馬運新　傅鶴林　李朋　黃齊兵

摘要：草籽崗隧道臨近既有杭深鐵路大山腦隧道，此為該隧道工程爆破施工的難點。文章分析了隧道爆破對近接既有運營隧道的影響，提出彈性區(qū)的振動波是對既有隧道造成損傷的主要原因，并提出了針對性的施工方案。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件;隧道近接;爆破;監(jiān)測

中圖分類號：U455.6

0 引言

鉆爆法由于具有工序簡單、經(jīng)濟合理等優(yōu)點，在地下工程施工中被廣泛應(yīng)用。但是，該法也給距爆炸源一定范圍內(nèi)已開挖地下工程的安全和穩(wěn)定帶來了重大影響[1]。

李興華等[2]采用波函數(shù)展開法，推導(dǎo)了無限巖石介質(zhì)中爆破地震波作用下隧道圍巖動應(yīng)力集中系數(shù)的表達式;葉培旭等[3]結(jié)合南山下隧洞下穿溫福客運專線錢倉山隧道工程，實時監(jiān)測了近距離交叉隧洞爆破施工對既有隧道的振動影響，發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)洞先行預(yù)留光面爆破，導(dǎo)洞爆破掏槽眼、周邊眼及底板眼分開起爆，控制最大段裝藥量等措施，可有效地降低爆破振動影響，控制其對近接隧道的影響;王新宇等[4]為保證既有線的安全運營，采用ANSYS LS-DYNA軟件建立了隧道的有限元模型，結(jié)合既有線振動速度的實測數(shù)據(jù)，采用質(zhì)點振速判據(jù)評估了下穿隧道爆破施工時既有線結(jié)構(gòu)的安全性，保障了下穿隧道施工時既有隧道的運營安全;文獻[5-7]通過模型實驗對圍巖在爆破振動作用下的動態(tài)響應(yīng)進行了研究;文獻[8-12]通過現(xiàn)場的監(jiān)測工作和數(shù)據(jù)反饋，動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化了具體洞段的鉆爆參數(shù)及工藝，確保了隧洞安全順利穿越敏感區(qū)域。

本文依托G228陸埠互通及S319丈亭互通草籽崗隧道工程，在重難點施工分析基礎(chǔ)上研究隧道爆破對近接既有運營隧道的影響，并給出相應(yīng)的施工方案，為近接既有隧道爆破施工提供指導(dǎo)與借鑒。

1 項目概況

G228陸埠互通及S319丈亭互通工程位于浙江省慈溪市、余姚市境內(nèi)，線路在余姚市丈亭鎮(zhèn)梅溪村南部需對草籽崗隧道進行穿越。該隧道最大埋深為130 m，為雙向六車道，公路等級為一級，設(shè)計時速為80 km/h。該隧道左右洞分離，左洞和右洞均>1 000 m，為分離式長隧道。隧道設(shè)置表如表1所示。

草籽崗隧道左線全長為1 130 m（起止里程為ZK25+840～ZK26+970），其中Ⅴ級圍巖長135 m，Ⅳ級圍巖長405 m，Ⅲ級圍巖長590 m;右線全長為1 180 m（起止里程為YK25+800～YK26+980），其中Ⅴ級圍巖長130 m，Ⅳ級圍巖長485 m，Ⅲ級圍巖長565 m。進口端明洞長約10 m，左右雙洞洞門均采用端墻式洞門;出口端明洞長約20 m，左右雙洞洞門均采用削竹式洞門。隧道單洞行車道為3×3.75 m，單洞建筑限界總寬度為14 m，凈高為5 m。隧道圍巖分級如表2所示。

由表2可知：草籽崗隧道左洞圍巖以Ⅲ級、Ⅳ級為主，其中Ⅲ級圍巖約占50%，Ⅴ級圍巖最少，圍巖工程性質(zhì)較好;右洞以Ⅲ級、Ⅳ級圍巖為主，Ⅲ級、Ⅳ級圍巖長度相當(dāng)，Ⅴ級圍巖最少，圍巖工程性質(zhì)較好。在Ⅳ～Ⅴ級圍巖處，應(yīng)加強支護，并及時襯砌;在溝谷、構(gòu)造作用處及兩側(cè)附近，地下水富集，隧道開挖易產(chǎn)生滲水、淋水等問題，建議加強超前預(yù)報。

2 難點分析

雖然隧道路線走廊帶內(nèi)未見對路線方案選擇有重大影響的不良地質(zhì)作用，總體適宜項目建設(shè)，但草籽崗隧道臨近既有杭深鐵路大山腦隧道，此為該工程的難點。草籽崗隧道出口端與大腦山隧道水平相距大約965 m，而進口端距大山腦隧道較近，水平相距大約50 m。

新建勝陸公路東西分幅，均以路塹跨越杭深鐵路大山腦隧道，再接新建草籽崗隧道。東幅中心線對應(yīng)鐵路里程大致為杭深下行線K275+027處，交角約55.2°;西幅中心線對應(yīng)鐵路里程大致為杭深下行線K274+985處，交角約54.8°。公路設(shè)計路面與鐵路隧道洞頂垂直距離>31 m。新建草籽崗隧道小里程方向洞口距離既有杭深鐵路大山腦隧道水平距離最近處約50 m（實際>50 m）。隧道Ⅴ級圍巖段爆破區(qū)域距離既有鐵路最近處約50 m（實際>50 m）;隧道Ⅳ級圍巖段爆破區(qū)域距離既有鐵路最近處約150 m（實際>150 m）;隧道Ⅲ級圍巖段爆破區(qū)域距離既有鐵路最近處約200 m（實際>200 m）。詳細平面關(guān)系如圖1所示。

3 爆破分析

炸藥爆炸過程相當(dāng)之復(fù)雜，根據(jù)文獻[13]可知，由于用來裝藥的炮孔空間狹小，待雷管引爆炸藥后，沖擊荷載由之產(chǎn)生并相當(dāng)巨大，瞬間作用于炮孔的孔壁之上，隨之周圍土體將產(chǎn)生強烈振動，進一步加快爆破振動波在土體中的傳播速度。與此同時，巖土體由于彈性不強，在沖擊荷載下，孔洞周圍的巖土體將產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，變?yōu)樗槭w粒，進而形成破碎區(qū)。另一方面，周圍土體對破碎區(qū)具有一定的約束作用，因此破碎區(qū)的范圍一般較小，然而大部分的振動能量都消耗于該處，振動波的應(yīng)力大小急劇減小，且能量減小后的振動波繼續(xù)向周圍巖土體傳播。盡管振動波能量大幅降低不足以對巖土體產(chǎn)生破壞，但仍然會使得巖土體產(chǎn)生非彈性變形，進而形成裂縫區(qū)。此時振動能量波雖然繼續(xù)減小，但是減少量變小且減少速率變低，一般裂縫區(qū)范圍會大于破碎區(qū)范圍。隨著傳播距離的不斷增大，振動波的能量也不斷減小，此時巖土體只會產(chǎn)生小范圍的彈性運動，并不會對土體產(chǎn)生任何破壞，此區(qū)域稱之為彈性區(qū)。彈性區(qū)的范圍遠大于破碎區(qū)及裂縫區(qū)，且一般來講彈性區(qū)的振動波是對既有隧道造成損傷的主要原因[14]。爆破振動波影響區(qū)域如圖2所示。

4 施工方案

鑒于上述情況，建立隧道施工方案如下。

草籽崗隧道進口在與杭深鐵路隧道結(jié)構(gòu)外緣水平距離50 m范圍內(nèi)根據(jù)相關(guān)要求不得采取爆破施工;水平距離50 ～1 000 m洞身開挖采用機械開挖+微弱爆破時，應(yīng)采用風(fēng)鉆打設(shè)炮眼，單次爆破炸藥用量不得>30 kg，懸臂挖機配合進行開挖;隧道距離出洞還有45 m時采用機械開挖方式掘進，保障臨近鐵路隧道的運行安全。隧道開挖方法分段說明如圖3所示。

根據(jù)爆破區(qū)域周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等相關(guān)要求，并結(jié)合本工程所處的爆破地理位置和環(huán)境的總體考量，針對工程開挖特點和環(huán)境條件，對于不同類型和不同巖體采用如下方法開挖：

（1）隧道掘進采用單向掘進開挖，自大里程向小里程方向推進（距離杭深鐵路附近的進口段后挖）。在距出洞口約15 m時，先掘進1.8 m×1.8 m小斷面，然后再從進洞口開挖。

（2）隧道進口明洞采取露天淺孔松動爆破，臺階高度為1～5 m。

（3）隧道洞身Ⅲ級圍巖斷面寬度為16.25 m，高度為9.58 m，面積為123.24 m2，采用全斷面法開挖，每循環(huán)進尺為2.7 m，隧道洞身Ⅲ級圍巖段緊急停車帶采用臺階法進行開挖，每循環(huán)進尺為2.7 m。

（4）隧道洞身Ⅳ級圍巖斷面寬度為16.61 m，高度為9.67 m，面積為147.64 m2，采用上下臺階法開挖，每循環(huán)進尺為1.6 m。

（5）隧道洞身Ⅴ級圍巖斷面寬度為16.95 m，高度為10.33 m，面積為158.89 m2。一般深埋段采用環(huán)形開挖留核心土法開挖，每循環(huán)進尺為0.9 m;洞口段、全風(fēng)化富水破碎帶Ⅴ級圍巖采用中隔壁（CD）法開挖，循環(huán)進尺為0.9 m。

（6）隧道人行橫洞面積為8.31 m2，采用全斷面開挖，每循環(huán)進尺為1.6 m;車行橫洞面積為47.51 m2，采用臺階法開挖，每循環(huán)進尺為2.7 m。

根據(jù)工程施工特點，按照外部施工各個階段的工期安排，對杭深鐵路的監(jiān)測頻率為：在施工開始之后的每次爆破時進行監(jiān)測[15]。當(dāng)監(jiān)測值超過預(yù)警值時，應(yīng)及時通知施工單位調(diào)整爆破參數(shù)，以最大可能地避免爆破振動超過相應(yīng)的安全允許值，保證運營隧道的安全。

5 結(jié)語

本文以G228陸埠互通及S319丈亭互通草籽崗隧道為依托工程，從地形地貌、地質(zhì)條件、水文條件等方面分析了隧道爆破對近接既有運營隧道的影響。結(jié)果表明，爆破振動波影響區(qū)域分為彈性區(qū)、裂縫區(qū)及破碎區(qū)，其中彈性區(qū)的振動波是對既有隧道造成損傷的最主要原因。同時，給出了相應(yīng)的施工方法及監(jiān)測方法，為該工程的安全提供了保障，可為其他類似工程提供參考。

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作者簡介：

馬運新（1985—），工程師，研究方向：隧道技術(shù)管理;

傅鶴林（1965—），博士，教授，研究方向：隧道技術(shù);

李 朋（1989—），工程師，研究方向：施工技術(shù)管理;

黃齊兵（1997—），碩士，研究方向：隧道技術(shù)。