范德全

(中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司 福建福州 350013)

0 引言

隨著我國(guó)交通的快速發(fā)展，隧道上跨或下穿已有隧道的情況越來(lái)越常見(jiàn)[1-3]，因新建隧道施工而造成的既有隧道結(jié)構(gòu)破壞也隨之增多[4-5]。如何確保新建隧道對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，滿足其正常的運(yùn)營(yíng)要求，是交叉隧道施工中的重難點(diǎn)問(wèn)題[6-7]。

針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。如陳衛(wèi)忠等[8]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)安全的施工要求，采用數(shù)值計(jì)算提出交叉段合理施工工法。?？礫9]采用有限元模擬方法，開(kāi)展了新建公路隧道爆破施工對(duì)既有高鐵隧道的影響分析。李君君等[10]依托新建巴萬(wàn)高速公路羊子嶺隧道上穿既有襄渝二線羊子嶺鐵路隧道工程，開(kāi)展新建公路隧道上穿鐵路隧道的施工力學(xué)行為研究。王勇等[11]以重慶紅巖村隧道上跨既有軌道環(huán)線隧道工程為例，采用有限元模擬方法，開(kāi)展了新建公路隧道小凈距上跨施工對(duì)既有地鐵隧道影響的分析。于建新等[12]基于傳感、光電轉(zhuǎn)換以及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)燃夹g(shù)，開(kāi)展了新建公路隧道上穿既有供水隧洞施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。以上研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)新建隧道順利上跨施工起到重要的作用。但是，以上研究主要側(cè)重新建隧道對(duì)既有隧道的穩(wěn)定性及力學(xué)行為等方面，針對(duì)新建隧道上跨施工對(duì)既有隧道的爆破振動(dòng)響應(yīng)研究，還較為缺乏[13-14]。

本文以興泉鐵路綠谷二號(hào)隧道上跨既有福廈鐵路陳壩隧道為工程依托，進(jìn)行了危險(xiǎn)源辨識(shí)。在隧道最大裝藥量的計(jì)算基礎(chǔ)上，開(kāi)展了隧道控制爆破方法設(shè)計(jì)的分析，確定了爆破參數(shù)，并進(jìn)行了爆破振動(dòng)安全影響分析。最后，對(duì)施工期爆破工程防護(hù)措施提出了一些建議。

1 工程概況

興泉鐵路綠谷二號(hào)隧道地處福建省惠安縣境內(nèi)，起訖里程HLDK18+242 ～ HLDK19+145，全長(zhǎng)903 m。隧道為單線隧道，隧道最大埋深54 m。該隧道在樁號(hào)為HLD1K19+093.4處上跨既有福廈線鐵路陳壩隧道(凈距23 m)，與既有隧道夾角約為64°。既有陳壩隧道全長(zhǎng)1359 m，如圖1所示，為綠谷二號(hào)隧道與福廈陳壩隧道立面關(guān)系圖。

圖1 綠谷二號(hào)隧道與福廈陳壩隧道立面關(guān)系圖

2 隧道爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 危險(xiǎn)源辨識(shí)

爆破時(shí)，對(duì)爆區(qū)附近保護(hù)對(duì)象可能產(chǎn)生有害影響。如爆破引起的振動(dòng)、個(gè)別飛散物、空氣沖擊波、噪聲、水中沖擊波、動(dòng)水壓力、涌浪、粉塵、有害氣體等。根據(jù)工程實(shí)際情況，該工程危險(xiǎn)源主要如下：

(1)根據(jù)工程的設(shè)計(jì)資料，爆破區(qū)距既有陳壩隧道最小豎向距離為23 m。因此，較大的爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)既有福廈鐵路設(shè)施造成危害，從而影響既有鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

(2)其它危險(xiǎn)源：如爆破飛散物、空氣沖擊波、粉塵等。由于既有隧道位于新建隧道下方，且起爆位置距離既有隧道進(jìn)出口距離較遠(yuǎn)(距離陳壩隧道進(jìn)口275 m，出口1084 m)，故其它危險(xiǎn)源的影響較小。

2.2 爆破方案選定及單段允許藥量計(jì)算

(1)爆破方案選定

綠谷二號(hào)隧道鄰近既有杭深鐵路HLD1K18+242 ～ HLD1K19+050范圍內(nèi)，需要采用控制爆破施工的里程，長(zhǎng)度為808 m。其中V級(jí)圍巖198 m，IV級(jí)圍巖520m，III級(jí)圍巖90 m。

根據(jù)隧道基本情況，隧道明洞爆破采用淺孔爆破法施工。隧道內(nèi)采用毫秒延期控制爆破：IV級(jí)圍巖和V級(jí)圍巖采用兩臺(tái)階開(kāi)挖法進(jìn)行開(kāi)挖，V級(jí)圍巖上臺(tái)階開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺不大于0.8 m，IV級(jí)圍巖上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺不大于2.4 m；隧道III級(jí)圍巖采用兩臺(tái)階法或全斷面開(kāi)挖法，III級(jí)圍巖較差地段控制在2.0 m ～ 3.0 m進(jìn)行設(shè)定。

(2)單段允許藥量計(jì)算

爆破施工過(guò)程中，需根據(jù)爆區(qū)實(shí)際周邊環(huán)境，選取合理地單段齊爆藥量，并控制一次爆破規(guī)模。以爆區(qū)最薄弱保護(hù)對(duì)象進(jìn)行允許藥量控制，確保爆破有害效應(yīng)不影響周邊保護(hù)物。其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Qmax為最大單段允許用藥量，kg；v為振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，cm/s；R為爆源中心至震速控制點(diǎn)距離，m；K、a分別為與爆破點(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)。K取150，a取1.5。

通過(guò)式(1)計(jì)算，各部分每次爆破的允許最大裝藥量如表1～表2所示。由表1～表2可知，最近處爆點(diǎn)的最大單段藥量允許值隨著爆區(qū)的移動(dòng)，與保護(hù)對(duì)象的距離發(fā)生了變化，其最大單段藥量允許值也隨之發(fā)生變化。因此，需以實(shí)際距離確定最大單段藥量允許值。

表1 天窗點(diǎn)施工地段同段最大裝藥量計(jì)算表

表2 臨近施工地段同段最大裝藥量計(jì)算表

單位炸藥消耗量按照式(2)進(jìn)行驗(yàn)算，所得隧道單耗如表3所示。

(2)

式中，S為隧道掘進(jìn)斷面積，單位(m2)；K0為考慮炸藥做功能力的校正系數(shù)，取值為2.02；f為巖石普氏系數(shù)。

表3 隧道單耗估算表

根據(jù)隧道斷面，隧道各部分每次爆破單段藥量，需控制在設(shè)計(jì)單段允許藥量?jī)?nèi)，確保單次爆破總藥量不得超過(guò)200 kg。

3 隧道控制爆破

隧道洞身以IV級(jí)圍巖為主，故本文僅以IV級(jí)圍巖為例進(jìn)行隧道控制爆破方法分析。IV級(jí)圍巖的爆破施工點(diǎn)距福廈鐵路陳壩隧道最小斜距為120 m(大于100 m)，采用天窗點(diǎn)外臨近營(yíng)業(yè)線控制爆破施工，振動(dòng)速度按1 cm/s標(biāo)準(zhǔn)控制。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知，每次爆破時(shí)最大單段允許炸藥用量控制在40 kg以內(nèi)。

(1)炮眼布置

①周邊眼間距E=50 cm，光爆層厚度W=55 cm。輔助孔孔間距a=90 cm，底眼孔間距取75 cm，排距均為b=90 cm，根據(jù)具體條件可適當(dāng)調(diào)整。

②由于IV級(jí)圍巖比較松軟，故采用楔形掏槽，二層共四排掏槽孔，如圖2所示。楔形掏槽孔1深度1.45 m，掏槽孔2取2.8 m，孔底距20 cm，孔口距為140 cm分布，鉆孔斜度由60°～75°分布。掏槽眼從上臺(tái)階底線上方80 cm處向上布，炮眼數(shù)為12個(gè)。

③起爆方式為孔內(nèi)微差起爆。

④每循環(huán)掏槽眼區(qū)位于斷面中線，取中央偏下位置。

圖2 楔形掏槽示意圖

(2)孔網(wǎng)參數(shù)與裝藥量

①預(yù)估炮眼數(shù)量

炮眼數(shù)量按式(3)計(jì)算：

N=qs/γη

(3)

式中，q為開(kāi)挖每立方炸藥消耗量，取0.804 kg/m3；s為開(kāi)挖面積，取61.03 m2；η為炮眼裝藥系數(shù)，取0.4；γ為每m長(zhǎng)度炸藥的重量。

通過(guò)計(jì)算得出，炮眼數(shù)量為N=98個(gè)孔；另設(shè)單個(gè)導(dǎo)洞掏槽孔6個(gè)，周邊孔42個(gè)。

②炮眼深度

考慮到IV級(jí)圍巖及爆破振動(dòng)控制要求，上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺按2.4 m設(shè)計(jì)，則炮眼的平均深度取2.5 m，掏槽眼深度取2.7 m。下臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺為2.4 m，炮眼的平均深度取2.5 m。

③炮眼裝藥量

每個(gè)炮眼裝藥量可按式(4)計(jì)算，即：

Q=ηlr

(4)

式中，η為炮眼裝藥系數(shù)，掏槽眼取0.5，輔助眼取0.4，周邊眼取0.2；l為炮眼深度；r為每m長(zhǎng)度炸藥量。

IV級(jí)圍巖兩臺(tái)階法開(kāi)挖上臺(tái)階時(shí)，按照式(4)計(jì)算，可得炮眼參數(shù)匯總?cè)绫?所示。開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)，炮眼參數(shù)匯總?cè)绫?所示，炮眼布置圖如圖3所示。

表4 單線Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階爆破參數(shù)表

表5 單線Ⅳ級(jí)圍巖下臺(tái)階爆破參數(shù)表

(3)填塞長(zhǎng)度

堵塞長(zhǎng)度L= (20～30)d，d為炮孔直徑mm。淺孔爆破的填塞長(zhǎng)度一般取20倍孔徑，孔徑φ42 mm的爆破孔填塞長(zhǎng)度大于0.8 m，并且采用密度較大的粘土進(jìn)行密實(shí)堵塞。對(duì)于堵塞段無(wú)水的炮孔，孔口一律用濕黃土，土中不得夾有石塊。堵塞時(shí)，應(yīng)邊填土邊輕輕搗實(shí)，少填勤搗，防止卡孔。有水的炮孔采用細(xì)沙堵塞，不得夾雜塊徑超過(guò)3 mm以上沙子。

(4)裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽眼和輔助眼采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊眼采用空氣間隔裝藥，裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4 爆破安全影響分析

4.1 爆破振動(dòng)安全

爆破振動(dòng)安全校核可采用式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中，v為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，單位(cm/s)；Qmax為延時(shí)爆破時(shí)最大一段藥量，單位(kg)；R為保護(hù)對(duì)象距離爆破點(diǎn)振動(dòng)距離，單位(m)；K、a分別為與爆破點(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)。K取150，a取1.5。

滿足臨近營(yíng)業(yè)線控制爆破施工安全要求。

4.2 爆破飛石安全

飛石的飛散距離受地形、風(fēng)向和風(fēng)力、堵塞質(zhì)量、爆破參數(shù)等的影響，本文采用式(6)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算：

Rf=20n2WKf

(6)

式中，Rf為爆破飛石安全距離，m；Kf為安全系數(shù)，一般取K為1.0 ～ 1.5；n為爆破作用指數(shù)，n取0.7；W為最小抵抗線，m。

本工程為增加安全性，取安全系數(shù)K=1.5、n=0.7、W=0.8，故:

Rf=20n2WKf=20×0.72×0.8×1.5=11.8 m

本次飛石能產(chǎn)生的最遠(yuǎn)距離為11.8 m，參考《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)[15]，并結(jié)合周邊環(huán)境因素，在安全防護(hù)到位的前提下，以爆區(qū)以100 m作為警戒范圍。

4.3 爆破沖擊波安全

空氣沖擊波到達(dá)一定值后，會(huì)對(duì)周圍人員、建筑物和設(shè)備造成破壞。鉆孔爆破超壓采用式(7)計(jì)算：

(7)

式中，K、a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，一般爆破K=1.48，a=1.55。

將Q= 50 kg，R=100 m，代入公式后，計(jì)算得ΔP=0.009×105Pa，空氣沖擊波超壓值小于空氣沖擊波超壓的安全允許標(biāo)準(zhǔn)0.02×105Pa，能確保在離爆區(qū)中心100 m范圍內(nèi)能確保人員不受傷害。

4.4 爆破有害氣體安全

有害氣體的安全距離按式(8)計(jì)算：

Rg=(0.833KiQb∑Δ)/S

(8)

式中，Rg為有毒氣體的安全距離，m；K為通風(fēng)系數(shù)，通風(fēng)時(shí)0.84，不通風(fēng)時(shí)取1，本次取1計(jì)算；i為爆破工作面相通連的巷道數(shù)目有關(guān)的值，取1.0；Q為炸藥量(kg)，總藥量取250 kg；b為每千克炸藥產(chǎn)品的有毒氣體量，一般為0.9m3/kg；∑△為爆區(qū)炮煙通往附近巷道的總體積(m3)，取2.5；S為作業(yè)斷面面積，以隧道上臺(tái)階面積計(jì)算S=65 m2。

通過(guò)式(8)計(jì)算得到的Rg為8.27 m，爆破作業(yè)后炮煙安全允許在8.27 m，需充分做好排氣通風(fēng)工作，待爆破作業(yè)點(diǎn)有害氣體徹底排除后，作業(yè)人員方可進(jìn)洞檢查和作業(yè)，必要時(shí)可用水噴灑爆堆。

4.5 爆破噪音和粉塵安全

爆破時(shí)，產(chǎn)生噪音擴(kuò)散和衰減很快，影響較小，爆破時(shí)應(yīng)做好通知告示等，避免爆區(qū)周邊不知情人員驚嚇和恐慌。爆破時(shí)，人員應(yīng)撤出距爆點(diǎn)正前方300 m外的安全地點(diǎn)。施工中做好機(jī)械通風(fēng)工作，保證每個(gè)人每分鐘有3 m3新鮮空氣。爆破后需及時(shí)排氣通風(fēng)，并用噴水降塵的方法，確保人員安全。

5 爆破工程防護(hù)措施

爆破工程對(duì)既有工程的影響主要為爆破振動(dòng)，除了滿足一次齊爆最大用藥量要求外，還應(yīng)采取以下措施。

(1)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，嚴(yán)格控制每次爆破規(guī)模、最大單響裝藥量。

(2)用多段微差起爆技術(shù)，變能量一次釋放為多次釋放，減小每次爆破的能量；將振幅較大的地震波變成多個(gè)振幅較小的地震波，從而減小爆破振動(dòng)的強(qiáng)度。分段越多，振幅越小，爆破振動(dòng)也越小。秒差爆破的地震波強(qiáng)度取決于其中最大的一段藥量。

(3)嚴(yán)格按照被保護(hù)目標(biāo)的抗震能力，及其與爆點(diǎn)的相對(duì)距離等確定的一段(次)最大起爆藥量進(jìn)行裝藥和分段，把爆破震動(dòng)引起的地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，控制在周圍需保護(hù)設(shè)施所允許的振動(dòng)速度(即安全震動(dòng)速度)以下，確保被保護(hù)目標(biāo)的安全。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)結(jié)合隧道基本情況，確定不同圍巖級(jí)別的爆破方案。通過(guò)單段允許藥量計(jì)算可知，爆點(diǎn)的最大單段藥量允許值，隨著與保護(hù)對(duì)象的距離的增大而逐漸增加。圍巖等級(jí)越高，其隧道單耗估算值越大。

(2)按照對(duì)既有隧道振速不大于1cm/s的控制指標(biāo)，進(jìn)行IV級(jí)圍巖的爆破方案設(shè)計(jì)，并確定爆破參數(shù)。

(3)通過(guò)對(duì)爆破安全影響分析可知，爆破振動(dòng)滿足臨近營(yíng)業(yè)線控制爆破施工安全要求；爆破飛石、空氣沖擊波、有害氣體及粉塵等對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響可忽略，并提出相應(yīng)的爆破防護(hù)措施。