花岗岩地层中既有车站内爆破进洞技术

袁旭东

(中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430000）

1 引言

因隧道洞口与既有车站结构为零距离，隧道洞身范围为高强度微风化花岗岩地层，周边环境复杂，如何实现安全顺利进洞，既要做到对既有车站结构无损伤，还要对能采用的工艺工法从进度、成本、可行性等方面进行详细分析比选，才能得出科学合理切实可行的方案来确保正常施工。

2 工程概况

厦门2号线2标一工区包括一站两区间，其中东渡路站～建业路站区间左线长987 m，右线长1 002 m，采用矿山法施工，原设计共两个竖井工作面，受工期制约，增设至四个工作面，其中东渡路站工作面位于既有车站内，东渡路站结构已完工，暗挖隧道洞门位于车站负四层端墙内。区间隧道与车站接口如图1所示。

隧道洞身约78 m范围全部位于全断面17-5微风化花岗岩层内，如图2所示。17-5微风化花岗岩:岩芯多呈15～50 cm柱状，岩质坚硬，锤击声脆，饱和抗压强度63～124 MPa，天然抗压强度9.2～147.68 MPa，标准值为 118.19 MPa；属坚硬岩，岩体基本质量等级Ⅰ～Ⅱ级。

图2 地质纵断面示意

3 周边环境

本区间两侧重要建(构）筑物较多，主要有双狮南里小区、宝鹭苑小区、振华大厦、国际邮轮城，东渡路厦金码头截流泵站及排水箱涵等，隧道下穿现状道路范围内周边地下管网繁杂，类型众多，管径及埋深不一。

其中宝鹭苑小区为无桩基础小区，与隧道边线最小距离仅为4.8 m，国际邮轮城地下室桩基础与隧道边线距离为2.5 m。如图3所示。

图3 隧道与周边建筑物关系

4 方案比选

根据设计参数及地质情况，针对硬岩隧道暗挖施工主要分为爆破和非爆两类，具体可选择工法有:液压式岩石分裂施工、静态爆破、二氧化碳气体爆破、悬臂式隧道掘进机、钻爆法等。

4.1 液压式岩石分裂施工[1]

静爆液压式岩石分裂机裂岩施工，液压岩石分裂机拟采用重庆静爆机械化工程有限公司改装或生产的专业设备。由于岩石强度高达120 MPa以上，首先取孔时间极长，其次高强度花岗岩裂岩效果待验证，进度指标受裂岩效果和破除工作等影响难以确保，裂岩棒水平孔作业难以实施等，静爆公司指出本工法难以满足高强度花岗岩地层暗挖隧道的岩石破碎作业。

4.2 静态爆破剂爆破[2]

通过膨胀剂灌入岩体内，发生水化反应，固体硬化，温度升高，体积膨胀，把岩石涨破，产生裂隙或裂缝，再通过机械破除达到开挖目的。本工程进洞采用该方法则钻孔过多，周期长，施工成本过高，开挖进度极其缓慢，破碎效果受温度影响较大，开裂时间不宜控制，临空面要求高，有喷浆和强碱性危害等，该方法只有在特殊的施工环境下及个别有约束条件的工程中采用，本工况下实施静态爆破，理论上具备可行性，但可操作性较低。

4.3 二氧化碳气体爆破[3]

液态二氧化碳相变致裂技术是属于物理爆破技术，该工法效率过低，步骤过于繁琐，每天炸不了几次，环节多了出问题的机率就多，震动力虽不大，爆破声响比较明显，本工法主要适用于矿井的采煤工作面，当前这项技术仍不完善，成熟度不足，仍处在不断成长和发展阶段，对临空面要求高，深基坑及隧道等作业面均不适合，且爆破威力较小，根本无法满足硬岩地层爆破施工，多家设备厂家及专业队伍均表示该工法无法运用于高强度花岗岩暗挖隧道施工。

4.4 悬臂式隧道掘进机[4]

悬臂式掘进机作为一种新工艺，在国内正逐步应用，开挖较灵活，通过机器前段切割机构的上下左右摆动及切割头旋转破岩，可实现城门洞形、半圆形、矩形、马蹄形等不同形状的断面掘进。

硬岩地层施工时，尤其是硬度超过80 MPa的地层，掘进机施工没什么优势，主要体现在截齿的消耗，硬度越高，截齿损耗越大，成本高于钻爆法；施工效率低，破岩能力低。

徐工厂家意见:岩石强度大于100 MPa以上不建议采用本工法。根据地勘报告岩石试验强度远大于理想值，不适宜采用本方案。

4.5 钻爆法[5]

由于交界处左右线隧道洞口与车站结构为零距离，距离隧道边线仅4.8 m还有老旧无基础小区，此条件下实施爆破进洞，必须做到爆破对车站结构无损伤，还要求爆破振速小、声响小、外界影响小、爆破效果好，因此对爆破控制和爆破防护均要求极高，由于爆破冲击及爆破振动难以减免，对洞口处车站主体结构难以实施爆破防护，必须通过不断试验总结来制定科学合理的爆破方案，必须通过增加减震措施、深化爆破设计、进行车站全面防护等技术手段和保证措施，可以通过试验总结确定爆破效果。

通过综合比选，高强度花岗岩暗挖隧道的非爆破施工确实属于全国性难题，从进度、成本、效果、方案切实可行性等角度综合考虑则只有钻爆法较适宜，选用钻爆法需协调好周边影响因素，需进行科学严谨的爆破设计，增加减震措施，做好全方位爆破防护等。

5 爆破进洞方案

爆破设计要求振动小，声响小，效果好，为确保安全进洞及尽可能减小振动，拟实施进洞方案思路如下:

采用风枪钻沿上台阶开挖轮廓线打设一排直径50 mm孔，间距10 cm，作为减震空孔；再打设第二排孔间距50 cm，钻孔完成后采用聚能管水压爆破技术[6-7](药量小，体积均匀，振动小，定向爆破）实施爆破，最终形成5～15 cm宽隔震槽，以缓冲、反射开挖爆破产生的振动波，控制其对保留岩体的破坏，最大程度减小爆破振动对周边结构的影响，再实施爆破进洞施工。

5.1 隔震槽施工

原理同预裂爆破，隔振槽钻孔直径D=50 mm、沿轮廓线钻水平孔，孔深为L=2.2 m、孔排距b=10 cm、第一排孔间距a=10 cm、第二排孔间距50 cm，如图4所示。

隔震槽第二排孔装药结构为底部装填1袋水袋，然后填装1.5 m聚能管装置，最后用炮泥堵塞。炮眼总数各一半分1、3段起爆，其中聚能管长1.5 m，装药延米量0.4 kg，单孔药量为0.6 kg。如图5所示。

经试爆后，爆破效果较好，爆破后各炮孔间明显裂缝且全部碎裂，毗邻建筑物处最大爆破振速为1.13 mm/s。

图4 隔震槽布孔

图5 聚能管装药结构

5.2 爆破控制

爆破危害主要是爆破振动，爆破振动安全允许距离，可按下式计算[8]:

式中，R为爆破振动安全允许距离(m）；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量(kg）；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度cm/s；K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按表1选取，或通过现场试验确定。

表1 爆区不同岩性的K，α值

通过实测掌子面中心与振动监测埋设点之间距离获取准确R值，通过现场统计同段位齐爆药量获取准确Q值之后，我们可计算获得K、α值，结合实测的最小R值及本工程内控允许V值1.0 cm/s(规范允许值2 cm/s），从而计算获得允许最大一段用药量Q，现场要根据实测的最小R值采取措施进行爆破控制:

控制单孔的装药量；控制单循环进尺及加强堵塞；控制微差爆破的时间间隔在50～100 ms以上；跳段使用雷管；根据监测记录，及时修正K、α值。

5.3 进洞爆破设计[9]

开挖采用台阶法施工，核心是采用预裂爆破，掏槽眼采用抛掷爆破。

(1）炮孔计算

炮孔深度:通过查表，根据岩石坚固性系数f与掘进断面大小对应选取，具体见表2。

表2 掘进参数

本工程岩石坚固性系数f按花岗岩取f=8～15。

区间隧道采用台阶法施工，断面面积为34.6 m2，断面面积较小，爆破开挖进尺每循环为1.0 m，所以掏槽眼深度1.5 m，辅助眼深度1.3 m，周边眼深度1.2 m，底板眼深度1.5 m。炮孔数目:按下式估算:

式中，N为炮孔数目(个）；f为岩石坚固性系数；s为巷道掘进断面面积(m2）。

通过计算，理论炮孔数量为N=81个。

(2）炮孔布置

周边眼抵抗线w取60 cm，周边孔间距应小于抵抗线，理论周边眼取50 cm[10]，上台阶为考虑安全进洞周边孔按间距10 cm取孔先实施预裂形成隔震槽。

炮眼的间距，视岩石的类别、节理发育程度，参照下式计算确定:

式中，a为炮眼间距(mm）；w为最小抵抗线(m）；b为系数，采用电雷管起爆为0.8～2.3。

图6 上台阶炮孔布置

掏槽孔间距取50 cm；周边辅助眼其间距为周边眼的1.5倍左右，取间距70 cm；底板眼间距取70 cm；辅助孔布孔在参照炮孔总数及排间距等参数的基础上，前后排间距按爆破漏斗原理或三角形原理进行交错布孔，且由于越靠近掏槽眼的辅助孔爆破夹制作用越大，故辅助眼越靠近掏槽眼，抵抗线越小，最外层辅助孔的抵抗线最大，辅助眼眼距取50 cm；当使用多排排炮爆破时，炮眼应按梅花形布置，炮排距约为同排炮孔距的0.86倍，排距为45 cm。上台阶每次爆破进尺为1.0 m，由于洞口与东渡路站为零距离，为减小爆破飞石块度，拟增加掏槽眼中间分布眼，采用MS2雷管起爆段位，介于掏槽眼段位与掏槽辅助眼段位之间，既不影响掏槽效果，又能减小石块体积。如图6所示。

上台阶进尺3～5 m后开始施工下台阶，下台阶每次爆破进尺为1.0 m，采取控制爆破，控制分组，可施作空孔，增加自由面，改善爆破效果。为改变下台阶爆破主要飞石方向，加密上下层炮眼间距，根据岩石情况取上下层炮眼间距为70 cm，使下台阶爆破最小抵抗线方向向上，进而使爆破飞石主要方向向上，减小对车站结构物的破坏。如图7所示。

图7 下台阶炮孔布置

(3）炸药量计算

按岩石坚固系数选定单位耗药量，坚固系数取11，据工程类比取炸药单耗q=1.4 kg/m3。每循环炸药总量计算:

式中，Q为每循环装药量(kg）；q为单位装药量(kg）；v为岩体体积(m3）。

每循环开挖1 m炸药用量为:

根据计算，药量分配如表3所示。

表3 单孔药量分配

(4）装药结构及起爆方法

采用非电毫秒雷管起爆系统，雷管段位对号入座，为了增强起爆效果，隔段选用毫秒雷管；采用连续耦合装药，雷管埋入孔底药卷；导爆管与药卷捆扎在一起，使其固定在预定位置，如图8所示。

图8 主炮孔装药堵塞结构示意

采用接力式簇联导爆管雷管起爆网络，用电雷管引爆若干发捆绑导爆管雷管，再由捆绑导爆管雷管引爆炮孔中的雷管，用普通起爆器起爆。起爆顺序:掏槽眼→辅助眼→周边辅助眼→底板眼。

6 其他措施

6.1 监控量测[11]

(1）对周边房屋的沉降、位移需进行加密监测，频率为每8 h一次。

(2）设置4处振速监测点，分别在洞口附近侧墙处、距离洞口10 m处结构内、距离洞口20 m处结构内、距离隧道最近地面既有建筑物处。

(3）做好站内结构及周边房屋外观巡查并详细记录。

根据监测数据及时调整爆破参数，严格控制爆破振速，确保安全施工。

6.2 爆破防护措施[12]

(1）对车站洞门、立柱、侧墙等结构的防护

采用塑料泡沫、土工布、气垫等缓冲材料对结构进行全方位包裹，能对飞石冲击起到缓冲的作用，以免飞石对外伸结构角造成损坏。

(2）对车站内部结构的防护

采用炮被、竹排编制帘等设置阻挡飞石进入结构内部，且能对爆破冲击波起到消声效果，需设置3～4道防护帘。

7 结束语

通过对进洞方案充分比选，选用了爆破进洞，并制定了科学合理的爆破方案，采取了爆破控制，通过增加减震措施、深化爆破设计、监测数据指导施工，加强了爆破防护措施，并进行试验总结确定了爆破效果，爆破振速严格控制在1 cm/s以下，安全可控，在保证爆破进尺效果的前提下确保了站内结构完全无损，确保了周边建筑物的安全，成功实现了花岗岩地层中既有车站内爆破进洞。