子岩隧道的施工里程对应在桐子林隧道内布设爆破振速监测点。施工前申请由遂宁工务段、重庆供电段、达州电务段、成都通信段等相关配合单位进入桐子林隧道现场于K1693+860～K1693+115段布置振动监测点。

（4）纳入临近既有线管理施工段按照路局批复施工申请计划安排施工，提前上报月计划和日计划。

（5）施工前三天根据调查情况，给相关配合单位下达施工配合通知书;施工前做好安全教育及作业地点、作业方式交底，施工前会同相关设备管理单位对具体施工地段进行现场交底调查。

2 隧道开挖控制爆破设计

2.1 控制爆破判据

将爆破“振动速度”作为主控指标，“频率”作为观察指标。

（1）爆破振速：根据爆破安全规程要求，施工中按照振速小于5.0cm/s控制。

（2）振动频率：根据爆破安全规程要求，施工中按照振动频率大于50Hz控制。

鹞子岩隧道出口正洞及平导与既有沪蓉铁路的线间距为30～200m，计算炸药使用量时分别按表2距离进行取值。

2.2 控制爆破设计要求

2.2.1 爆破指标要求

为获得更好的爆破效果及开挖进尺，控制爆破振速按照小于5cm/s进行控制，前10炮进行现场测试及排查结构物是否存在隐患。

2.2.2 掏槽形式的选定

采用楔形掏槽进行控制爆破，掏槽眼比其他炮孔均深20cm。根据岩石普氏系数f=10-12时，掏槽眼角度经验取55-68°。

2.2.3 循环进尺确定

根据振速及掏槽眼单段药量控制要求调整循环进尺。

Ⅴ级围岩按0.6m～0.8m（1榀拱架）控制，Ⅲ级、Ⅳ级围岩按2.4m（2榀拱架）控制。

2.2.4 爆破器材选择

掌子面炮孔采用人工手持风钻钻孔，采用乳化炸药（？准32mm药卷，单卷长200mm，重0.2kg，每箱24kg），非电毫秒雷管起爆。采用微差爆破，周边眼采用导爆索起爆，以减小起爆时差。爆破器材由专用运输车从炸药库运至施工现场，见表3。

2.2.5 装药结构及堵塞方式

周边眼采用间隔装药结构，其余眼均采用连续装药结构。所有装药炮眼均采用炮泥堵塞，堵塞长度不小于30cm，见图1。施工时炮孔采用水封方式。水袋集中预制生产;炮泥根据需要现场加工，避免过久存放干硬、松散。

2.2.6 光爆参数的选择

通过爆破试验确定光面爆破参数，参照《铁路隧道工程施工技术指南》钻爆设计的“光面爆破参数表”[6]。

（1）W=（10～20）d=420～820mm，本设计取W=60～75cm。

（2）周边眼装药集中度q可取0.04～0.40kg/m，根据施工经验值Ⅳ～Ⅴ级围岩可取q=0.10～0.20kg/m。

（3）周边眼采用不偶合间隔装药，不偶合系数一般取1.25～2，现在D=炮眼直径/药卷直径=42mm/32mm=1.31满足取值范围要求。为实现间隔装药，使药卷居中在孔内，采取预先加工周边眼药串的办法，按设计将药卷用传爆线串联在加工的PVC管上，让药串架空居中于钻孔中心。

2.2.7 起爆网络设计及起爆网络图

（1）起爆网络采用串联连接法，按如下顺序连接：孔内雷管分组→周边孔导爆索并接→同段非电毫秒管双发簇连→非电毫秒管起爆。

（2）起爆器材：孔内采用非电毫秒雷管和导爆索（周边孔）起爆，孔外采用非电毫秒雷管传爆，起爆采用毫秒雷管起爆器起爆。

起爆网络详见图2。

2.3 最大单段控制药量计算

根据减震爆破理论：当边界条件相同时，爆破开挖的最大振动速度值不取决于一次起爆的总药量，而取决于某单段的最大用药量。

根据萨氏公式，最大单段装药量与爆破允许振速的计算公式如下：

式中：Qmax-最大单段允许用药量，单位kg;V-振速控制标准，取5cm/s;R-爆源中心（掏槽孔位置）到振速控制点（鹞子岩隧道正洞及平导与桐子林隧道二衬轮廓边缘点）的距离，单位m;K-与爆破技术、地震波传播途径介质的性质有关的系数，根据目前围岩情况取250;α-爆破振动衰减指数，取1.65;K、α具体取值一般需要在同等地质条件下，对同类型结构做大量的现场振动测试，再通过数值回归方法才可确定，也可用数值模拟的方法估算，根据目前既有条件参考表4取上述值，施工时通过爆破振动检测验证、优化、拟合。

按照既有边界条件对上述系数赋值，代入公式，计算出掏槽区爆破时单段允许最大装药量，计算结果见表5。

由表5可以看出，距离线路越远，爆破对正线震动影响越小。各段最大单段装药量根据不同段落开挖方式确定，确保对既有隧道振速小于5cm/s。对于其它段装药量，根据多年隧道爆破及实测经验，其最大装药量，宜控制在掏槽区最大單段允许药量2倍以下。

2.4 爆破振速检算

以Ⅲ级围岩台阶法开挖爆破且距离既有隧道线间距30～50m为例进行检算。

2.4.1 孔深

钻孔深度控制在2.4m，根据围岩情况及时调整开挖钻孔深度。

2.4.2 周边孔

周边炮孔间距取40cm，抵抗线取60cm。

2.4.3 炮孔布置图及爆破参数

（1）炮孔布置图

详见图3。

（2）爆破参数

开挖爆破参数见表6。

（3）爆破振速验算：

式中：V-爆破振速;R-爆源中心到振速控制点的距离，取30m;Q-掏槽最大单段用药量，16kg;K-与爆破技术、地震波传播途径介质的性质有关的系数，根据目前围岩情况取250;α-爆破振动衰减指数，这里取1.65。

根据公式2计算得出v=4.197cm/s，满足小于5cm/s要求。

2.5 爆破频率检算

通过式3计算爆破地震引起的质点振动频率[9]。

通过计算得出f=72.27，Hz>50Hz，频率大于50，对隧道结构安全的不利影响很小，无需进一步提高爆破振速要求标准。

3 既有隧道振速及频率监测

3.1 监测方法及内容

（1）新建隧道临近既有隧道段施工前，通过现场调查初步确认临近段既有铁路隧道结构健康状况（是否有既有病害），既有铁路隧道病害调查主要针对既有裂缝、表面渗漏水进行。

（2）新建隧道施工期间，对既有铁路隧道进行监测，监测内容主要包括：a.爆破震动监测，b.既有裂缝、渗漏水情况监测。

（3）控制爆破前10次爆破每次爆破结束后，项目负责人与各站段取得联系，并在天窗点内，对临近既有桐子林隧道段进行现场检查，与施工前调查结果进行对比，试验按照5cm/s内振速控制对既有隧道无影响。若前10次爆破未发现异常，根据情况对既有隧道检查频率调整至3～5天/次。

3.2 振动监测点布设（如图4、图5）

3.3 监测情况

（1）对既有隧道衬砌裂缝、渗水情况进行检查并与前期施工调查情况进行对比。按照5cm/s以内振速控制对既有结构物无影响。

（2）桐子林隧道洞内安设振速监测点，对爆破振速进行监测。前10次爆破振速监测数据如表7。

通过表7结果对比理论计算值，可以得出结论如下：

a.实测振速整体比理论计算值大，主要原因是K值在理论计算时，是根据围岩情况选取的预估值，通过前10次试验取得实测振速后，对K值进行了修正。

b.实测振速和主振频率大致呈正比关系，在实测振速和主振频率均达标的情况下，爆破施工对既有线隧道内的结构无影响。

3.4 预警及反馈机制控制指标

（1）对爆破实施风险管理，要求爆破振速？燮5cm/s。当其表面质点振速达到规定值时及时调整爆破方案。

（2）既有隧道衬砌出现新增裂缝，或既有裂缝超过限值，直接预警。

4 结论

通过对鹞子岩隧道临近既有线隧道控制爆破施工技术开展研究，验证了爆破振速及主振频率两项指标对控制爆破施工进行全过程控制的可行性，能有效地确保营业线隧道结构物的安全，进一步提高爆破设计方案的安全可靠性。同采用爆破振速单一指标进行控制爆破施工相比，本方案具有更强的针对性和指导意义，可根据监测数据及时调整爆破参数，既能确保既有隧道结构安全，又能更好地确保新建隧道开挖进尺及爆破效果，降低风险的同时提高施工效率。但由于隧道围岩岩性、地质构造发育变化频繁，对爆破振速及主振频率影响较大，下一步仍需通过不同工程的实践作深入的研究。

参考文献：

[1]GB6722-2014.爆破安全规程[S].北京：中国标准出版社，2015.

[2]唐春海，于亚伦，王建宙.爆破地震动安全判据的初步探讨[J].有色金属，2001，53（1）：1-3.

[3]焦永斌.爆破地震安全评定标准初探[J].爆破，1995（3）：45-47.

[4]赵精富，周兴，肖宏光.爆破振动“多因素”综合安全判据研究现状分析[J].科学技术创新，2018（33）：12-13.

[5]錢立军，郭甲祥.邻近既有线隧道控制爆破施工技术管理[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2018，17（2）：41-47.

[6]Q/CR9653-2017.客货共线铁路隧道工程施工技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[7]黄飞.临近既有线隧道开挖控制爆破试验与振动测试[J].湖南工程学院学报，2016，26（3）：81-85.

[8]李洪涛，舒大强.爆破震动衰减规律的影响因素[J].武汉大学学报（工学版），2005（1）：79-82.

[9]侯志强.临近既有线隧道石方开挖控制爆破的施工技术[J].工程施工技术，2017，7：159-161.