淺埋高鐵隧道下穿建筑群鉆爆法開挖設(shè)計與優(yōu)化

賀偉奇HE Wei-qi

（中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊 050000）

0 引言

目前，隧道開挖常采用鉆爆法，設(shè)計階段主要考慮地質(zhì)條件、開挖斷面、開挖方法、掘進循環(huán)進尺、鉆眼機具、爆破器材及環(huán)境要求等因素，設(shè)計內(nèi)容包括炮眼布置、深度、斜率和數(shù)量，裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)，起爆方法和爆破順序等。當(dāng)高鐵隧道穿越城市淺埋地段時，采用鉆爆法一方面要嚴(yán)格控制開挖后地表及圍巖沉降，另一方面需考慮爆破過程中產(chǎn)生的振動影響，這是不同于山嶺隧道鉆爆設(shè)計的主要區(qū)別?！侗瓢踩?guī)程》（GB6722-2014）中對不同類型建（構(gòu)）筑物、設(shè)施設(shè)備等保護對象制定了不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示[1]。本文以沈白高鐵順城隧道淺埋段為背景進行鉆爆法開挖設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上探尋多種有效的減振技術(shù)方案，從而保證隧道淺埋段安全快速掘進。

表1 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

1 工程概況

沈白高鐵順城隧道斜井段里程DK41+630～DK42+300段670m 穿越遠(yuǎn)洋社區(qū)，埋深8.43～12m。隧道臨近多座建筑物，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工變形、振動控制要求極其嚴(yán)格。經(jīng)調(diào)查，社區(qū)內(nèi)地表建筑物與隧道在平面上的相對位置如圖1 所示，在各里程橫斷面上的相對位置如圖2 所示（以DK42+030 里程為例）。通過平面圖和橫斷面圖，可以測量計算出建筑物距隧道最小距離，即爆破時應(yīng)設(shè)定的安全爆心距。

圖1 淺埋段地表建筑物與隧道相對位置平面圖

圖2 DK42+030 處隧道與建筑物位置關(guān)系橫斷面圖

2 鉆爆法開挖設(shè)計

2.1 確定最大單段藥量

大量工程實踐證明，振動速度的峰值主要取決于最大單段藥量。由于掏槽爆破夾制作用強，破巖時需要裝填更多炸藥，因此如何控制掏槽爆破振動成為減振施工的關(guān)鍵。經(jīng)專家論證，本工程中附近居民的建筑物爆破振動速度不得大于0.5cm/s。計算最大單段藥量采用修正的薩道夫斯基公式[2]，見式（1）。

式中，V 為質(zhì)點振動速度峰值，cm/s；Q 為與振速V 值對應(yīng)的最大單段起爆藥量，kg；R 為測點與爆心的直線距離，m；K1為進尺修正系數(shù)，取0.3-1；K2、α 分別為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

本工程中，進尺為1m 左右時，K1取0.3，進尺為2m 左右時，K1取0.5；K2取250；α 取1.8。結(jié)合建筑物的安全爆心距和圍巖分布情況，劃分不同的影響里程段，每一里程段的安全爆心距和圍巖級別相同，據(jù)此計算允許最大單段藥量，見表2。

表2 影響里程段劃分及最大單段藥量控制表

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

爆破參數(shù)按如下原則設(shè)計：整體遵循光面爆破的原理，采用毫秒延時微振控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制最大單段藥量，同時在振動允許的情況下，盡量選擇合適的進尺以保證進度。以K41+750～K42+050 為例，本里程段為Ⅴ級圍巖，安全距離為20m，結(jié)合表2 確定爆破參數(shù)如下：

采用三臺階法開挖，上臺階保證每循環(huán)進尺2 榀拱架（1.2m），最大單段藥量不超過1.9kg；上臺階爆破后，中、下臺階與建筑物之間形成空氣隔振槽，一定程度上減弱了爆破振動的傳播，可以增加循環(huán)進尺為3 榀拱架（1.8m），單孔藥量隨之增加。同時進尺增加，K1取值增大，一定程度上又要減少單段藥量。綜合分析，確定中、下臺階最大單段藥量不超過1.6kg。采用數(shù)碼雷管起爆網(wǎng)路，雷管段位和同時起爆孔數(shù)嚴(yán)格按照圖3 的標(biāo)識要求，其他爆破參數(shù)見表3。

圖3 V 級圍巖三臺階法控爆設(shè)計圖（安全距離為20m）（單位：cm）

表3 Ⅴ級圍巖三臺階法（安全距離為20m）爆破參數(shù)表

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞和起爆網(wǎng)路

使用?32mm 的2#巖石乳化炸藥進行爆破，掏槽孔、輔助孔、底孔采用連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔采用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，起爆雷管均置于炮孔底部。炮孔填塞采用稍濕含細(xì)砂黃粘土，需分層搗固密實。周邊眼在孔口進行堵塞，長度不小于20cm。上臺階按照掏槽眼-輔助眼-壓頂眼-內(nèi)圈眼-抬炮眼-底板眼-周邊眼-底腳眼的順序連接起爆網(wǎng)路，中、下臺階按照第一排、第二排炮眼-內(nèi)圈眼-底板眼-周邊眼-底腳眼的順序連接起爆網(wǎng)路。

3 鉆爆法方案優(yōu)化

3.1 預(yù)裂爆破

采用預(yù)裂爆破在主爆區(qū)爆破之前沿設(shè)計輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫，能夠有效地緩沖、反射開挖爆破的振動波，降低周邊建筑物的振動峰值。有富余的振速安全儲備時，可以增大主爆區(qū)單段藥量，提高循環(huán)進尺，降低起爆網(wǎng)路的復(fù)雜程度。但是，采用預(yù)裂爆破周邊眼只有一個臨空面，受夾制作用強，需要通過增大孔徑和裝藥量、減小孔間距保證裂縫貫穿炮孔，此時炮孔周邊圍巖易受到破壞，開挖輪廓面的平整光滑度不如光面爆破[3]。另外提高了炸藥單耗，經(jīng)濟效益欠佳。因此，以降振為主要目的時，綜合考慮其他因素，選用預(yù)裂爆破是一種有效的方法。

3.2 環(huán)縫取芯

與預(yù)裂爆破方法的原理相同，采用鉆機沿上臺階輪廓線以相臨圓方式進行環(huán)縫取芯，形成連續(xù)隔振槽道。相較于貫穿裂隙，降振作用明顯，能夠保證開挖輪廓面平整度。但是本方法增加了一道工序和多臺鉆孔設(shè)備，延長了循環(huán)耗時，提高了施工成本。

3.3 鉆爆法+懸臂式掘進機聯(lián)合開挖法

懸臂式掘進機是隧道工程中常見的開挖機械，通過切削刀盤上的滾刀對巖面形成滾動擠壓進行破巖，可以有效地避免振動影響，但是應(yīng)用在硬巖中具有開挖速度慢、施工成本高等缺點。因此可作為輔助的方法，配合鉆爆法進行降振開挖。

根據(jù)懸臂式掘進機開挖斷面比例，可分為圖4 所示的三種方法：a.上臺階全斷面機械開挖法；b.上臺階輪廓機械開挖法；c.上臺階導(dǎo)洞機械開挖法，其余部分仍采用鉆爆法開挖。

圖4 鉆爆法+懸臂式掘進機聯(lián)合開挖法

上臺階全斷面機械開挖法和輪廓機械開挖法形成大面積的隔振空間，阻斷了爆破振動的直線傳播路徑，延長了傳播距離，同時能夠消耗一定的爆破能量，降振作用最為明顯。上臺階導(dǎo)洞機械開挖法采用懸臂式掘進機對掌子面核心巖土進行掏槽，一方面消除了上臺階掏槽爆破引起的振動，另一方面為輔助眼爆破提供了更大的臨空面，可以降低其單孔裝藥量從而達(dá)到減振的目的[4]。

4 結(jié)論與建議

以沈白項目順城隧道淺埋段下穿多座建筑物為工程背景，通過設(shè)計研究得出以下結(jié)論與建議。

①采用鉆爆法開挖時，掏槽眼的設(shè)計是隧道減振控制的關(guān)鍵，通過合理的計算方法和經(jīng)驗推導(dǎo)得出最大單段藥量，并以此進行光面爆破參數(shù)設(shè)計是基本的、有效的方法，設(shè)計過程應(yīng)兼顧建筑物的振動安全和合理的開挖進尺。②以降振為目的的爆破方案設(shè)計，除了減少最大單段藥量，也可以采用預(yù)裂爆破、環(huán)縫取芯、上臺階輪廓機械開挖的方法，在主爆區(qū)與保護對象之間形成不同寬度的隔振帶起到降振作用。另外采用機械開挖掏槽區(qū)從而消除掏槽爆破環(huán)節(jié)也是一種有效的方法。施工過程中可結(jié)合項目特點綜合應(yīng)用，進一步保證周邊建筑物的安全。③爆破施工過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場振動監(jiān)測的分析結(jié)果，綜合考慮安全、進度、成本等因素，及時調(diào)整爆破參數(shù)和降振方法。