临近既有线隧道爆破施工技术研究

郭士维 GUO Shi-wei

（中铁十七局集团第三工程有限公司，石家庄050000）

1 工程概况

2 工程地质

2.1 麻拉寨隧道泄水洞

该泄水洞所处地形总体趋势为测区中部高东西两侧低的云贵高原斜坡地带，山脊呈NNE走向。沟槽切割明显剧烈。喀斯特地貌发育，东西两侧丘陵地貌发育，山顶浑圆，植被较发育。测区基岩大多裸露，为二叠系中统新苑组页岩、白云岩；二叠系上统长兴-大隆组-吴家坪组砂岩、灰岩；二叠系上统吴家坪组硅质页岩夹煤、灰岩；二叠系下统茅口组灰岩；二叠系下统栖霞组灰岩；二叠系下统梁山组泥岩夹砂岩、灰岩、炭质灰岩、粘土岩；泥盆系上统望城坡-尧梭组组灰岩夹泥灰岩。探明地勘区处于径向隔槽式褶皱带的背、向斜结合部，都匀向斜西翼。构造线以北北东向为主，少部显北西向。受都匀断裂带的影响，区内褶皱多被破坏，断层发育。泄水洞穿越渚拉窝当断层。总体地下水较发育，主要为碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水。

2.2 茅坪山隧道泄水洞（1#泄水洞、2#泄水洞、3#泄水洞）

所处地形中部高四周低的云贵高原斜坡地带，泄水洞全段穿越碳酸盐岩分布区，属于典型的喀斯特构造剥蚀～溶蚀槽谷地貌特点。所处位置槽谷发育，断层、大型节理构造与槽谷发育的走向基本一致。山体两侧斜坡较陡，坡角达25～40°，多集中排泄地下室，冲沟明显，勘查区域基岩裸露明显，构造覆盖第四系坡洪积红黏土、粗角砾土，缓坡上多为坡残积碎石土及人工填土层所覆盖，下伏基岩为寒武系中统高台组、寒武系下统清虚洞组及寒武系下统杷榔组地层，总体构造为倾斜构造，构造线的展布方向主体为北向东，少部呈近东西向展布。区内褶皱不发育，但洞身穿越地段地层倾角较小，趋于平缓状态，多波状起伏，呈现大范围挠曲特征，区域发育4条断层，后山断裂、隆昌断层、茅坪山断层及鱼冲断裂。地下水类型主要有基岩裂隙水、松散土层孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水三种。

3 光面爆破开挖技巧

3.1 光面爆破简介

为充分发挥围岩的自稳定能力，以岩体力学理论为基础，及时支护，采用锚喷支护的方法控制围岩变形和松弛，充分发挥围岩的自承载能力，将围岩作为支护系统的一部分。主要通过毫秒爆破和光面爆破技术，减少对围岩的扰动，避免对围岩扰动太大后破损严重，从而失稳坍塌。通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工，结合变形情况及内力检测适时的进行二衬施工，从而形成以喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑为初期支护的柔性支护体系，使得泄水洞在因开挖过程成洞，使山体内应力重新分配，通过适当释放变形，使得岩体自身的承载能力得到充分的发挥，二次衬砌主要是作为一种安全储备作用。而光面爆破就是为了最大限度减少开挖对围岩的扰动，通过沿隧道开挖轮廓线布一圈较密的炮孔，采用间隔和不耦合形式装药，使爆破后隧道轮廓不受破坏或少受破坏，超欠挖量小（少超少欠，超欠相抵），轮廓面比较完整平顺，围岩较好时在轮廓面上留有相当数量的炮痕，炮痕率30～100%。轮廓面比较完整平顺的一种开挖方法。具体见图1。

图1 光面爆破布设炮孔

3.2 钻爆设计总体说明

为了保证爆破后的开挖轮廓线，避免超欠挖并减少对周边围岩及既有铁路的扰动，保证开挖面的平整规则，采用光面控制爆破。而工程地质状况是决定光面控制爆破效果的关键因素。在施工过程中，结合现场工程地质情况，合理选择炮孔深度、孔径、炮孔间距、装药类型等钻爆参数，并结合实际情况，不断优化。钻眼采用气腿凿岩机，临空面采用楔形掏槽方式。单位炸药消耗量应满足较高的炮眼利用率和降低大块率要求，并便于机械装碴。

3.3 光面爆破参数设计

光面爆破不偶合系数：

式中：D——不偶合系数；dk——炮眼直径cm；di——炸药直径cm；α——爆生气体分子余容系数；P0——爆生气体的初始压力，Pa；[σc]——岩石三轴抗压强度，Pa；r——绝热指数；

光面爆破周边眼间距：E=54.2976Kpdi

式中：Kp——抗破坏屈服系数（岩石），具体见表1，di——炸药直径，cm；最小抵抗线：炮眼密集度系数即E/W=0.8。

N个感知半径为Rs的传感器节点S1,S2,…,SN随机部署在长为L,宽为W的矩形区域内,假设该无线传感器网络具有以下性质:①所有传感器节点随机部署后为静止状态;②可以通过定位技术确定每个节点的位置;③相对于节点的感知覆盖范围,目标区域的面积足够大,边界效应可以忽略;④节点采用布尔感知模型,网络采用网格覆盖模型;⑤无线传感器网络为同构网络,所有节点(不包括Sink节点)具有相同的参数和初始条件,节点的最大通信半径Rc和感知半径Rs无特定关系;⑥网络无时钟同步的要求。

表1 岩石抗破坏屈服系数Kp

式中：E——炮眼间距，cm；W——最小抵抗线，cm。

光面爆破炮眼装填系数：

式中：β——光面爆破炮眼装填系数；[τ]——岩石抗剪强度，Pa；[σe]——岩石抗拉强度，Pa；L——炮眼深度，cm。

3.4 Ⅲ、Ⅳ级采用全断面开挖，Ⅴ级采用两台阶开挖施工方法

①首先按照破空布置图进行测量放样，采用红油漆标注开挖轮廓线，按照图纸标注掏槽、辅助、周边眼的位置。采用YT-28型凿岩机钻孔，按照设计的角度进行钻孔，把误差减到最小，以确保爆破质量。掏槽孔要保证钻孔角度，在轮廓线内5cm倾斜打设周边眼，外插脚1°～2°；周边孔钻孔误差环向及径向符合光面爆破相关要求；掏槽孔不大于3cm，其它孔开眼误差不大于5cm。②钻孔完成后，采用小直径钢筋及高压风管孔内吹风，将孔内石屑及杂物清理干净。经检查合格后方可装药。装药分片分组负责，应自上而进行装药，装药数量及雷管段位严格按照爆破网络设计进行安防，按顺序连接起爆网络，认真检查复核并依照爆破设计要求和《爆破安全规程》严格执行。③采用间隔不耦合装药，采用炮泥对炮孔进行有效堵塞，提高爆破效能及炸药的利用率，降低炸药用量。装药后用炮泥进行认真堵塞，掏槽孔要把不装药部分全部堵塞，周边孔采用不小于20cm的炮泥堵塞，其余炮孔按照不小于最小抵抗线的80%的长度进行堵塞，能够有效保证爆破的安全及提高炸药利用率。爆破采用光面控制爆破，非电毫秒雷管起爆。

4 控爆施工工艺

4.1 控爆总体方案

既有线总体爆破方案为：统揽全局、分段实施、防控结合、控制规模控爆参数按照以下条件计算：炮孔直径42mm，药卷直径32mm，药卷长度20cm，药卷质量为200 g/条，炸药为乳化炸药。爆破雷管采用非电毫秒雷管，控爆方法采用楔形掏槽先爆形成临空面，然后辅助眼及周边眼相继爆破，要求斜钻孔，密布眼，少装药，且爆破时间为天窗点（23：00-5：00）。

4.2 炮孔覆盖设计方案

炮孔阻塞：炮孔阻塞长度应大于或等于最小抵抗线，阻塞材料采用沙土或者粘土（炮泥）堵塞，严禁采用含有尖锐石块阻塞。

按照既有线不同的边沿加宽厚度和开挖高度，灵活应用浅孔台阶隔墙防护控制爆破的各项参数，孔网布置，装药结构，爆破顺序和起爆方法，严格控制最小抵抗线方向及炮孔阻塞长度，按照不同的浅孔台阶爆破参数。

4.3 爆破后检查内容

①爆破后超过5分钟方可准许检查人员进入爆破作业地点，如不能确认有无盲炮，应经过15分钟后才可进入检查。②地下爆破有无瓦斯及地下水流出，有无冒顶、危岩、支撑是否破坏，有毒气体是否排除。③在爆破警戒区内公共设施写明警示，严禁其他无关人员进入爆破区，检查人员应将检查获得的情况立即报告工作领导人，对重要的爆破工程项目应填写“爆破后检查记录表”，发现盲炮或其他险情应立即上报并请示处理，在处理前应在现场设立危险标志，禁止无关人员进入。发现残存的爆破器材应收集上交，集中销毁。

5 爆破参数（具体见表2、表3）

表2 光面爆破参数表

表3 爆破器材选择表

炮眼布置原则：布置炮眼时，先布置掏槽眼，其次周边眼，最后辅助眼。掏槽眼布置在导坑的中央或者偏下方，为充分发挥掏槽眼创造临空面的作用，比其他炮眼深10cm；其他炮眼（除底眼外）深度要一致，眼底应落在一个平面上。掏槽范围一般为1.6×1.6m；周边眼应严格沿设计开挖轮廓线均匀布置为40cm，帮眼和顶眼间距在坚硬岩层中和周边眼的深度一致；在中硬岩层中正好为达到坑道的边界；软岩中在导坑边线以内10cm；底眼不论在任何情况下都超出导坑边界10cm，深度与掏槽眼深度一致。周边眼和掏槽眼之间距离过大时，应适当布置辅助眼，间距80cm-100cm。合理布置掏槽炮眼是直接关系到坑道的掘进效率和炮眼的利用率，但掏槽的形式、掏槽炮眼的深度、掏槽眼的深度、掏槽眼的数目、间距及角度都是重要的因素。掏槽的形式一般分为斜眼和直眼两种，我们一般采用斜眼垂直楔形掏槽，缺点是没有直眼掏槽进尺大。

6 爆破震速监控

参考国家标准规程爆破振动安全允许标准，具体见图2。

图2 国家标准规程

振动波示意图，具体见图3。

图3 振动波示意图

泄水洞与隧道位置断面示意图，具体见图4。

图4 泄水洞与隧道位置断面示意图

6.1 调整测振采集仪安装位置方案

测振采集仪原安装位置在侧沟电缆槽的通信信号槽内，由于贵州凯里地区进入雨季，隧道内过水量增大，导致电缆槽内存在积水、过水情况，对采集仪造成严重威胁，为保证采集设备安全，测振工作的顺利进展，将原安放在电缆槽内的采集仪位置调整至衬砌结构上。具体见图5。

图5 测振采集仪安装

6.2 布置原则

①最大振动断面的位置和方向监测；②爆破地震效应的跟踪监测，爆破地震波衰减规律监测；③本项目监测以地震波质点的振动速率作为衡量地震波强度的标准。

6.3 监测点的布置

根据现场实际情况以全断面开挖作为代表工况对爆破振动进行数值模拟并结合爆破振动传播规律及以往经验，在隧道断面上，近爆源一侧的振动峰值大于远爆源一侧，因此在现场监测中应将测点布置在近爆源处。针对既有隧道现场不易放置测点的位置，例如拱顶、拱底、拱腰处，现场监测时采用替代测点的方法进行处理。①衬砌结构监测点布置。衬砌结构监测点考虑震源位于隧道靠下，隧道衬砌监测点布置在最靠近震源一侧的衬砌边墙处。布置三矢量传感器，具体位置见图6：根据图6“监测点位置”，衬砌结构监测点布置在侧沟电缆槽顶面与衬砌交接处。②接触网支柱监测点布置。鉴于本隧道已运行，可不在接触网支柱上直接布置监测点；根据爆破振动传播规律以及以往经验，结合泄水洞与正洞位置关系，接触网支柱的振动监测以衬砌结构处监测点作为替代点，间接反映爆破振动对接触网支柱的影响。③道床结构监测点布置。道床结构监测点布置在靠近震源一侧的道床板顶面左侧边缘处。道床结构监测点处布置一个竖直向传感器。具体位置见图7。④变压器设备监测点布置。由于正洞变压器设备安装与变压器专用洞室中，变压器设备监测可通过监测洞室处衬砌结构来反映变压器设备的震动速度。

图6 衬砌结构监测点位置

图7 道床结构监测点布置