沙岗山铁路隧道微台阶法爆破开挖施工技术研究

摘要：针对爆破开挖施工振动速度较大、峰值速度较高，容易导致围岩失稳、隧道形变等问题，以沙岗山铁路隧道施工项目为依托，开展微台阶法爆破开挖施工技术研究。先阐述工程概况，然后以此为基础，完成施工技术的设置，通过设置复式楔形掏槽分区、布置沙岗山铁路隧道爆破炮孔、连接隧道起爆组网等步骤，实现爆破开挖任务。最后通过测试完成该技术施工效果的验证。实例分析结果验证了该技术的施工质量更佳，能够应用于实际工程中。

关键词：沙岗山；铁路隧道；微台阶法；爆破开挖；施工技术

0 引言

在隧道爆破施工过程中，爆破振动对隧道开挖结构及周围既有建筑的危害较大，会严重影响隧道施工质量。因此，如何减小爆破振动的危害成为施工人员的研究重点[1]。

目前，爆破施工的减振方法以炮孔间距设计、掏槽布孔优化、增设减振孔、缩短进尺等方面为主。通过在掏槽布孔中增加一个孔位，可延长爆破时间，改变施工工序，从而降低爆破振动[2]。而增设减振孔则是在炮孔外侧布置减振孔位，并增加孔位之间的间距，以减小振动的幅度。另外，缩短进尺也是一种减小爆破振动的方法，其通过减小起爆药物的用量来实现。

以上这些方法均采用不同的施工工序，以达到减小爆破振动的效果。但受到隧道现场环境的影响，爆破过程中仍会对既有建筑造成影响，无法满足隧道施工需求[3]。炸药在隧道岩体内发生爆炸之后，爆炸能量在岩体中循环传播，横波与纵波均会产生一定应力，压缩挤压隧道岩体，造成隧道形变。在爆破开挖施工过程中，装药包以炮孔为中心，炮孔半径的范围内，形成大量的冲击波。冲击波能量衰减较大，冲击振幅、频率、强度参数均随之改变[4]。冲击波与横波纵波共同作用，容易造成隧道坍塌的隐患。

基于此，本文以沙岗山铁路隧道施工项目为研究对象，以减小爆破振动为目标，设计了一种沙岗山铁路隧道微台阶法爆破开挖施工技术。

1 工程概况

本文以沙岗山铁路隧道爆破开挖工程为例，开展研究。沙岗山铁路为客货共线双线隧道，位于穿山、象州区间。起始桩号为DK35+140，终止桩号为DK35+615，全长475m，最大埋深70m，最小埋深0m，进口坡度较缓、出口坡度较陡。进口、出口均有基岩出露，坡面植被多为桉树、灌木。

隧道斜穿越一座条形山体。隧道进、出口不远处均有便道相通，线路左侧有柳北高速公路，交通较为便利。隧道主要围岩级别为Ⅲ级、IV级、V级。隧道进口地形整体下缓上陡，地面高程100～180m，相对高差40～80m，自然坡度15～40°。沙岗山隧道洞身管线布置情况如图1所示。

隧道出口地形较陡，自然坡度为35～50°。整个地区地形地貌受构造控制较明显，山体明显可见呈台阶状展布，台阶前部呈陡壁状，陡壁处及山顶可见基岩出漏。

在DK35+140～DK35+150里程上（长度为10m），采用

明挖法开挖施工；在DK35+170～DK35+200里程上（长度为30m），采用三台阶+临时支撑的形式开挖；在DK35+225～DK35+265里程上（长度为40m），采用两台阶开挖。

2 微台阶法爆破开挖施工设计

本文以上述工程为基础，完成微台阶法爆破开挖施工设计，具体流程如下：

2.1 设置复式楔形掏槽分区

在微台阶爆破时，岩体受到的夹制力作用较大，夹制力作用强度与炮孔深度成正比[5]。因此，在爆破开挖的过程中安装掏槽模板，确保隧道岩石夹制力作用效果，从而保障掏槽质量。台阶法施工纵断面如图2所示。

由于沙岗山铁路隧道的地质条件较差，本次将开挖断面分为3层，分别为①层、②层、③层。以①层、②层、③层的顺序开挖，形成3个正台阶[6]。开挖施工前，设置了超前支护，其强度需足够支撑爆破开挖的稳定性。

在①层、②层、③层的位置设置复式楔形掏槽分区，①层为掏槽u5zJulg7veribbfEKoI6YA==1区，②层为掏槽2区，③层为掏槽3区。掏槽1区处夹制力作用较大，对此利用爆破漏斗形成临界深度，使岩石抛出冲击作用力与夹制力作用抵消，从而避免隧道形变。

2.2 布置沙岗山铁路隧道爆破炮孔

在隧道爆破时，通过缩小开挖进尺，可减小炮孔间距、减小装药密度，从而满足爆破需求。根据隧道中心线、腰线布置炮眼位置、方向、深度，严格控制周边眼的间距，使炮孔满足爆破需求[7]。通过改变炮孔间距，能够改变雷管总段位数，均匀分配爆破装药量，从而起到一定减振效果。爆破参数如表1所示。

表1中，a为掏槽眼，b为辅助眼，c为掘进，d为内圈眼，e为底板眼，f为周边眼。A为爆破眼，B为周边眼。根据沙岗山铁路隧道施工图纸，划分出隧道中心线。根据中心线位置，布置炮眼位置。在此过程中，需要严格控制周边眼的间距。

根据沙岗山铁路岩石稳定性能，调整炮眼间距为40cm左右。周边眼的开眼位置在炮眼中心轮廓线上，根据炮孔深度调整倾斜率。在周边爆破孔中，采用小直径连续装药的形式，确保爆破孔的起爆效果。

2.3 连接隧道起爆组网

2.3.1 操作要点

本文根据隧道开挖需求，准备起爆网络。将起爆器、爆破母线、连接线、炮孔、电雷管连接在一起，通电起爆完成爆破开挖任务[8]。起爆器安装在起爆台阶上，并调整起爆器的输出电压与电流使其符合要求。将爆破母线连接在起爆器与各个炮孔引爆线上，并让电雷管与炮孔连接。将各个起爆设备连接完成之后，检查整体线路。待起爆网络一切正常后，通电起爆。

2.3.2 相关参数计算

在掏槽区，爆炸变形能可表示如下：

（1）

式中：∆E为掏槽区起爆的岩性变形能，δt为径向应力，δk为切向应力，αt为径向应变，αk为切向应变。

径向应力δt可表示为：

（2）

式中：Pmax为爆破压力作用在岩体的初始峰值压力，r为应力波传播距离。

将∆E与、δt与Pmax设计值相对照，确定其符合设计需求，能够满足本次施工质量要求。在全部爆破孔均爆破完成之后，及时断开起爆器的电源，确定现场无残留爆破材料后，完成本次爆破开挖任务，确保隧道开挖施工的安全性。

3 测试结果分析

本文将炸药量设定为9.0kg，设置爆心距在10～20m范围内。在X向（径向）、Y向（切向）、Z向（垂向）的爆破振动速度方向，确定峰值速度与最大矢量合成速度。使用本文设计技术开始施工，确定实际矢量合成速度。将最大矢量合成速度与实际矢量合成速度对比，后者低于前者的前提下，后者越小，爆破开挖施工质量越佳。

峰值速度是爆破开挖过程中，振动的最大速度值，峰值速度越大，对铁路环境的影响越大。本文在爆破开挖施工过程中，充分考虑到了既有建筑的实际情况，控制爆破的峰值速度。矢量合成速度是爆破振动在三维空间的合成速度，最大矢量合成速度就是X（径向）的峰值速度+Y（切向）的峰值速度+Z（垂向）的峰值速度。实际矢量合成速度低于最大矢量合成速度，才能满足爆破开挖施工质量需求。应用结果如表2所示。

从表2可以看出，在炸药量、爆心距等条件均已知的情况下，使用本文设计的开挖施工技术之后，实际矢量合成速度均低于最大矢量合成速度，能够满足沙岗山铁路隧道施工质量需求。

4 结束语

在地质条件复杂的环境中，若隧道开挖与支护技术存在安全隐患，会影响隧道爆破开挖施工质量。基于此，本文以沙岗山铁路隧道项目施工为依托，开展微台阶法爆破开挖施工技术研究。

从掏槽施工、炮孔布置、起爆网络连接等方面，控制隧道断面的形状与大小。利用微台阶法，将隧道断面分成小台阶，以独立爆破的形式完成开挖施工，从而最大程度上减小爆破开挖施工对隧道围岩的扰动情况。

测试结果表明，本次通过二台阶、三台阶等爆破开挖的形式，减小了爆破振动速度，避免了围岩失稳、隧道形变的问题，有效提高了隧道爆破开挖施工质量。

参考文献

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