鄰近營業(yè)線鐵路隧道小凈距工程中的控爆技術(shù)

江浩

（金臺(tái)鐵路有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

目前，我國在鐵路建設(shè)領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界前列，鐵路網(wǎng)覆蓋范圍越來越廣。很多新修建的鐵路會(huì)出現(xiàn)與既有鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)交叉等情況，所以新建鐵路在進(jìn)行爆破施工時(shí)不可避免地對(duì)既有鐵路造成影響，使既有鐵路的運(yùn)營面臨較高風(fēng)險(xiǎn)。為此，必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施來控制爆破振動(dòng)[1]，以減少對(duì)既有鐵路的影響。

1 工程概況

林家岙隧道位于浙江省臺(tái)州市境內(nèi)，隧道進(jìn)、出口位置與村道形成交叉。隧道起訖里程為K470+063—K474+996，全長4 933m，主要為單線電氣化無砟軌道鐵路隧道。該隧道附近有一條正在營業(yè)的黃毛山隧道，其中擴(kuò)建既有平導(dǎo)180m，林家岙隧道進(jìn)、出口與黃毛山隧道的間距分別為35m、36.5m。為確保黃毛山隧道的運(yùn)營安全，在林家岙隧道爆破施工時(shí)必須使用控爆技術(shù)。

2 平導(dǎo)開挖順序與總體爆破施工方案

2.1 平導(dǎo)擴(kuò)挖總體原則與控制要點(diǎn)

（1）常規(guī)開挖段擴(kuò)挖至5.0m（寬）×6.0m（高）。平導(dǎo)擴(kuò)挖斷面的寬度約為5m，高度約為6m。首先必須保證斷面尺寸準(zhǔn)確無誤，其次在新建隧道側(cè)展開挖掘，既有隧道側(cè)務(wù)必保持完整。在開挖的整個(gè)過程中，應(yīng)保持平導(dǎo)的穩(wěn)定性能和確保隧道安全。

（2） 已施作二次襯砌段擴(kuò)挖至5m （寬） ×6m（高）。鐵路施工結(jié)束后，可以將平導(dǎo)視為應(yīng)急通道投入應(yīng)用。

從實(shí)際測(cè)量結(jié)果來看，隧道既有平導(dǎo)襯砌段主要襯砌為混凝土襯砌，厚度最低為20cm，最高為60cm。爆破襯砌斷面分布情況較為復(fù)雜，呈現(xiàn)不規(guī)則分布，局部巖體炮孔位置無法精確定位，如左右和頂部巖體炮孔的位置。斷面主要分為比較規(guī)則和不規(guī)則兩部分。前種情況下，左側(cè)與右側(cè)需要爆破的距離基本保持相同，沒有過大差距；后種情況下，左側(cè)比原有的設(shè)計(jì)位置超出了1.23m。

從上述分析可以發(fā)現(xiàn)：選擇最具代表性的兩個(gè)斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整過渡段。應(yīng)嚴(yán)格按照襯砌洞段設(shè)計(jì)要求和有關(guān)施工規(guī)范開展施工，遵循“先襯砌后圍巖”“先光面后預(yù)裂”的順序?qū)嵤┍啤Ｔ诔浞执_?！皵嗝娉叽纭钡幕A(chǔ)上，盡力使左側(cè)與右側(cè)開挖寬度均衡，保證既有鐵路與二線正洞的安全性。在這一準(zhǔn)則下，可以保證平導(dǎo)本身以及既有與新建隧道的安全。

2.2 平導(dǎo)常規(guī)擴(kuò)挖爆破方案

平導(dǎo)頂部保持不動(dòng)，只對(duì)平導(dǎo)左側(cè)與右側(cè)進(jìn)行擴(kuò)挖，但左右兩側(cè)擴(kuò)挖的厚度比較淺，基本保持在30cm以下，所以適合斜向鉆眼爆破法。該方法的特點(diǎn)是便于施工且速度較快。通過了解本工程地形地質(zhì)的規(guī)律與特點(diǎn)，采用“淺孔與爆破控制相結(jié)合”完成平導(dǎo)常規(guī)段的爆破作業(yè)，規(guī)范開展作業(yè)，保證爆破的安全性，強(qiáng)化爆破效果。如果需要二次破碎大塊巖石以滿足運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，則可以實(shí)施二次爆破。

2.3 平導(dǎo)襯砌段擴(kuò)挖爆破方案

襯砌洞段爆破時(shí)主要有如下四個(gè)注意事項(xiàng)：第一，平導(dǎo)襯砌是首先需要爆破的部分，平導(dǎo)襯砌主要是素混凝土襯砌，厚度最低為20cm，最高為60cm；第二，原初支結(jié)構(gòu)肯定會(huì)遭到破壞；第三，開挖的寬度為5m、長度為6m；第四，軟弱圍巖穩(wěn)定性較差，存在較高的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。因此，爆破方案總體如下：

（1）開展右側(cè)預(yù)裂爆破。右側(cè)進(jìn)行裝藥與起爆設(shè)計(jì)，注意不能影響右側(cè)既有路線的運(yùn)營安全，并在此基礎(chǔ)上明確預(yù)裂炮孔分段和最大段裝藥量。

（2）進(jìn)行襯砌爆破。爆破時(shí)以隧道軸為主向打入水平炮眼。

（3）進(jìn)行圍巖段爆破。以襯砌與預(yù)計(jì)開挖線距離為參照，確定左側(cè)與后側(cè)的位置以及其到洞頂?shù)呐谘畚恢?，爆破最好分段進(jìn)行。

（4）進(jìn)行左側(cè)光面爆破。在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮裝藥與起爆情況。

3 常規(guī)洞段平導(dǎo)控制爆破設(shè)計(jì)

3.1 控制爆破參數(shù)確定

綜合考慮巖石性質(zhì)，把握巖石的種類、特性及結(jié)構(gòu)，并開展爆破試驗(yàn)，確定目標(biāo)爆破參數(shù)。必要情況下，需在局部地域采用預(yù)裂控制爆破技術(shù)實(shí)施爆破[2-3]。

（1）鉆孔直徑。因?yàn)槔昧藴\孔鑿巖裝備，孔徑最低為36mm，最高為42mm，藥卷直徑大多數(shù)情況下維持在32mm左右。

（2）炮孔長度按式（1）計(jì)算：

式（1）中：L1為炮孔長度（m）；L為單次進(jìn)尺（m）；h為爆破厚度（m）。

（3）單耗q與單孔裝藥量Q。單位巖體炸藥消耗量會(huì)受到諸多因素的影響，如斷面情況、炸藥性質(zhì)等。且單位巖體炸藥消耗量的科學(xué)與否不僅會(huì)影響炮眼的使用效率，還會(huì)影響巖石破碎塊度。線裝藥密度q密為0.25kg/m，則：

式（2）Q= 0.4kg。

（4）孔距和排距。在布置孔距時(shí)，務(wù)必依據(jù)平導(dǎo)輪廓線進(jìn)行詳細(xì)布置。布置的均勻性非常重要，排距情況也相同。換言之，孔距a要與孔深L孔保持彼此對(duì)應(yīng)的關(guān)系，a與L孔的數(shù)值均為1.5m。

3.2 炮孔布置

布置炮孔的初始位置為距離底板20cm 處，炮孔一共有7排，每排的距離約為0.5m；每排炮孔的布置不隨機(jī)，而是按照實(shí)際情況展開。炮孔布置具體如圖1 所示。圖1僅對(duì)部分炮孔進(jìn)行了標(biāo)識(shí)，其他炮孔的布置形式基本保持一致。

圖1 炮孔布置

3.3 炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)

一般情況下，爆破施工按照設(shè)計(jì)藥量具體開展，從現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，根據(jù)巖石的種類、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)等，在保證填塞密度符合要求的前提下，可以合理調(diào)整炮孔的裝藥量。從孔口到孔底連續(xù)柱狀裝藥，不能出現(xiàn)中斷的情況。

3.4 爆破微差間隔時(shí)間及起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

（1）微差間隔時(shí)間。根據(jù)爆破微差間隔和起爆網(wǎng)絡(luò)確定爆破順序，起爆順序?yàn)椋菏紫绕鸨瑑蓚?cè)墻下，其次起爆拱肩。

（2）起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目主要通過毫秒電雷管等設(shè)備進(jìn)行排間微差松動(dòng)控制爆破，并根據(jù)實(shí)際控制最大段裝藥量來分段，分別取ms1、ms3、ms5 和ms7等段。

4 襯砌洞段平導(dǎo)控制爆破方案

4.1 控制爆破參數(shù)確定

在設(shè)計(jì)爆破參數(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮影響爆破施工因素，對(duì)襯砌、圍巖、左側(cè)光面、右側(cè)預(yù)裂等因素進(jìn)行科學(xué)分析。

4.1.1 襯砌爆破參數(shù)

襯砌爆破的重點(diǎn)是炸碎素混凝土，特別要注意K471+052—K471+990 段，因?yàn)槠綄?dǎo)左邊的襯砌已經(jīng)在輪廓線位置之外，所以這段襯砌始終保持不變，僅對(duì)右側(cè)部分進(jìn)行擴(kuò)挖。同時(shí)，需要及時(shí)關(guān)注右側(cè)部分圍巖變形情況，避免圍巖變形影響既有線路的穩(wěn)定性。

（1）鉆孔直徑。因?yàn)槔昧藴\孔鑿巖設(shè)備，孔徑最低值為36mm，最高值為42mm，藥卷直徑為32mm。

（2）炮孔深度和超深。根據(jù)式（3）計(jì)算：

式（3）中：La為炮孔的深度（m）；L0為單次爆破進(jìn)尺（m）；Lc為超深（m）。

超深最低取炮孔深度的10%，最高取炮孔深度的15%。

（3）其他參數(shù)。素混凝土襯砌厚度最低為20cm，最高為60cm，厚度δ=40cm。

炮孔個(gè)數(shù)n=10個(gè)。

（4）炸藥單耗：qa=0.5kg/m3。

（5）單孔藥量：

式（4）中：qa為炸藥單耗（kg/m3）；V為進(jìn)尺爆落巖石的體積（m3）。

（6）總藥量：

式（5）中：n為炮孔數(shù)量（個(gè)）。

4.1.2 圍巖擴(kuò)挖爆破參數(shù)

在設(shè)計(jì)爆破參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮巖石的種類、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)。不得隨意調(diào)整爆破參數(shù)，應(yīng)開展爆破試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整參數(shù)。

（1）鉆孔直徑。由于選擇的是淺孔鑿巖設(shè)備，孔徑最小36mm，最大42mm，藥卷直徑為32mm。

（2）炮孔深度和超深與襯砌相同。

（3）其他參數(shù)?？拙郺=0.8～1.0m，排距b=0.8m。

考慮造爆破時(shí)無法精準(zhǔn)確定待爆破圍巖巖體和輪廓線的距離，所以要靈活設(shè)置孔距和排距，孔距和排距設(shè)置為最小0.8m，最大1.0m。

（4）炸藥單耗：qb=0.6kg/m3。

（5）單孔裝藥量：Qb=1.344kg，取1.4kg。

（6）根據(jù)裝藥系數(shù)核校裝藥量：線裝藥系數(shù)取值0.5，裝藥長度為：

式（6）中：L2為炮孔深度（m）。

因此Qb= 1.75× 100 ÷ 20 × 0.2 = 1.75kg，最終確定Qb=1.8kg。

4.1.3 左側(cè)光面爆破參數(shù)

（1）炮孔參數(shù)。平導(dǎo)設(shè)計(jì)的圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，破碎性高。因而在設(shè)計(jì)炮孔時(shí)應(yīng)合理調(diào)整周邊炮眼的眼間距，控制爆破輪廓，嚴(yán)格按照開挖規(guī)范完成開挖作業(yè)，預(yù)防超欠挖。斷面值為45cm。光爆孔裝藥不耦合系數(shù)r=D÷d。其中，D為炮孔直徑，取42mm；d為藥卷直徑，取25mm。經(jīng)計(jì)算r=1.68。光面爆破采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，反向起爆。

（1） 線裝藥密度：qc=0.2kg/m。炮孔長度：Lc=3.5m。

（2）單孔裝藥量：

（3）光面孔數(shù)目：中心線左側(cè)所有光面孔總數(shù)為20。

4.1.4 右側(cè)預(yù)裂爆破參數(shù)

右側(cè)圍巖段采用光面控制爆破，并加強(qiáng)預(yù)裂爆破的控制，避免爆破作業(yè)影響既有鐵路，引發(fā)質(zhì)量安全事故。具體參數(shù)如下：

（1） 線裝藥密度：qd=0.2kg/m。炮孔長度：Ld=3.5m。

（2）單孔裝藥量：

（3）炮孔數(shù)目：中心線條右側(cè)采用預(yù)裂爆破施工技術(shù)，預(yù)制爆破炮孔總數(shù)為21。

4.2 炮孔布置

4.2.1 規(guī)則斷面爆破炮孔布置規(guī)則斷面爆破炮孔布置如圖2所示。

圖2 規(guī)則炮孔布置（單位：m）

4.2.2 不規(guī)則斷面爆破炮孔布置

不規(guī)則斷面爆破炮孔布置如圖3所示。

圖3 不規(guī)則炮孔布置（單位：m）

根據(jù)圖3 可知，左側(cè)底部到超墻的一段不處于設(shè)計(jì)輪廓線位置，從目前平導(dǎo)既存的輪廓線出發(fā)考量，左側(cè)與后側(cè)基本保持不動(dòng)，不斷向上部擴(kuò)充，直至擴(kuò)充到設(shè)計(jì)輪廓線位置。

4.3 炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)

爆破作業(yè)時(shí)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的具體總量進(jìn)行。首先保證填塞的高度滿足要求，其次合理調(diào)整裝藥量。預(yù)裂爆孔時(shí)要充分考慮孔的實(shí)際長度，在導(dǎo)爆索上綁藥包并將其下放至孔底，孔底塞入1m 左右的填塞物，從而形成爆破藥卷。

4.4 爆破微差間隔時(shí)間及起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.4.1 微差間隔時(shí)間確定

主炮孔起爆前先進(jìn)行預(yù)裂爆破，兩項(xiàng)之間有一定的時(shí)間微差，以保證形成人造斷層，微差一般保持在50ms 以上。微差主要根據(jù)兩方面的影響因素確定：第一，受巖石硬度的影響，質(zhì)地比較松軟的巖石微差時(shí)間較長，質(zhì)地比較硬厚的巖石微差時(shí)間較短；第二，受孔網(wǎng)參數(shù)距離大小的影響。嚴(yán)格管控微差間隔時(shí)間，從而提升開槽爆破的質(zhì)量，并減少爆炸對(duì)隧道產(chǎn)生的影響?？紤]主爆孔和預(yù)裂炮孔的排間距離很小，所以微差的間隔時(shí)間設(shè)置為25～50ms。

4.4.2 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本工程主要利用毫秒電雷管等設(shè)備進(jìn)行排間微差松動(dòng)控制爆破。安裝順序?yàn)轭A(yù)裂爆孔→主爆孔→光面爆破孔。

5 爆破安全評(píng)估與控制

5.1 常規(guī)洞段爆破振動(dòng)速度及其安全分析

5.1.1 爆破振動(dòng)速度計(jì)算

科學(xué)計(jì)算爆破振動(dòng)速度，采用薩道夫斯基控制爆破振動(dòng)速度公式進(jìn)行計(jì)算：

式（9）中：V為振動(dòng)速度最大值；K為地質(zhì)系數(shù)；Q為起爆中的最大用藥量（kg/m3）；R為以最大一段起爆量的分布中心為參照，到附近被保護(hù)物的距離（m）；α為地震波衰減指數(shù)。

5.1.2 Ⅱ級(jí)圍巖段

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）對(duì)爆破安全進(jìn)行了全面界定，交通隧道允許振動(dòng)的速度不能低于10cm/s，不能高于15cm/s。按照具體規(guī)定，振動(dòng)允許的速度保持在2.5cm/s。在本工程中，單孔最大用藥量約為0.2kg。如果采取排間起爆的形式，最大段的裝藥量約為1kg，將距離設(shè)定為20m，具體公式如下：

5.1.3 Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖段

本工程的單孔最大藥量約為0.2kg，若采用排間起爆的形式，最大段的裝藥量約為1kg，將距離設(shè)定為20m。則有：

從上述的具體計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)速度為1.14cm/s，在2.5cm/s的安全允許范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)既有隧道造成影響。

5.2 襯砌洞段爆破振動(dòng)速度及其安全分析

根據(jù)爆破方案，預(yù)裂孔先響，每一段的裝藥量約為1.6kg，每一段主要布置了2 個(gè)爆破孔眼。

5.2.1 Ⅱ級(jí)圍巖段

根據(jù)薩道夫斯基控制爆破振動(dòng)速度公式，將路基設(shè)定為20m，則有：

5.2.2 Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖段

將距離設(shè)定為20m，則有：

從上述具體計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)速度為1.50cm/s，低于2.5cm/s的最大安全允許范圍，不會(huì)對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)造成影響。

6 結(jié)語

當(dāng)前，我國鐵路建設(shè)規(guī)模越來越大、路網(wǎng)越來越密，已經(jīng)居于世界前列。在此過程中，不可避免地存在新建鐵路與既有鐵路直接交叉的情況，且這種情況存在增多的趨勢(shì)。因此在隧道施工時(shí)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而影響鐵路隧道施工和既有線的安全。本文基于林家岙隧道工程，確定了平導(dǎo)開挖順序與總體爆破施工方案，并優(yōu)化設(shè)計(jì)常規(guī)洞段和襯砌洞段平導(dǎo)爆破控制方案，加強(qiáng)爆破安全評(píng)估與控制，達(dá)到了控制營業(yè)線小凈距施工安全風(fēng)險(xiǎn)的效果，對(duì)既有鐵路的干擾小，為同類工程的爆破施工提供了一種可靠的爆破模式。