隧道爆破綜合控制技術(shù)在鄰近既有線條件下的創(chuàng)新應(yīng)用

鄧 超

中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量的單線隧道或雙線隧道需增建擴(kuò)容，或需新建小凈距隧道，新建隧道開挖爆破產(chǎn)生的振動有可能引起鄰近既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)和線路損傷[1-2]。尤其是對于高等級的公路來說，其交通運(yùn)輸流量大、通行速度快、要求運(yùn)行質(zhì)量高，若新建隧道施工造成鄰近既有線隧道出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)破壞，隧道輪廓侵入界限等災(zāi)害，將造成公路行車不安全，影響高等級公路的日常運(yùn)營和維護(hù)。因此，新建隧道鄰近既有隧道開挖需要選擇合適的施工工法，以及相應(yīng)的爆破減振控制措施[3]，以確保既有隧道的襯砌結(jié)構(gòu)和線路安全，不影響既有隧道的正常運(yùn)營。目前，國內(nèi)已建或在建的隧道鄰近既有隧道掘進(jìn)施工時大多采用對既有隧道進(jìn)行加固或隧道加固與控制爆破相結(jié)合的處理方法。然而，對于新建隧道與既有隧道安全距離為35～40 m，且既有隧道大車流量，要求運(yùn)營不可中斷時，一般的既有隧道加固的處理方法已滿足不了隧道施工的需求。

1 背景工程概況

國道209線武川至呼和浩特段公路大青山Ⅰ號隧道（新建隧道）項目位于內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣、回民區(qū)境內(nèi)，隧道全長1 805 m，隧址區(qū)主要以軟巖石、較硬巖石為主。該隧道與既有的國道209線大青山Ⅰ號隧道（既有隧道）并行，安全距離為35～40 m。既有隧道全長1 885 m，該隧道襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間局部存在一定的強(qiáng)度隱患，如不密實、松散等，而圍巖中也存在部分疏松、散狀裂隙帶等，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)中混凝土的局部區(qū)域強(qiáng)度存在低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)C25等級的情況。新建隧道與既有隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道位置關(guān)系

新建隧道為單洞雙車道公路隧道，武川端明洞長23 m，呼和浩特端明洞長5 m。隧道進(jìn)口采用端墻式洞門與橋梁相連，隧道出口與路基采用端墻式洞門相連。

2 新建隧道施工特點(diǎn)、難點(diǎn)

1）新建隧道與既有隧道并行，間距35～40 m。控制爆破與開挖工藝相協(xié)調(diào)是確保施工安全和既有大青山Ⅰ號隧道運(yùn)營安全的關(guān)鍵點(diǎn)。

2）新建隧道施工影響因素多：隧道地形起伏較大，大部分圍巖等級為Ⅳ、Ⅴ級，鄰近的既有隧道將影響新建隧道的安全施工，如何在減少對既有隧道安全運(yùn)營影響的同時，加快新建隧道掘進(jìn)速度，是本工程最大的難點(diǎn)。

3）新建隧道緊鄰既有隧道，既有隧道車流量較大，且存在病害，局部病害較嚴(yán)重。在施工爆破過程中要嚴(yán)格控制藥量，降低振動速度，實時監(jiān)測既有隧道結(jié)構(gòu)振動，保證既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全，避免發(fā)生交通安全事故。

3 施工策劃及方案比選

新建隧道施工過程中既有隧道仍在運(yùn)營，且既有隧道通車至今一直未進(jìn)行竣工驗收。既有隧道不同程度地存在襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖不密實、松散缺陷等相關(guān)病害，且二襯混凝土拱頂及邊墻有縱向裂縫，裂縫較長，既有隧道能見襯砌部分幾乎都有縱向裂縫，這是項目施工中的重難點(diǎn)。根據(jù)工程實際地形，結(jié)合專家和設(shè)計方意見，初步制定鄰近既有隧道的掘進(jìn)施工方案如下。

1）方案1：采用常規(guī)隧道的掘進(jìn)施工技術(shù)以及常規(guī)的爆破工藝，這要求必須加固既有隧道襯砌以保證既有隧道的運(yùn)營安全和隧道襯砌自身安全，須中斷既有隧道運(yùn)營。優(yōu)缺點(diǎn)：安全性較高，施工工期長，但成本大，且爆破振動可能會對既有隧道襯砌造成影響，施工效益較低。

2）方案2：改變隧道開挖及支護(hù)施工工藝，Ⅴ級圍巖采用CD法、Ⅳ級圍巖采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、Ⅲ級圍巖采用臺階法施工，控制開挖進(jìn)尺，減少用藥量。優(yōu)缺點(diǎn)：安全性較高，不因加固既有隧道而中斷運(yùn)營，但施工工期長，成本大，施工效益較低。

3）方案3：采用微振控制爆破技術(shù)、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和臺階法、振動監(jiān)測相結(jié)合的綜合處理方案，對鄰近既有隧道的新建隧道進(jìn)行掘進(jìn)施工。優(yōu)缺點(diǎn)：施工工藝較為簡單，采取兩階段施工，具有明顯的工期、經(jīng)濟(jì)效益，基本不存在缺點(diǎn)。

為避免長期封閉交通或?qū)扔兴淼啦扇〖庸檀胧诖_保施工安全為基礎(chǔ)的前提下，加快施工進(jìn)度、降低施工成本，確保現(xiàn)場施工質(zhì)量和運(yùn)營安全，經(jīng)討論分析后，因考慮實際情況，決定采用方案3，即微振控制爆破技術(shù)、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和臺階法、振動監(jiān)測相結(jié)合的綜合方案，最終達(dá)到縮短整條隧道工期，節(jié)約施工成本的目的。

4 隧道減振控制爆破實施

新建隧道以Ⅳ級和Ⅴ級圍巖為主，巖體破碎，且鄰近既有隧道，施工爆破振動速度控制難度較大，施工時將按照“新奧法”原理結(jié)合減振控制爆破技術(shù)進(jìn)行，并嚴(yán)格按照“少擾動、短進(jìn)尺、嚴(yán)注漿、快封閉、弱爆破、勤量測、緊襯砌”的開挖準(zhǔn)則，以減少新建隧道的爆破開挖對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響。

爆破控制技術(shù)主要從以下幾方面考慮：采用減輕振動控制爆破技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有條件，一次鉆孔，分次起爆，使用電雷管分段控制裝藥量，盡可能采用短進(jìn)尺、弱爆破的減振措施。

1）根據(jù)現(xiàn)場的施工條件，采用分臺階分部分開挖爆破，以創(chuàng)造多臨空面條件，每部分又分為多排起爆，控制每次爆破的規(guī)模，從而控制質(zhì)點(diǎn)的振動速度。

2）單孔裝藥量應(yīng)有效控制，均勻地將有限的裝藥量分布在被爆破的巖體中，并借助電雷管進(jìn)行分段爆破，減小爆破的振動強(qiáng)度。

3）在爆破區(qū)域周邊布設(shè)減振孔，降低爆破應(yīng)力波向結(jié)構(gòu)物方向傳播。其主要原理是合理設(shè)置爆破減振隔離帶，利用隔離帶吸收或耗散爆破時的振動能量，使隔離帶后面區(qū)域所受到的振動得到規(guī)避或者降低，如圖2所示。

圖2 隧道爆破計算模型

4.1 Ⅴ級圍巖段開挖爆破設(shè)計

新建隧道Ⅴ級圍巖段，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法及微振控制爆破技術(shù)，新建隧道爆破與既有隧道最近水平距離為35 m。通過設(shè)置周邊減振孔進(jìn)行隧道微振控制爆破，周邊減振孔間距0.5 m，深度為掘進(jìn)進(jìn)尺1.5倍。根據(jù)設(shè)計要求、類似工程經(jīng)驗以及專家論證意見，考慮近接既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性，新建隧道Ⅴ級圍巖段，隧道開挖爆破最大進(jìn)尺為1.6 m，按照1.6 m進(jìn)尺進(jìn)行裝藥爆破施工，爆破單次最大藥量為13.67 kg。新建隧道Ⅴ級圍巖段的開挖順序如圖3所示。

圖3 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖順序

4.2 Ⅳ級圍巖段開挖爆破設(shè)計

新建隧道Ⅳ級圍巖段，采用臺階法開挖及微振控制爆破技術(shù)，新建隧道爆破與既有隧道最近水平距離為35 m，通過設(shè)置周邊減振孔進(jìn)行隧道微振控制爆破，周邊減振孔間距0.5 m，深度為掘進(jìn)進(jìn)尺1.5倍。根據(jù)設(shè)計要求、類似工程經(jīng)驗以及專家論證意見，考慮近接既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性，新建隧道Ⅳ級圍巖段，隧道開挖爆破最大進(jìn)尺為2.0 m，按照2.0 m進(jìn)尺進(jìn)行裝藥爆破施工，爆破單次最大藥量為17.15 kg。Ⅳ級圍巖段的炮孔布置如圖4所示。

圖4 Ⅳ級圍巖段開挖炮孔布置及起爆段別

4.3 Ⅲ級圍巖段開挖爆破設(shè)計

針對新建隧道Ⅲ級圍巖段，可同樣采用臺階法開挖及微振控制爆破，新建隧道爆破與既有隧道最近水平距離35 m，通過設(shè)置周邊減振孔進(jìn)行隧道微振控制爆破，周邊減振孔間距0.5 m，深度為掘進(jìn)進(jìn)尺1.5倍。根據(jù)設(shè)計要求、類似工程經(jīng)驗以及專家論證意見，考慮近接既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性，新建隧道Ⅲ級圍巖段，隧道開挖爆破最大進(jìn)尺為2.5 m，按照2.0 m進(jìn)尺進(jìn)行裝藥爆破施工。炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)示意

5 新建隧道掘進(jìn)施工關(guān)鍵工藝

5.1 隧道洞口段施工方案

鑒于洞口段隧道爆破過程中，爆轟波可以沿著臨空面耗散，對圍巖的擾動較小。因此洞口明挖采用傳統(tǒng)的爆破法施工，洞口段暗挖部分臨空面小，隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，且掌子面圍巖強(qiáng)度不均勻，為保證爆破后開挖輪廓線與設(shè)計開挖輪廓線一致，應(yīng)采用光面控制爆破施工。

5.1.1 洞口及明洞段開挖

施工順序：邊、仰坡開挖線放樣、開挖→打錨桿孔→安裝錨桿→錨桿注漿→掛網(wǎng)→噴射混凝土→邊、仰坡開挖

完成（可預(yù)留一定高度不開挖）→超前大管棚施工→環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖進(jìn)洞（采用光面爆破工藝）。

5.1.2 洞口及明洞段支護(hù)

明洞基底允許地基承載力要求≥250 kPa，若施工時發(fā)現(xiàn)地基較差或不均勻時應(yīng)采用漿砌片石或素混凝土處理。明洞襯砌仰拱采用棧橋法全幅施作，采用襯砌臺車模筑法進(jìn)行拱墻施工，采用定制木模和鋼管支撐作為外模及外支撐，采用預(yù)拌混凝土進(jìn)行整體式泵送灌注，施工中加強(qiáng)各部位的內(nèi)、外支撐，防止發(fā)生模板變形。按設(shè)計要求施作明洞防水層，可根據(jù)實際情況在外鋪1層厚3 cm的水泥砂漿保護(hù)層。防水層在明洞外模拆除后采用人工進(jìn)行。

5.2 洞身開挖及支護(hù)

1）Ⅴ級圍巖段開挖及支護(hù)。當(dāng)洞口仰坡防護(hù)完成后，即可進(jìn)行暗洞開挖。洞口部分的暗洞圍巖均為Ⅴ級圍巖，節(jié)理發(fā)育、巖體破碎，且一般為軟質(zhì)，施工時易坍塌或失穩(wěn)，甚至導(dǎo)致地表的下沉或冒頂。為保證施工安全，采用微振爆破的方法，并按“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)”的原則組織施工。采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法對Ⅴ級圍巖段（包括淺埋段）進(jìn)行開挖施工，并在過程中加強(qiáng)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整開挖方法或完善支護(hù)參數(shù)。

2）Ⅳ級圍巖段開挖及支護(hù)。隧道Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖，上臺階每循環(huán)進(jìn)尺為2 m，臺階長度控制在3～10 m。Ⅳ級圍巖隧道開挖的施工工藝：中線、水平測量→噴混凝土封閉開挖面→拱部超前支護(hù)→上半斷面鉆眼→裝藥連線→爆破→出渣→噴混凝土封閉巖面→施工系統(tǒng)錨桿→上半斷面二次噴混凝土→下半斷面開挖→下半斷面打徑向錨桿→掛鋼筋網(wǎng)→下半斷面噴混凝土→仰拱襯砌與填充→防水層鋪設(shè)→二次襯砌模筑→溝槽路面。

3）Ⅲ圍巖段全斷面開挖及支護(hù)。新建隧道Ⅲ級圍巖段巖性較好，采用上下臺階開挖法，根據(jù)專家論證意見，進(jìn)尺不大于2.5 m。為爆破的有效實施，將上臺階每循環(huán)進(jìn)尺2.0 m臺階長度控制在10～20 m。施工工序：中線、水平測量→全斷面鉆眼→裝藥連線→爆破→出渣→巖面初噴混凝土封閉→監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)→徑向錨桿打入及掛網(wǎng)→混凝土二次噴射→圍巖監(jiān)測→施工防水層→施工二次襯砌。

6 既有隧道裂縫監(jiān)測及實施效果

在新建大青山Ⅰ號隧道施工過程中，對既有隧道二襯結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行了監(jiān)測。通過對裂縫發(fā)展情況的監(jiān)測，獲得了既有隧道裂縫發(fā)展變形數(shù)據(jù)，如表1所示。

通過對既有隧道二襯結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)既有隧道二襯結(jié)構(gòu)裂縫并未產(chǎn)生較大的發(fā)展，在新建隧道施工期間既有隧道裂縫變形趨于穩(wěn)定。當(dāng)前新建隧道施工完成后，既有隧道二襯結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)新裂縫。

在新建隧道施工過程中，采用不同圍巖減振爆破參數(shù)、施工方法和掘進(jìn)進(jìn)尺條件，新建隧道爆破對既有隧道結(jié)構(gòu)振動速度可控制在5.0 cm/s以內(nèi)，小于規(guī)范中要求的10.0 cm/s限值，同時鑒于新建隧道施工期間既有隧道裂縫變形趨于穩(wěn)定、新建隧道完成后既有隧道二襯結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)新的裂縫，可證明本項目采取措施的可靠性和合理性。

7 結(jié)語

本文通過將方案比選、理論設(shè)計和振動監(jiān)測相結(jié)合的方法，充分考慮新建隧道鄰近既有隧道掘進(jìn)施工的實際特點(diǎn)，通過對不同地質(zhì)地段圍巖的隧道采用微振控制爆破技術(shù)、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階法等施工工法，結(jié)合實時振動監(jiān)測和結(jié)構(gòu)觀測，解決了新建隧道掘進(jìn)且保證既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全的難題。

本文所述措施達(dá)到了安全施工的目的，節(jié)省了大量的既有隧道加固措施費(fèi)用，并顯著提高了施工速度、縮短了工期，社會和經(jīng)濟(jì)效益明顯。