袁旭東

(中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

1 引言

因隧道洞口與既有車站結(jié)構(gòu)為零距離，隧道洞身范圍為高強(qiáng)度微風(fēng)化花崗巖地層，周邊環(huán)境復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)安全順利進(jìn)洞，既要做到對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)無損傷，還要對(duì)能采用的工藝工法從進(jìn)度、成本、可行性等方面進(jìn)行詳細(xì)分析比選，才能得出科學(xué)合理切實(shí)可行的方案來確保正常施工。

2 工程概況

廈門2號(hào)線2標(biāo)一工區(qū)包括一站兩區(qū)間，其中東渡路站～建業(yè)路站區(qū)間左線長(zhǎng)987 m，右線長(zhǎng)1 002 m，采用礦山法施工，原設(shè)計(jì)共兩個(gè)豎井工作面，受工期制約，增設(shè)至四個(gè)工作面，其中東渡路站工作面位于既有車站內(nèi)，東渡路站結(jié)構(gòu)已完工，暗挖隧道洞門位于車站負(fù)四層端墻內(nèi)。區(qū)間隧道與車站接口如圖1所示。

隧道洞身約78 m范圍全部位于全斷面17-5微風(fēng)化花崗巖層內(nèi)，如圖2所示。17-5微風(fēng)化花崗巖:巖芯多呈15～50 cm柱狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊聲脆，飽和抗壓強(qiáng)度63～124 MPa，天然抗壓強(qiáng)度9.2～147.68 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為 118.19 MPa；屬堅(jiān)硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅰ～Ⅱ級(jí)。

圖2 地質(zhì)縱斷面示意

3 周邊環(huán)境

本區(qū)間兩側(cè)重要建(構(gòu)）筑物較多，主要有雙獅南里小區(qū)、寶鷺苑小區(qū)、振華大廈、國(guó)際郵輪城，東渡路廈金碼頭截流泵站及排水箱涵等，隧道下穿現(xiàn)狀道路范圍內(nèi)周邊地下管網(wǎng)繁雜，類型眾多，管徑及埋深不一。

其中寶鷺苑小區(qū)為無樁基礎(chǔ)小區(qū)，與隧道邊線最小距離僅為4.8 m，國(guó)際郵輪城地下室樁基礎(chǔ)與隧道邊線距離為2.5 m。如圖3所示。

圖3 隧道與周邊建筑物關(guān)系

4 方案比選

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及地質(zhì)情況，針對(duì)硬巖隧道暗挖施工主要分為爆破和非爆兩類，具體可選擇工法有:液壓式巖石分裂施工、靜態(tài)爆破、二氧化碳?xì)怏w爆破、懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)、鉆爆法等。

4.1 液壓式巖石分裂施工[1]

靜爆液壓式巖石分裂機(jī)裂巖施工，液壓巖石分裂機(jī)擬采用重慶靜爆機(jī)械化工程有限公司改裝或生產(chǎn)的專業(yè)設(shè)備。由于巖石強(qiáng)度高達(dá)120 MPa以上，首先取孔時(shí)間極長(zhǎng)，其次高強(qiáng)度花崗巖裂巖效果待驗(yàn)證，進(jìn)度指標(biāo)受裂巖效果和破除工作等影響難以確保，裂巖棒水平孔作業(yè)難以實(shí)施等，靜爆公司指出本工法難以滿足高強(qiáng)度花崗巖地層暗挖隧道的巖石破碎作業(yè)。

4.2 靜態(tài)爆破劑爆破[2]

通過膨脹劑灌入巖體內(nèi)，發(fā)生水化反應(yīng)，固體硬化，溫度升高，體積膨脹，把巖石漲破，產(chǎn)生裂隙或裂縫，再通過機(jī)械破除達(dá)到開挖目的。本工程進(jìn)洞采用該方法則鉆孔過多，周期長(zhǎng)，施工成本過高，開挖進(jìn)度極其緩慢，破碎效果受溫度影響較大，開裂時(shí)間不宜控制，臨空面要求高，有噴漿和強(qiáng)堿性危害等，該方法只有在特殊的施工環(huán)境下及個(gè)別有約束條件的工程中采用，本工況下實(shí)施靜態(tài)爆破，理論上具備可行性，但可操作性較低。

4.3 二氧化碳?xì)怏w爆破[3]

液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)是屬于物理爆破技術(shù)，該工法效率過低，步驟過于繁瑣，每天炸不了幾次，環(huán)節(jié)多了出問題的機(jī)率就多，震動(dòng)力雖不大，爆破聲響比較明顯，本工法主要適用于礦井的采煤工作面，當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)仍不完善，成熟度不足，仍處在不斷成長(zhǎng)和發(fā)展階段，對(duì)臨空面要求高，深基坑及隧道等作業(yè)面均不適合，且爆破威力較小，根本無法滿足硬巖地層爆破施工，多家設(shè)備廠家及專業(yè)隊(duì)伍均表示該工法無法運(yùn)用于高強(qiáng)度花崗巖暗挖隧道施工。

4.4 懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)[4]

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為一種新工藝，在國(guó)內(nèi)正逐步應(yīng)用，開挖較靈活，通過機(jī)器前段切割機(jī)構(gòu)的上下左右擺動(dòng)及切割頭旋轉(zhuǎn)破巖，可實(shí)現(xiàn)城門洞形、半圓形、矩形、馬蹄形等不同形狀的斷面掘進(jìn)。

硬巖地層施工時(shí)，尤其是硬度超過80 MPa的地層，掘進(jìn)機(jī)施工沒什么優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在截齒的消耗，硬度越高，截齒損耗越大，成本高于鉆爆法；施工效率低，破巖能力低。

徐工廠家意見:巖石強(qiáng)度大于100 MPa以上不建議采用本工法。根據(jù)地勘報(bào)告巖石試驗(yàn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于理想值，不適宜采用本方案。

4.5 鉆爆法[5]

由于交界處左右線隧道洞口與車站結(jié)構(gòu)為零距離，距離隧道邊線僅4.8 m還有老舊無基礎(chǔ)小區(qū)，此條件下實(shí)施爆破進(jìn)洞，必須做到爆破對(duì)車站結(jié)構(gòu)無損傷，還要求爆破振速小、聲響小、外界影響小、爆破效果好，因此對(duì)爆破控制和爆破防護(hù)均要求極高，由于爆破沖擊及爆破振動(dòng)難以減免，對(duì)洞口處車站主體結(jié)構(gòu)難以實(shí)施爆破防護(hù)，必須通過不斷試驗(yàn)總結(jié)來制定科學(xué)合理的爆破方案，必須通過增加減震措施、深化爆破設(shè)計(jì)、進(jìn)行車站全面防護(hù)等技術(shù)手段和保證措施，可以通過試驗(yàn)總結(jié)確定爆破效果。

通過綜合比選，高強(qiáng)度花崗巖暗挖隧道的非爆破施工確實(shí)屬于全國(guó)性難題，從進(jìn)度、成本、效果、方案切實(shí)可行性等角度綜合考慮則只有鉆爆法較適宜，選用鉆爆法需協(xié)調(diào)好周邊影響因素，需進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋圃O(shè)計(jì)，增加減震措施，做好全方位爆破防護(hù)等。

5 爆破進(jìn)洞方案

爆破設(shè)計(jì)要求振動(dòng)小，聲響小，效果好，為確保安全進(jìn)洞及盡可能減小振動(dòng)，擬實(shí)施進(jìn)洞方案思路如下:

采用風(fēng)槍鉆沿上臺(tái)階開挖輪廓線打設(shè)一排直徑50 mm孔，間距10 cm，作為減震空孔；再打設(shè)第二排孔間距50 cm，鉆孔完成后采用聚能管水壓爆破技術(shù)[6-7](藥量小，體積均勻，振動(dòng)小，定向爆破）實(shí)施爆破，最終形成5～15 cm寬隔震槽，以緩沖、反射開挖爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波，控制其對(duì)保留巖體的破壞，最大程度減小爆破振動(dòng)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響，再實(shí)施爆破進(jìn)洞施工。

5.1 隔震槽施工

原理同預(yù)裂爆破，隔振槽鉆孔直徑D=50 mm、沿輪廓線鉆水平孔，孔深為L(zhǎng)=2.2 m、孔排距b=10 cm、第一排孔間距a=10 cm、第二排孔間距50 cm，如圖4所示。

隔震槽第二排孔裝藥結(jié)構(gòu)為底部裝填1袋水袋，然后填裝1.5 m聚能管裝置，最后用炮泥堵塞。炮眼總數(shù)各一半分1、3段起爆，其中聚能管長(zhǎng)1.5 m，裝藥延米量0.4 kg，單孔藥量為0.6 kg。如圖5所示。

經(jīng)試爆后，爆破效果較好，爆破后各炮孔間明顯裂縫且全部碎裂，毗鄰建筑物處最大爆破振速為1.13 mm/s。

圖4 隔震槽布孔

圖5 聚能管裝藥結(jié)構(gòu)

5.2 爆破控制

爆破危害主要是爆破振動(dòng)，爆破振動(dòng)安全允許距離，可按下式計(jì)算[8]:

式中，R為爆破振動(dòng)安全允許距離(m）；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量(kg）；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度cm/s；K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(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)，可按表1選取，或通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

表1 爆區(qū)不同巖性的K，α值

通過實(shí)測(cè)掌子面中心與振動(dòng)監(jiān)測(cè)埋設(shè)點(diǎn)之間距離獲取準(zhǔn)確R值，通過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)同段位齊爆藥量獲取準(zhǔn)確Q值之后，我們可計(jì)算獲得K、α值，結(jié)合實(shí)測(cè)的最小R值及本工程內(nèi)控允許V值1.0 cm/s(規(guī)范允許值2 cm/s），從而計(jì)算獲得允許最大一段用藥量Q，現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)實(shí)測(cè)的最小R值采取措施進(jìn)行爆破控制:

控制單孔的裝藥量；控制單循環(huán)進(jìn)尺及加強(qiáng)堵塞；控制微差爆破的時(shí)間間隔在50～100 ms以上；跳段使用雷管；根據(jù)監(jiān)測(cè)記錄，及時(shí)修正K、α值。

5.3 進(jìn)洞爆破設(shè)計(jì)[9]

開挖采用臺(tái)階法施工，核心是采用預(yù)裂爆破，掏槽眼采用拋擲爆破。

(1）炮孔計(jì)算

炮孔深度:通過查表，根據(jù)巖石堅(jiān)固性系數(shù)f與掘進(jìn)斷面大小對(duì)應(yīng)選取，具體見表2。

表2 掘進(jìn)參數(shù)

本工程巖石堅(jiān)固性系數(shù)f按花崗巖取f=8～15。

區(qū)間隧道采用臺(tái)階法施工，斷面面積為34.6 m2，斷面面積較小，爆破開挖進(jìn)尺每循環(huán)為1.0 m，所以掏槽眼深度1.5 m，輔助眼深度1.3 m，周邊眼深度1.2 m，底板眼深度1.5 m。炮孔數(shù)目:按下式估算:

式中，N為炮孔數(shù)目(個(gè)）；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；s為巷道掘進(jìn)斷面面積(m2）。

通過計(jì)算，理論炮孔數(shù)量為N=81個(gè)。

(2）炮孔布置

周邊眼抵抗線w取60 cm，周邊孔間距應(yīng)小于抵抗線，理論周邊眼取50 cm[10]，上臺(tái)階為考慮安全進(jìn)洞周邊孔按間距10 cm取孔先實(shí)施預(yù)裂形成隔震槽。

炮眼的間距，視巖石的類別、節(jié)理發(fā)育程度，參照下式計(jì)算確定:

式中，a為炮眼間距(mm）；w為最小抵抗線(m）；b為系數(shù)，采用電雷管起爆為0.8～2.3。

圖6 上臺(tái)階炮孔布置

掏槽孔間距取50 cm；周邊輔助眼其間距為周邊眼的1.5倍左右，取間距70 cm；底板眼間距取70 cm；輔助孔布孔在參照炮孔總數(shù)及排間距等參數(shù)的基礎(chǔ)上，前后排間距按爆破漏斗原理或三角形原理進(jìn)行交錯(cuò)布孔，且由于越靠近掏槽眼的輔助孔爆破夾制作用越大，故輔助眼越靠近掏槽眼，抵抗線越小，最外層輔助孔的抵抗線最大，輔助眼眼距取50 cm；當(dāng)使用多排排炮爆破時(shí)，炮眼應(yīng)按梅花形布置，炮排距約為同排炮孔距的0.86倍，排距為45 cm。上臺(tái)階每次爆破進(jìn)尺為1.0 m，由于洞口與東渡路站為零距離，為減小爆破飛石塊度，擬增加掏槽眼中間分布眼，采用MS2雷管起爆段位，介于掏槽眼段位與掏槽輔助眼段位之間，既不影響掏槽效果，又能減小石塊體積。如圖6所示。

上臺(tái)階進(jìn)尺3～5 m后開始施工下臺(tái)階，下臺(tái)階每次爆破進(jìn)尺為1.0 m，采取控制爆破，控制分組，可施作空孔，增加自由面，改善爆破效果。為改變下臺(tái)階爆破主要飛石方向，加密上下層炮眼間距，根據(jù)巖石情況取上下層炮眼間距為70 cm，使下臺(tái)階爆破最小抵抗線方向向上，進(jìn)而使爆破飛石主要方向向上，減小對(duì)車站結(jié)構(gòu)物的破壞。如圖7所示。

圖7 下臺(tái)階炮孔布置

(3）炸藥量計(jì)算

按巖石堅(jiān)固系數(shù)選定單位耗藥量，堅(jiān)固系數(shù)取11，據(jù)工程類比取炸藥單耗q=1.4 kg/m3。每循環(huán)炸藥總量計(jì)算:

式中，Q為每循環(huán)裝藥量(kg）；q為單位裝藥量(kg）；v為巖體體積(m3）。

每循環(huán)開挖1 m炸藥用量為:

根據(jù)計(jì)算，藥量分配如表3所示。

表3 單孔藥量分配

(4）裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方法

采用非電毫秒雷管起爆系統(tǒng)，雷管段位對(duì)號(hào)入座，為了增強(qiáng)起爆效果，隔段選用毫秒雷管；采用連續(xù)耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷；導(dǎo)爆管與藥卷捆扎在一起，使其固定在預(yù)定位置，如圖8所示。

圖8 主炮孔裝藥堵塞結(jié)構(gòu)示意

采用接力式簇聯(lián)導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，用電雷管引爆若干發(fā)捆綁導(dǎo)爆管雷管，再由捆綁導(dǎo)爆管雷管引爆炮孔中的雷管，用普通起爆器起爆。起爆順序:掏槽眼→輔助眼→周邊輔助眼→底板眼。

6 其他措施

6.1 監(jiān)控量測(cè)[11]

(1）對(duì)周邊房屋的沉降、位移需進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，頻率為每8 h一次。

(2）設(shè)置4處振速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別在洞口附近側(cè)墻處、距離洞口10 m處結(jié)構(gòu)內(nèi)、距離洞口20 m處結(jié)構(gòu)內(nèi)、距離隧道最近地面既有建筑物處。

(3）做好站內(nèi)結(jié)構(gòu)及周邊房屋外觀巡查并詳細(xì)記錄。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，嚴(yán)格控制爆破振速，確保安全施工。

6.2 爆破防護(hù)措施[12]

(1）對(duì)車站洞門、立柱、側(cè)墻等結(jié)構(gòu)的防護(hù)

采用塑料泡沫、土工布、氣墊等緩沖材料對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位包裹，能對(duì)飛石沖擊起到緩沖的作用，以免飛石對(duì)外伸結(jié)構(gòu)角造成損壞。

(2）對(duì)車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的防護(hù)

采用炮被、竹排編制簾等設(shè)置阻擋飛石進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且能對(duì)爆破沖擊波起到消聲效果，需設(shè)置3～4道防護(hù)簾。

7 結(jié)束語

通過對(duì)進(jìn)洞方案充分比選，選用了爆破進(jìn)洞，并制定了科學(xué)合理的爆破方案，采取了爆破控制，通過增加減震措施、深化爆破設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，加強(qiáng)了爆破防護(hù)措施，并進(jìn)行試驗(yàn)總結(jié)確定了爆破效果，爆破振速嚴(yán)格控制在1 cm/s以下，安全可控，在保證爆破進(jìn)尺效果的前提下確保了站內(nèi)結(jié)構(gòu)完全無損，確保了周邊建筑物的安全，成功實(shí)現(xiàn)了花崗巖地層中既有車站內(nèi)爆破進(jìn)洞。