浅谈隧道上穿既有高速公路控爆施工安全措施

浅谈隧道上穿既有高速公路控爆施工安全措施

马召杰

中铁上海工程局集团有限公司，上海200000

摘要：在隧道工程施工过程，爆破属于常用的作业手段，受到隧道岩层性质、既有隧道等因素影响，需要做好爆破参数科学化控制，在保证爆破安全的情况下，加快隧道工程的施工进度。本文以某工程为例，讨论了隧道上穿既有高速公路隧道控爆施工期间需注意的内容，其目的在于积累相应的施工经验，为相似工程提供良好参考。

关键词：隧道工程；控爆施工技术；施工质量

引言

在交通网络通达度不断提高的背景下，新施工隧道工程上穿既有隧道工程的现象也在增多。相较于常规的隧道工程施工，受到既有隧道工程影响，新施工隧道工程的作业难度更大，爆破控制难度更高。通过整理此类工程施工中需注意的内容，不仅可以加快工程作业进度，而且可以提高工程作业质量，降低新建隧道工程对已有隧道工程的不确定影响。

1、背景

郑万铁路4标一工区所承建的金盆隧道上穿已建成通车的沪蓉高速公路财神梁隧道（夹角约24°），隧底距公路隧道顶净高约30m。设计图纸要求DK702+050～DK702+360段采用机械开挖，该段围岩以泥质灰岩为主，属硬质岩，呈中厚层～厚层状构造，完整性较好，设计围岩为Ⅳ级，工法采用台阶法+临时横撑，支护参数采用Ⅳc复合式衬砌（实际围岩可满足Ⅲ级要求，因临近既有建筑，考虑降级支护设计）。该段采用机械开挖，保守估计至少需要6个月施工周期。

考虑隧道工期和成本压力，工区与指挥部共同商定采用控制爆破方案，具体由一工区负责实施。

2、方案比选

本着安全第一、经济效益优先的原则，工区先后咨询了西南交通大学教授、重庆市爆破公司爆破专家及安徽爆破公司技术负责人，确定的方案有电子雷管（可以设定时间，调节每段最大装药量达到控制爆破震动速率目的）爆破方案、既有断面分次爆破方案、小断面爆破方案等。工区结合当地的民爆物品生产情况、公路隧道的基建资料、金盆隧道的实际地质情况以及工期要求，将三种方案对比。

方案１：电子雷管需要到重庆市局单独审批，且重庆市地区无生产厂商，手续极其繁琐，需要时间较长；方案２：小断面爆破方案需要重新改造作业台架，导致喷浆及出渣作业存在一定困难且制约后续开挖；方案３：既有断面分次爆破，每循环需要多消耗1～2个小时，但对整体工期可控。因业主铺架时间已定，施工周期有限。综合比选决定采用方案３：“既有断面分次起爆”的施工方案。

3、施工保障措施

3.1、对公路隧道进行布点及监测

为减少工区监测人员频繁上下高速进行监控量测，产生人员安全隐患问题，工区与合肥工业大学合作，利用合肥大学在煤矿、地铁中的监测经验，采用激光测距仪自动观测设备，对上穿段既有公路隧道进行实时监测，所有点位每半个小时自动采集上传平台一次，单次变化大于5mm或累计数值到达30mm平台预警，并发送信息至工区安质人员手机客户端，工区管理人员立即对原因进行分析，并对高速公路隧道相应点位进行排查，确定预警原因并采取针对性的措施消除隐患。

图1 现场安装监控点位

图2 设备详图

图3 自动监测现场示意图                  图4 自动监测客户端

3.2、对公路隧道衬砌质量进行雷达检测及裂纹排查

为掌握公路隧道的实体厚度以及是否存在大范围脱空问题，工区邀请第三方对上穿影响段的公路隧道进行雷达检测，并到万州高速公路档案馆查阅财神梁隧道的基建资料，进行对比分析指导现场施工。对存在的问题，提前与高速公路有关部门进行沟通处理。

上穿段公路隧道存在部分裂纹，为杜绝后期高速运营单位以我方施工导致裂纹加剧为由提出补偿，工区对上穿段隧道所有裂纹进行编号登记在册，在结束施工后进行对比分析并留存。

图5 对既有高速公路隧道开展雷达扫描

图6对既有高速公路隧道开展裂纹排查

图7 裂纹排查及雷达检测

3.3、做好相应的量测工作

基于工程所处区域的地形地质条件、支护类型、施工工艺等特征，应做好相应的量测工作。具体工作要点如下：（1）明确具体的量测项目，包括洞内、外观察、衬砌前净空变化、拱顶下沉、不均匀沉降观测等。（2）做好断面的科学化布置，实践中会在各量测断面布置一个拱顶下沉测点和一条水平净空收敛量测基线，以得到完整且准确的监测数据。（3）科学控制量测频率，具体的量测频率安排如表1所示。（4）选择恰当的控制量测方法，除了使用激光断面仪或收敛计进行量测以外，在工作中也会进行目测检查，检查喷射混凝土表面是否存在开裂、锚杆是否存在松动等情况，并且会做好相应的记录工作，以此来得到完整的测量数据，保证控制量测质量。

表1量测频率表

4、爆破参数的科学化控制

4.1炮眼数量、深度

为保证爆破结果的有效性，在前期工作中需做好炮眼数量与深度的控制工作，实践中的工作要点如下：（1）计算工作面所需要布置的炮眼数量，具体的计算公式为

，式中N表示工作面所需布置的炮眼数量，计量单位为个；f表示该区域岩石的坚固性系数，为常数，可翻阅相关目录进行查询；S表示隧道工程掘进断面面积，计量单位为㎡。将相关数据代入后可以得到理论值，随后在考虑炸药性能、炸药卷直径、炸药孔深度等内容后，确定工作面的实际布设值。（2）确定工作面的炮眼深度，从实践情况来看，所布置的炮眼深度需要基于掘进循环时间、施工技术水平、施工设备参数等内容进行确定，而具体施工时的掏槽眼需要比周边炮眼或者辅助炮眼深度大10%～20%，以此来保证整体的爆破效果，确保整个新工作面的平整度。

4.2炮孔装药量计算

在爆破活动开始前，也需要做好炮孔装药量计算工作，以此来降低爆破对既有隧道工程的影响。从具体的计算情况来看也需注意以下几点：（1）计算炮眼装药量，在对该数据进行计算时，可参考以下计算公式：，式中Q单表示每个炮眼所需的装药量，计量单位为kg；L表示炮眼的深度，计量单位为m；k表示炮眼的装药系数，为常数，可翻阅相关目录进行查询；ρ表示每米炸药中所含有的炸药量，计量单位为kg/m。代入相关数据后，可得出具体数据。（2）计算单位炸药消耗量，即爆破施工前需计算隧道工程每立方米岩石爆破所需要的炸药量，计量单位为kg/m3，该数值与岩石性质、隧道整体面积等参数有关。在该工程施工中的取值范围为0.8～2.4kg/m3。（3）计算每循环炸药量，具体参考的计算公式如下：，式中Q表示每次循环所使用到的炸药量，计量单位为kg；q表示每立方米岩石爆破所需要消耗的炸药量，计量单位为kg/m3；S与L表示含义与“（1）”“（2）”中一致；n表示炮眼的整体利用率，在该工程中该数值一般取0.8～0.95。

4.3周边炮孔控制

除上述提到的相关内容外，在实践中也需做好周边炮孔控制工作。从实践情况来看也需注意以下内容：（1）周边炮孔会使用空气间隔不耦合装药的方式进行作业，并且在炸药起爆时，选择了导爆索起爆方式。（2）科学控制周边炮孔数量、间距、抵抗线等参数。根据该工程的基础资料可以得知。周边孔施工时的间距E应控制在8d～12d，d表示炮眼直径，计量单位为cm；而抵抗线W应控制在0.5E～1.5E，计量单位为cm；线装药的密度ρ应控制在0.04kg/m～0.19kg/m，在保证爆破效果的同时，降低产生的土层扰动。

5、方案实施

第一步，临近进入影响段时，水平距离＞60m。采用正常爆破参数爆破（装药量230kg，进尺3m），在公路隧道内监测震动速率及感受震动影响效果，并观察公路隧道实体有无异常。通过观察发现，在爆破的同时，公路隧道拱部有小块碎屑掉落，经现场仔细排查发现掉落的碎屑为既有隧道施工缝处修补材料。为减少爆破时拱部掉碎屑，保证既有隧道行车安全，经与高速管理部门沟通，将影响段范围内既有隧道施工缝修补材料全部清除，消除了安全隐患。

第二步，进入影响段时，40m＜水平距离≤60m。根据前期爆破参数及采集的爆破震动速率数据调整爆破参数，分别制定了两次爆破和三次爆破方案。两次起爆的要求是：第一次起爆掏槽部分（红色区域）以增大临空面，第二次起爆剩余部分[1]。三次起爆的要求是：第一次起爆掏槽部分（红色区域）以增大临空面，第二次起爆部分辅助眼、底板眼（黄色区域），第三次起爆剩余部分，详见附图8。

每次起爆前工区安质人员到高速公路隧道内对爆破震动速率进行监测和采集数据，同时体会爆破震感并观察既有隧道有无异常、掉块现象。通过实施监测和爆破震动速率数据分析，结合现场施工实际情况和工效分析，影响段采用二次爆破方案即可满足要求。如出现监测震动速率大于5cm/s、监测数据异常或拱部掉碎块等现象，现场立即采取缩短开挖进尺或调整为分三次爆破方案，保证既有隧道结构安全[2]。

第三步，进入影响段既有高速公路隧道正上方时，水平距离≤40m。根据前期爆破参数及采集的爆破震动速率数据、隧道监测数据和前期经验总结，调整爆破参数采取三次爆破方案。第一次起爆掏槽部分（红色区域）以增大临空面，第二次起爆部分辅助眼、底板眼（黄色区域），第三次起爆剩余部分[3]。每次爆破必须进行爆破震动速率数据采集分析，如出现监测震动速率大于3cm/s、监测数据异常或拱部掉碎屑等现象，现场立即采取缩短开挖进尺，减少装药量等措施，保证既有隧道结构安全。

   图8 分次起爆设计图                 图9 上台阶炮孔布置平面图

图10 现场监测爆破震动速率             图11 现场掏槽眼起爆图

图12 采取的震动监测数据

6、验证结果

6.1、爆破控制效果评价要求

对于爆破控制效果进行评价时，需参考以下应用标准：（1）使用爆破方式进行作业时，炮眼痕迹保存率应满足要求。据相关标准可以得知，硬岩上的爆破孔数量不能小于80%，而中硬岩石上的爆破孔数量不能小于60%，而且这些炮孔需要在开挖轮廓面上保持均匀分布的状态。（2）对于炮孔数量进行检查，该工程施工期间，施工单位需要每完成一次开挖，便需要循环检查一次。（3）检查开挖断面的允许超挖值，各等级围岩允许超挖值要求如下：①对于工程拱部开挖部位，Ⅰ级围岩的平均线性超挖值不能超过10cm，而最大超挖值不能超过20cm；Ⅱ～Ⅳ级围岩的平均线性超挖值不能超过15cm，而最大超挖值不能超过25cm；Ｖ～Ⅵ级围岩的平均线性超挖值不能超过10cm，而最大超挖值不能超过15cm。②对于工程边墙开挖部位，Ⅰ～Ⅵ级围岩的平均超挖值不能超过10cm

[4]。检测周期以每次开挖为周期循环检查一个断面，并且施工时会利用激光断面仪、全站仪进行测量，以此来得到完整的勘查数据。

6.2、爆破控制效果评价

通过多项措施并用，保证了本方案的顺利实施，也证明了该方案的可行性。采用分次起爆方式，人为创造临空面，有效的降低了第二和第三次爆破时的震动速率，因此只需要对第一次爆破参数进行控制，即可保证该方案的可行性。目前工区利用该方案仅用3个月时间顺利完成310m的开挖任务[5]。该方案基本无额外费用投入，仅增加开挖工序时长，对成本节约和工期缩短成果显著，可推广类似工程使用。

结束语

综上所述，在隧道工程施工期间，爆破技术属于常用的作业手段，将该技术应用到上穿既有高速公路隧道的新建隧道工程施工中时，需做好炮孔数量、孔深、装药量等参数控制，以此来提高爆破技术的控制效果，保证隧道工程施工活动的有序进行。

参考文献

[1]张枝梅.邻近既有线浅埋偏压隧道控爆开挖施工技术[J].价值工程,2023,42(22):105-107.

[2]陈建民.山岭公路隧道标准化钻爆施工技术研究[J].中国标准化,2022(16):205-208.

[3]蒋波.高地应力、岩爆施工处治技术在旗杆山隧道工程中的应用[J].交通世界,2022(10):91-92.

[4]王鑫.软弱围岩公路隧道机械化钻爆施工技术[J].智能城市,2021,7(17):149-150.

[5]叶讯.探析高速公路隧道钻爆施工技术的运用[J].黑龙江交通科技,2019,42(05):184-185.