運(yùn)營(yíng)鐵路隧道引水洞爆破振速控制關(guān)鍵技術(shù)研究

張 玉

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 前言

近年來，我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，其中隧道工程所占比重越來越大，隨之而來的滲漏水引起的事故成為高鐵隧道主要安全事故之一，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)造成巨大影響[1]。而治理隧道滲漏水多采用增設(shè)引水洞方式進(jìn)行引排水，新增引水洞根據(jù)圍巖類別及級(jí)別和施工條件，采用的開挖方式主要為機(jī)械法(掘進(jìn)機(jī)法)和傳統(tǒng)礦山法(爆破)。采用爆破開挖產(chǎn)生的振動(dòng)勢(shì)必對(duì)運(yùn)營(yíng)高鐵隧道造成一定程度的危害和影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)不可預(yù)料的后果[2]。因此研究科學(xué)的爆破振動(dòng)振速控制技術(shù)意義重大[3]。隨著隧道施工新技術(shù)、新工藝、新材料的不斷改進(jìn)和發(fā)展，一些新技術(shù)、新工藝、新材料也逐漸應(yīng)用于降低爆破振速控制中[4]。

2 工程實(shí)例

西成客專小安隧道全長(zhǎng)13 423 m，運(yùn)營(yíng)1年多后受連續(xù)暴雨影響，洞身標(biāo)7 000多米處施工縫嚴(yán)重漏水，采取應(yīng)急搶險(xiǎn)措施后，制定了新增引水洞進(jìn)行引排水措施。引水洞全長(zhǎng)960 m，從小安隧道2號(hào)橫平導(dǎo)進(jìn)入，采用4.5×5.9 m(寬×高)凈空斷面，線間距為30～50 m，要求爆破控制振速為2.5 cm/s。

本段地表為構(gòu)造侵蝕低中山峽谷地貌，地形起伏大，埋深約370 m。本段地層巖性有第四系全新統(tǒng)人工填土()、溶洞充填()粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，二疊系下統(tǒng)(P1)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、頁(yè)巖。

3 開挖方案選擇和擬定

開挖方式主要為掘進(jìn)機(jī)法和爆破法，由于本段引水洞地質(zhì)巖性主要為灰?guī)r，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定巖石強(qiáng)度達(dá)到63 MPa以上，巖石堅(jiān)硬且整體性非常好，通過類比及了解同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，如采用小型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)開挖，施工難度極大[5]。因此最終選擇爆破開挖法，并進(jìn)行振速監(jiān)測(cè)，僅在天窗點(diǎn)內(nèi)實(shí)施爆破。

經(jīng)綜合參考并研究同類工程實(shí)例，為控制振速影響，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全，擬綜合應(yīng)用數(shù)碼電子雷管起爆和水壓爆破技術(shù)[6]、增設(shè)減振孔、振速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等一系列措施。爆破設(shè)計(jì)方案完成后進(jìn)行試爆以取得最佳爆破參數(shù)，使爆破振動(dòng)影響控制在要求范圍內(nèi)。

4 開挖爆破振速控制技術(shù)

4.1 爆破控制設(shè)計(jì)

4.1.1 最大單段裝藥量控制計(jì)算

由爆破引起的地震波是對(duì)既有結(jié)構(gòu)物和周圍建筑產(chǎn)生破壞作用的主要因素[7]，因此要求振速控制在2.5 cm/s以內(nèi)。在隧道開挖爆破過程中，振速主要與一次性起爆的藥量有關(guān)，單段最大裝藥量采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式[8]:

式中:Q為單段最大裝藥量(kg)；v為保護(hù)對(duì)象所在地的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度(本處為2.5 cm/s)；K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；R為爆源中心至振速控制點(diǎn)的距離(m)。泄水洞中線距正洞左中線30 m，其爆破區(qū)藥量分布幾何中心至正洞邊緣距離R＝25.44 m，取最小凈距(見圖1)。

圖1 泄水洞中線距正洞邊緣距離

根據(jù)正洞開挖及同類巖石取樣試驗(yàn)，各級(jí)別圍巖均較硬，強(qiáng)度在40～79 MPa間，其中Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖達(dá)到60 MPa以上。K、α取值范圍見表1。

表1 不同巖性的K、α值

根據(jù)式(1)[9]，及不同圍巖K、α取值，計(jì)算出單段最大裝藥量為:Ⅲ級(jí)圍巖13.05 kg、Ⅳ級(jí)圍巖為11.98 kg、Ⅴ級(jí)圍巖為16.46 kg。

4.1.2 計(jì)算每循環(huán)總裝藥量

引水洞開挖總裝藥量的計(jì)算，采用公式:

式中:Q為一個(gè)爆破循環(huán)的總用藥量(kg)；V為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺所爆落的巖石總體積(m3)；q為爆破每立方米巖石炸藥消耗量。本引水洞中:Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖錨噴開挖取q＝1.2 kg/m3，Ⅳ級(jí)模筑取q＝1.15 kg/m3，Ⅴ級(jí)取q＝1.05 kg/m3。

各襯砌類型的每循環(huán)總裝藥量計(jì)算結(jié)果:Ⅲ級(jí)圍巖錨噴總裝藥量為68.55 kg，Ⅳ級(jí)圍巖錨噴總裝藥量為72.5 kg，Ⅳ級(jí)圍巖模筑總裝藥量為78.1 kg，Ⅴ級(jí)圍巖模筑總裝藥量為76.82 kg。

4.1.3 各襯砌類型下各類炮眼裝藥量

引水洞每循環(huán)開挖長(zhǎng)度計(jì)劃按2.1 m控制，炮孔布置分為掏槽眼、周邊眼、輔助眼、底板眼4種。其中掏槽采用雙排V型掏槽方式，輔助眼為2圈。經(jīng)爆破孔眼布置及裝藥量計(jì)算，各斷面炮孔數(shù)量及裝藥量見表2。

表2 各斷面炮孔數(shù)量及裝藥量計(jì)劃

4.2 采用數(shù)碼電子雷管

在隧道爆破開挖中，一般采用非電毫秒導(dǎo)爆雷管，利用段位一般為1～15段。為了控制單段最大裝藥量，需要段位較多。采用非電導(dǎo)爆雷管時(shí)，爆破設(shè)計(jì)時(shí)最大單段裝藥量已超出理論計(jì)算的單段最大裝藥量，因此必須采用段位更多的材料以降低單段最大裝藥量。

采用數(shù)碼電子雷管，雷管段位為1～20段。通過更多的分段來降低最大單段裝藥量，進(jìn)而降低振速。

4.2.1 數(shù)碼電子雷管的優(yōu)勢(shì)

(1)在提高爆破效率及效果的同時(shí)，保障施工安全。

(2)降低爆破振動(dòng)效應(yīng)(可達(dá)80%)。

(3)不受段別限制，爆破雷管時(shí)間根據(jù)爆破現(xiàn)場(chǎng)情況隨意設(shè)置。

(4)雷管可在線檢測(cè)(準(zhǔn)確定位)，隨時(shí)排查有問題雷管。

(5)可斷線起爆，爆破網(wǎng)路被破壞不影響正常起爆，準(zhǔn)爆率100%。

數(shù)碼電子雷管對(duì)比傳統(tǒng)雷管在減振方面的主要優(yōu)勢(shì)為:段位多，不受段別控制，共20段，可以對(duì)爆破進(jìn)行更多分段以控制最大單段裝藥量，可以更好地實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰降振。斷線優(yōu)勢(shì)方面:爆破網(wǎng)絡(luò)被破壞不影響正常起爆，因此對(duì)于本引水洞在天窗有限時(shí)間內(nèi)爆破防止二次補(bǔ)炮爆破具有極大優(yōu)勢(shì)[10]。

4.2.2 采用數(shù)碼電子雷管后最大單段裝藥量控制

為了控制最大單段裝藥量，采用數(shù)碼電子雷管，各襯砌類型各類炮眼采用的雷管段位分配及用藥量見表3。

表3 單段裝藥量控制

4.3 融入水壓爆破技術(shù)降振

融入水壓爆破技術(shù)可進(jìn)一步減少最大單段用藥量，從而降低振速。

水壓爆破技術(shù)由我國(guó)著名爆破專家何廣沂教授于20世紀(jì)90年代提出，其原理為向炮眼中一定位置注入一定量的水，并用專用的“炮泥”回填堵塞炮眼，利用在水中傳播的沖擊波對(duì)水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過水傳遞至炮眼圍巖中幾乎無損失。同時(shí)，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，有利于巖石破碎[11]。

隧道掘進(jìn)水壓爆破，首先向每個(gè)炮孔最底部裝入水袋，隨后裝入藥卷，再裝水袋，最后用炮泥回填堵塞。水袋和炮泥使用專用設(shè)備制造成型。其裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)

同時(shí)每個(gè)孔(Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)模筑周邊眼除外)減少0.1 kg，約10%～15%的炸藥量，進(jìn)一步降低最大單段裝藥量。最終各斷面最大單段裝藥量和總裝藥量見表4。

表4 最大單段裝藥量和總裝藥量

4.4 設(shè)置減振孔降振

在周邊眼中間隔增加1個(gè)炮孔，可以起到部分減振作用，同時(shí)也起到了提高光爆效果的作用[12]。周邊減振孔改善了周邊振速傳遞的介質(zhì)影響，對(duì)降振有一定效果，相當(dāng)于為控制振速傳遞增設(shè)了一層保險(xiǎn)[13]。

4.5 振速控制技術(shù)綜合應(yīng)用后的振速測(cè)算及試爆

采用數(shù)碼電子雷管及融合水壓爆破技術(shù)，再通過減振孔減振作用，根據(jù)薩道夫斯基公式及不同圍巖的K、α取值與最大單段裝藥量，預(yù)測(cè)各襯砌類型在線間距30 m時(shí)的振速為:Ⅲ級(jí)錨噴2.102 cm/s、Ⅳ級(jí)錨噴2.102 cm/s、Ⅳ級(jí)模筑2.125 cm/s、Ⅴ級(jí)模筑1.793 cm/s。

通過測(cè)算，本次爆破設(shè)計(jì)振速滿足控制振速2.5 cm/s的要求，通過三次試爆試驗(yàn)，實(shí)際振速均小于控制振速。

5 應(yīng)用效果

振速監(jiān)測(cè)采用增強(qiáng)型振動(dòng)測(cè)試儀，本儀器采用分離式振動(dòng)傳感器，可對(duì)微小振動(dòng)及超強(qiáng)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并可實(shí)現(xiàn)爆破時(shí)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)并上傳爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在所有爆破過程中僅有1次爆破振速達(dá)到2.51 cm/s，其余均滿足振速控制要求，大多振速在1.0～2.2 cm/s之間，說明采用數(shù)碼電子雷管分段降低最大單段裝藥量、融入水壓爆破技術(shù)再次進(jìn)一步降低最大單段裝藥量、增設(shè)減振孔等系列控制措施達(dá)到了降振減振效果并滿足振速最低要求，保證了運(yùn)營(yíng)鐵路不受影響，見圖3～圖5。

圖3 線間距30 m振速波形(振速2.18 cm/s)

圖4 線間距40 m振速波形(振速1.42 cm/s)

圖5 線間距50 m振速波形(振速1.22 cm/s)

6 結(jié)束語

運(yùn)營(yíng)高鐵隧道增設(shè)引水洞爆破施工，危險(xiǎn)性極高，稍有差錯(cuò)可能會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道造成慘重?fù)p失。本文綜合應(yīng)用數(shù)碼電子雷管更多段位以減少最大單段裝藥量、利用水壓爆破技術(shù)“水楔”效應(yīng)[13]、采用增設(shè)減振孔以改善介質(zhì)傳遞振速效果等多種降振減振措施，達(dá)到了降振減振的目的。