黄智刚
(福州水务平潭引水开发有限公司,福建 福州 350001)
随着我国城市化的不断推进,城市用水困难日益加剧。修建输水隧洞将大型湖泊水源供给城市使用,是缓解城市用水困难的重要手段[1- 3]。输水隧洞施工过程中下穿既有高速公路,对高速公路路基、路面产生较大危害。隧洞下穿高速公路施工风险主要包括两方面:一是隧洞施工的爆破振动、地表沉降、围岩失稳等对高速公路路基、路面的影响[4- 5];二是既有高速公路车辆运行对隧洞施工的不利影响[6]。
本文针对平潭及闽江口水资源配置工程输水隧洞施工下穿G15高速的施工问题,分析隧洞施工风险;考虑主要风险源,对下穿高速公路输水隧洞爆破进行优化设计。
福建省平潭及闽江口水资源配置工程是一项跨区域的重大水利工程,属于国务院推进建设的172项节水供水工程之一。工程第4标段(大樟溪—石溪输水线路)由主洞和多条支洞组成,隧洞累计长度高达42078m。
输水隧洞施工下穿G15高速公路,交叉位置路面高程约为49m,隧洞顶高程24.79m,隧洞顶板与路面高差为24.21m,高速与隧洞轴线夹角为83.4°。下穿段沿线地表为5~9.7m砂质黏土层,下伏全风化和强风化凝灰岩,下限为22.6m。隧洞处于中-微风化岩层,围岩等级为Ⅲ~Ⅳ级,稳定性较差。
下穿高速公路输水隧洞施工中,主要施工风险包括隧洞施工引起路面沉降、车辆运行诱发隧洞塌方和隧洞爆破振动有害效应等三个方面[7- 8]。
(1)隧洞施工引起路面沉降
隧洞开挖将导致地表下沉,对地面建(构)筑物产生不利影响。对于隧洞深埋小于3倍洞径的浅埋隧洞,引起地表沉降较大。本工程中,下穿地段隧洞埋深为24.21m,根据计算下穿段隧洞属于深埋段。深埋隧洞可以形成自然坍落拱,隧洞开挖地表影响极小,基本不会引起高速公路路面下沉。
(2)车辆运行诱发隧洞塌方
高速公路运行车辆会产生动载,动载经路面、岩体传递到隧洞顶板,造成隧洞顶板受力、震动,进而引起隧洞塌方[9]。隧洞塌方将直接影响施工人员安全,同时隧洞塌方有可能波及到地表,有可能造成道路路面塌陷,影响道路交通安全。因此在下穿过程中,需控制车辆运行中的动载,控制车速,将动载控制到最低程度。
(3)隧洞爆破振动有害效应
爆破产生的有害效应主要包括爆破振动、飞石和空气冲击波[10- 11]。爆破地震波通过岩体传导到高速公路,引起路基和路面振动,其峰值振动速度可能超过限值,将对高速公路结构稳定性造成威胁。
根据上述分析可知,下穿高速公路输水隧洞施工风险中爆破振动有害效应的影响最大,需要对爆破设计进行优化,减小爆破振动强度,确保下穿高速公路输水隧洞施工安全。
隧洞下穿高速公路位置围岩为Ⅲ~Ⅳ级,围岩稳定性较差。为有效降低爆破振动,避免隧洞塌方,下穿位置前后50m范围内均采取台阶法爆破施工,上下台阶进尺均取1m。
炮眼数量根据经验公式确定[12- 13],如下:
(1)
式中,N—炮眼数量;q—炸药单耗,根据隧洞工程经验及有关资料,岩石坚固性系数f=5~8时,隧洞掘进炸药单耗为1.7kg/m3;s—隧洞掘进断面积,19.35m2;r—每米炸药质量,2#岩石炸药为0.78kg;η—炮孔装药系数,取0.7。
计算得到的炮孔数量为59。考虑到台阶法开挖、光面爆破及中心空眼,隧洞炮孔数量确定为60个。掏槽眼采用平行空眼直线掏槽,各掏槽眼互相平行且呈对称形式排列,炮孔间距0.2m,中间一个为空眼。辅助眼和光爆眼均匀布孔,辅助眼间距0.53~0.7m,光爆眼距轮廓线0.1~0.15m。炮眼布置如图1—2所示。
图1 上台阶炮眼布置图
图2 下台阶炮眼布置图
(1)炮眼参数
爆破采用YT- 28型凿岩机进行钻眼,炮眼直径d=38~42mm。由于上下台阶进尺控制在1m,掏槽眼增加超深0.3m,其他眼增加0.1m,因此掏槽眼深度为1.3m,其他炮眼深度为1.1m。
(2)爆破药量
掏槽眼、辅助眼和底眼药量计算[14]:
Q=(L×α)÷m×P
(2)
式中,Q—炮孔装药量,kg;L—炮孔深度,m;α—装药长度比例;m—药卷长度,m;P—每卷炸药重量,kg。计算得到掏槽眼、辅助眼和底眼的单孔装药量分别为1.04、0.77、0.825kg。
周边眼药量计算[15]:
Q=q线×L
(3)
式中,Q—装药量,kg;q—线装药密度,kg/m,本工程取0.12;L—炮眼深度,m。计算得到周边眼的单孔装药量为0.132kg。
(3)微差起爆
采用毫秒微差非电雷管一次起爆方法,起爆顺序为:掏槽眼-辅助眼-底眼-周边眼,应选用1—11段毫秒雷管,相邻炮孔的起爆时差应不大于100ms。各类炮眼的钻爆参数见表1—2。
表1 上台阶钻爆参数表
表2 下台阶钻爆参数表
掏槽眼、辅助眼、底眼采用耦合连续反向起爆装药结构。为了最大限度地降低爆破对围岩损伤,周边眼采取间隔不耦合装药。装药结构如图3—4所示。
图3 耦合连续反向起爆装药结构
图4 间隔不耦合装药
隧洞爆破后对开挖质量进行了检测,爆破岩面较为平整,残留炮眼痕迹清晰,如图5所示;平均超挖在15cm以内,残孔率在85%以上。检测结果表明本方案爆破设计参数合理,取得了较好的爆破效果。
图5 拱部爆破效果
根据爆破安全规程[16]和施工方案,高速公路的安全振速为10m/s。在路面设置2个监测点,进行了6次爆破振动监测,结果如图6所示。实测爆破峰值振速在3.04~5.41cm/s之间,远小于安全振速值,说明隧洞爆破振动效应得到有效控制,对高速公路影响较小。
图6 监测点峰值振速
下穿高速公路输水隧洞施工风险较大,易引起路基、路面沉降,威胁高速公路结构稳定。针对本项目实际工程特点,详细分析了施工风险,提出了下穿高速公路输水隧洞爆破优化设计方案。平均超挖控制在15cm以内,残孔率在85%以上,路面爆破峰值振速远小于安全值,隧洞安全完成下穿高速公路施工。可为输水隧洞下穿高速公路施工提供参考。而对下穿高速公路隧洞支护设计和施工管控仍有待进一步研究。