大断面公路隧道上跨既有隧道爆破施工技术

大断面公路隧道上跨既有隧道爆破施工技术

郭汝杰

深圳市交通公用设施建设中心   

摘要：依据深圳市坂银通道工程鸡公山隧道工程实例，从数据建模、计算、炮眼布置、雷管选择、爆破顺序、爆破监测、施工进尺、监控量测及施工方法等情况进行研究，确定了在临建既有线或既有构筑物时正常爆破施工，在今后关于下穿或上跨类似既有隧道或既有构筑物提供借鉴。

关键词：爆破监测；施工进尺；施工工艺；爆破施工

1前言

随着我国城市地下空间技术的快速发展，城市交通隧道近接既有、构筑物，诸如：桥梁、隧道、桩基的情况越来越多，目前，对于小净距近接的工程已经较多，在软弱围岩中进行小净距近接施工的研究较多。不同于现有研究，在强度高、节理裂隙不发育的围岩中爆破施工，对近接建、构筑物的震动影响较大。如何选取隧道施工进尺、爆破参数与合理的施工方法均没有可靠成熟的经验，也未形成规范标准。

坂银通道鸡公山隧道地处深圳市区，隧道洞身通过的地层其所在场地原始地貌为底山丘陵、冲红积平原、山间凹地及冲洪积台地貌。沿线山岭隧道段地形起伏巨大，山体植被发育；鸡公山隧道上跨厦深高铁梅林隧道。

厦深铁路是中国东南沿海地带福建省和广东省之间的快速铁路、国家I级客货共运干线铁路，呈东北至西南走向：为中国“八纵八横”高速铁路沿海通道南段的组成部分之一，根据钻探揭示，结合地质绘测成果资料，梅林隧道地层分为：人工填土层、坡残积土层、第四系全选新统坡洪积层、燕山三期黄岗岩（全、强、弱风化花岗岩），梅林隧道全断面处于II级围岩中，围岩自稳性好。交叉段鸡公山隧道地质全断面III级围岩中，为微风化粗粒花岗岩。基于以上背景，并根据爆破对既有高速铁路隧道结构的振动规律，获得爆破施工的关键参数，并提出相应的振动控制对策，保证运营高铁隧道安全的同时，快速安全地施工鸡公山隧道。

2工程概括

根据《铁路安全管理条例》第三十四条规定及初步设计方案评审会专家意见，坂银通道鸡公山隧道涉铁段案划分范围为：左线LK5+224-LK6+310（长1086m），右线RK5+303-RK6+393（长1090m）洞身开挖。根据相关要求，确定了包括试验段、交叉影响段及一般影响段。

3施工现状

前期爆破施工采用静态爆破方法及CO2爆破施工两种方法，效果均不明显，施工进尺较慢，隧道超欠挖不容易控制等问题。

3.1 静态爆破施工

首先液压分裂机先进行掏槽施工，后采用YT-28风动凿岩机进行打扩槽眼和辅助眼，静态破碎剂与液压分裂机相结合逐步完成，待24小时候采用液压破碎锤进行逐步开挖。

该方法超欠挖控制难度较大且施工进尺较慢，由于上跨既有段属于III级围岩，岩石强度较高，施工中对机械需求较大，二次衬砌施工容易造成空洞。

3.2 CO2爆破施工

通过热能快速激发使其发生液ˉ气相变，在密闭容器形成高能量状态，压强可达300Mpa，高能量状态CO2突破定压（抗压强度常设定在数十至300MPa）破裂片的封堵，瞬间释放产生的爆炸效应对周围围岩冲击，压缩机膨胀做功。但该施工方法工序较为复杂，需用时比较长，施工进尺相对于静态爆破效果较好，但是与爆破施工进度仍然有一定的差距。

4影响现场施工因素

（1）既有隧道净距距离较小，爆破时地震波传播影响其运营安全。

（2）围岩属于微风化粗粒花岗岩，岩石强度较高，普通施工方法对现场施工成效不明显，施工进尺缓慢。

（3）普通分段爆破施工方法光爆效果较差，容易造成质量隐患，影响后期运营安全。

5微差控制爆破研究方法

1）通过研究分析、理论分析及数值计算、现场测试等四种研究方法进行研究，具体如下：

2）上跨既有隧道施工技术现状，以及上跨既有高速铁路的大断面公路隧道施工技术。

3）通过理论分析及数值计算掌握大断面公路隧道上跨高速铁路的施工静力学，以及爆破对既有隧道结构的振动规律，为现场施工奠定理论基础。

4）通过现场测试掌握爆破对既有隧道结构振动规律，进一步评价结构的安全性能，为安全施工提供决策。

5.1 大断面公路隧道开挖对既有隧道结构静力安全影响

5.1.1 强度折减法

隧道围岩较常用的稳定性分析方法有强度折减法和容重增加法，强度折减法就是通过对围岩的剪切强度代表值进行不断折减直到围岩达到极限破坏状态位置，通过对前人研究成果的归纳总结，当某些关键点的应变或位移突变作为围岩达到极限温度破坏的依据是合理的，一般当安全系数大于1.0时，便可以认为围岩具有自稳能力。

5.1 .2 不同净距时平行隧道稳定性研究

   为了研究鸡公山隧道施工上跨对厦深铁路梅林隧道的静力影响，并利用FLAC3D软件进行建模，建立三围数值计算模型。

（1）计算结果

利用强度折减法计算强度储备的2个工况计算结果

根据计算结果得到破坏时等效塑性应变云图

根据强度折减法计算得到III级围岩无衬砌施工情况时，强度储备的安全系数为161.44，IV级围岩无衬砌情况时，强度储备的安全系数为1.26。

交叉段的围岩为III级围岩，分部开挖法计算得到公路隧道与高速铁路隧道沉降云图，如下图。

根据最终沉降云图可知，公路隧道开挖后造成高铁隧道的总体位移为拱顶下沉1.3mm，仰拱隆起1.4mm，位移较小，满足高铁运营位移标准。

5.2 大断面公路隧洞爆破方案

5.2.1 爆破方案

利用高精度数码电子雷管进行微差控制爆破，在交叉影响段时采用列车停运进行起爆开挖，一般影响段根据自动化监测数据确认爆破时间。

 5.2.2 爆破设计参数

试验段和交叉影响段根据铁路红线前后45米范围为交叉影响段，采用数码电子雷管，一般影响段在红线前后945米范围，根据既有铁路自动监测数据分析论证判定是否采用数码电子雷管还是普通非电毫秒雷管。

（1）三台阶法爆破孔布置及钻孔参数

三台阶法炮孔爆破参数为

（a）炮孔直径Ф：Ф=42mm

（b）单循环进尺：1.0m。

（c）孔网参数：上台阶采用锲形掏槽，掏槽孔布置在巷道中部。辅助孔：与周边孔之间设辅助孔，各辅助孔的间距为650~750mm，周边孔：隧道上下断面轮廓采用光面爆破，沿隧道设计轮廓布孔，孔间距500~600mm。

（d）孔深L：

           L=I+△I（m）

式中：I—单循环爆破深度，m；

      △I—炮孔超深，m。取△I=3.0m。

（e）炮孔倾角β：辅助孔为近似水平布孔，周边孔略微向外张开布孔。

三台阶爆破的布置图，如下图

三台阶法上台阶爆破参数表

三台阶法上台阶爆破参数表

三台阶法中台阶爆破参数表

三台阶法下台阶爆破参数表

（1）双侧壁导坑法布置及钻爆参数

IV级围岩采用双侧壁法施工炮孔布置及起爆顺序，如下图。

I区爆破参数表

Ⅱ区爆破参数表

Ⅲ区爆破参数表

Ⅳ区爆破参数表

5.2.3 装药结构

起爆主炮孔采用底板孔集中装药结构，导爆管放置底部，聚能穴指向孔口，周边眼采用间隔装药结构。水袋堵塞起爆时，能减小爆破振动，并吸收爆破噪音，增强爆破效果，装药作业暂定安排在“天窗点”进行，必须在“天窗点”之前完成，不得延误“天窗点”起爆作业。

光面爆破装药结构图

5.2.4 起爆网络设计

采用数码电子雷管爆破，通过便携式电脑输入起爆延时时间，对炮孔进行逐孔起爆技术，然后通过优化、调整前后爆孔之间的延时差，使爆破振动波相互干涉形成平峰效应，基本消除了延时不当导致爆破轰波的叠加现象，大幅降低了控制点的爆破振速，从而降低爆破对爆点周边结构物的影响。

高精度数码电子雷管技术有点是：

①高精度数码电子雷管每段误差为0.5ms左右。②可根据起爆顺序任意编排段位时差，达到所需要的延期效果。通过使用数码电子雷管能做到每个炮孔单独响炮。同时，在起爆时，由于设计延期比较合理，分段爆破自身还可产生一定的降振效果，即后段响炮会对前段响炮形成干扰，使地震波倒向，达到减振的目的。

隆芯1号电子雷管

隆芯1号数码电子雷管主要技术指标

铱钵起爆系统

铱钵起爆系统是隆芯1号数码电子雷管的专用起爆系统，主要由隆芯1号、铱钵表和铱钵起爆器三部分组成。铱钵表和起爆器配套使用，可实现隆芯1号数码电子雷管上线注册、在线检测、延期编辑以及组网通信等功能。每台铱钵起爆器可载26台铱钵表，每台铱钵表可带载200发电子雷管，可以组建5200发的起爆网格。

起爆网络分为三步：（1）网络连接及检查。（2）网络检查及延时设置。（3）起爆。

5.2.5 爆破试验结果

通过自动化监测技术监测到，当鸡公山隧道掌子面与K1615+470处纵向距离为1m时，厦深高铁梅林隧道由上部鸡公山隧道爆破引起的内力总体变化趋势为逐渐减小，最大弯矩从22.9KN*m降低到18.6KN*m，最大轴力70.7KN降低到60.5KN.

6结论

深圳坂银鸡公山隧道，对其上跨运营高铁隧道的爆破振动相应规律进行了研究，建立了用于分析由于爆破引起的衬砌结构稳定性的三围有限差分计算模型，根据该模型分析得到了鸡公山隧道上跨厦深高铁梅林隧道二次衬砌的振动相应规律。

在三台阶法中，随着梅林隧道的距离变小，振速逐渐增大；掌子面与梅林隧道水平距离为0m时，上台阶振速为1.62cm/s，中台阶振速为1.4cm/s，下台阶振速为1.2cm/s。根据《爆破安全规程》GB6722-2014规定，振速均小于梅林隧道安全允许振速按照V≤2.0m/s控制。

根据数据计算结果可知，随着掌子面与交叉断面K1615+470纵向净距的增大，质点最大振速逐渐变小；

从三台阶围岩到IV级围岩，分别三台阶法、CRD法与双侧壁导坑法施工，其中三台阶法的下台阶：1.15cm/s；CRD法的第II步：1.4cm/s；CRD法的第IV步：1.4cm/s；双侧壁导坑法最后一步：0.95cm/s；振速均小于2.0m/s的安全标准。

高铁隧道二次衬砌拱顶受爆破影响最大，通过检算最小安全系数为10.95，判定由爆破引起的高铁隧道二次衬砌所受内力得到二次衬砌的安全的。

现场施工最不利工况为三台阶法，三台阶法上台阶单位面积消耗炸药量为1.44kg/m2，三台阶法上台阶单位面积消耗炸药量为1.46kg/m2，三台阶工法上台阶单位面积消耗炸药量为1.16kg/m2，其中单孔最大装药量不超过0.5kg。按照当前爆破参数施工能够保证既有厦深高铁梅林隧道的运用安全。

参考文献

[1]《三车道小净距隧道爆破振捣测试分析》

[2]《隧道近距下穿山坡楼房爆破振动测试研究》

[3]《邻近隧道爆破振捣响应研究》

[4]《邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究》