賀偉奇HE Wei-qi

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，石家莊 050000）

0 引言

目前，隧道開(kāi)挖常采用鉆爆法，設(shè)計(jì)階段主要考慮地質(zhì)條件、開(kāi)挖斷面、開(kāi)挖方法、掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺、鉆眼機(jī)具、爆破器材及環(huán)境要求等因素，設(shè)計(jì)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(shí)，采用鉆爆法一方面要嚴(yán)格控制開(kāi)挖后地表及圍巖沉降，另一方面需考慮爆破過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)影響，這是不同于山嶺隧道鉆爆設(shè)計(jì)的主要區(qū)別?！侗瓢踩?guī)程》（GB6722-2014）中對(duì)不同類(lèi)型建（構(gòu)）筑物、設(shè)施設(shè)備等保護(hù)對(duì)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(jìn)行鉆爆法開(kāi)挖設(shè)計(jì)，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(jìn)。

表1 爆破振動(dòng)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(dòng)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(duì)位置如圖1 所示，在各里程橫斷面上的相對(duì)位置如圖2 所示（以DK42+030 里程為例）。通過(guò)平面圖和橫斷面圖，可以測(cè)量計(jì)算出建筑物距隧道最小距離，即爆破時(shí)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(duì)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(kāi)挖設(shè)計(jì)

2.1 確定最大單段藥量

大量工程實(shí)踐證明，振動(dòng)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(qiáng)，破巖時(shí)需要裝填更多炸藥，因此如何控制掏槽爆破振動(dòng)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(dòng)速度不得大于0.5cm/s。計(jì)算最大單段藥量采用修正的薩道夫斯基公式[2]，見(jiàn)式（1）。

式中，V 為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，cm/s；Q 為與振速V 值對(duì)應(yīng)的最大單段起爆藥量，kg；R 為測(cè)點(diǎn)與爆心的直線距離，m；K1為進(jìn)尺修正系數(shù)，取0.3-1；K2、α 分別為與爆破點(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)。

本工程中，進(jìn)尺為1m 左右時(shí)，K1取0.3，進(jìn)尺為2m 左右時(shí)，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(jí)別相同，據(jù)此計(jì)算允許最大單段藥量，見(jiàn)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(jì)

爆破參數(shù)按如下原則設(shè)計(jì)：整體遵循光面爆破的原理，采用毫秒延時(shí)微振控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制最大單段藥量，同時(shí)在振動(dòng)允許的情況下，盡量選擇合適的進(jìn)尺以保證進(jìn)度。以K41+750～K42+050 為例，本里程段為Ⅴ級(jí)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(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階保證每循環(huán)進(jìn)尺2 榀拱架（1.2m），最大單段藥量不超過(guò)1.9kg；上臺(tái)階爆破后，中、下臺(tái)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(dòng)的傳播，可以增加循環(huán)進(jìn)尺為3 榀拱架（1.8m），單孔藥量隨之增加。同時(shí)進(jìn)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(tái)階最大單段藥量不超過(guò)1.6kg。采用數(shù)碼雷管起爆網(wǎng)路，雷管段位和同時(shí)起爆孔數(shù)嚴(yán)格按照?qǐng)D3 的標(biāo)識(shí)要求，其他爆破參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 V 級(jí)圍巖三臺(tái)階法控爆設(shè)計(jì)圖（安全距離為20m）（單位：cm）

表3 Ⅴ級(jí)圍巖三臺(tái)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(jìn)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(shí)。周邊眼在孔口進(jìn)行堵塞，長(zhǎng)度不小于20cm。上臺(tái)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(tái)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(jì)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(kāi)挖爆破的振動(dòng)波，降低周邊建筑物的振動(dòng)峰值。有富余的振速安全儲(chǔ)備時(shí)，可以增大主爆區(qū)單段藥量，提高循環(huán)進(jìn)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(gè)臨空面，受夾制作用強(qiáng)，需要通過(guò)增大孔徑和裝藥量、減小孔間距保證裂縫貫穿炮孔，此時(shí)炮孔周邊圍巖易受到破壞，開(kāi)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(jì)效益欠佳。因此，以降振為主要目的時(shí)，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(jī)沿上臺(tái)階輪廓線以相臨圓方式進(jìn)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(kāi)挖輪廓面平整度。但是本方法增加了一道工序和多臺(tái)鉆孔設(shè)備，延長(zhǎng)了循環(huán)耗時(shí)，提高了施工成本。

3.3 鉆爆法+懸臂式掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合開(kāi)挖法

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是隧道工程中常見(jiàn)的開(kāi)挖機(jī)械，通過(guò)切削刀盤(pán)上的滾刀對(duì)巖面形成滾動(dòng)擠壓進(jìn)行破巖，可以有效地避免振動(dòng)影響，但是應(yīng)用在硬巖中具有開(kāi)挖速度慢、施工成本高等缺點(diǎn)。因此可作為輔助的方法，配合鉆爆法進(jìn)行降振開(kāi)挖。

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

圖4 鉆爆法+懸臂式掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合開(kāi)挖法

上臺(tái)階全斷面機(jī)械開(kāi)挖法和輪廓機(jī)械開(kāi)挖法形成大面積的隔振空間，阻斷了爆破振動(dòng)的直線傳播路徑，延長(zhǎng)了傳播距離，同時(shí)能夠消耗一定的爆破能量，降振作用最為明顯。上臺(tái)階導(dǎo)洞機(jī)械開(kāi)挖法采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)對(duì)掌子面核心巖土進(jìn)行掏槽，一方面消除了上臺(tái)階掏槽爆破引起的振動(dòng)，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(xiàng)目順城隧道淺埋段下穿多座建筑物為工程背景，通過(guò)設(shè)計(jì)研究得出以下結(jié)論與建議。

①采用鉆爆法開(kāi)挖時(shí)，掏槽眼的設(shè)計(jì)是隧道減振控制的關(guān)鍵，通過(guò)合理的計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)得出最大單段藥量，并以此進(jìn)行光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)是基本的、有效的方法，設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)兼顧建筑物的振動(dòng)安全和合理的開(kāi)挖進(jìn)尺。②以降振為目的的爆破方案設(shè)計(jì)，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(tái)階輪廓機(jī)械開(kāi)挖的方法，在主爆區(qū)與保護(hù)對(duì)象之間形成不同寬度的隔振帶起到降振作用。另外采用機(jī)械開(kāi)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(guò)程中可結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)綜合應(yīng)用，進(jìn)一步保證周邊建筑物的安全。③爆破施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的分析結(jié)果，綜合考慮安全、進(jìn)度、成本等因素，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)和降振方法。