摘要：既有鐵路隧道在巖溶裂隙區(qū)段，遇地表強(qiáng)降雨易產(chǎn)生涌水涌砂甚至線路上拱等病害，病害整治過程中對鐵路運(yùn)輸秩序影響較大。本文結(jié)合工程整治實(shí)例，闡述了某隧道在實(shí)施排水整治開挖工程時(shí)，面對大型施工機(jī)械受限，小型機(jī)械不滿足作業(yè)工況的情況，采取淺孔爆破工法進(jìn)行施工的可行性研究、方案設(shè)計(jì)、監(jiān)控量測及實(shí)施成效分析，達(dá)到了預(yù)期的整治效果，可供類似的工程參考。

關(guān)鍵詞：隧道；淺孔爆破；營業(yè)線施工

作者簡介：龔聲庭，男，工程師。

為滿足鐵路的運(yùn)營安全要求，鄰近鐵路營業(yè)線隧道原則上采用機(jī)械施工。但在某些工況條件下，既有的施工機(jī)械受限，可在滿足安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則下，進(jìn)行爆破專項(xiàng)設(shè)計(jì)，采取合適的技術(shù)措施，并對爆破振動(dòng)等問題進(jìn)行安全評估后，采取爆破施工。

1工程概況

某鐵路2014年底開通運(yùn)營，2018年進(jìn)行設(shè)備補(bǔ)強(qiáng)改造后開行動(dòng)車組。某隧道位于某鐵路線路上，中心里程K342+500，全長4 390 m，為單線電氣化鐵路隧道。隧道洞身穿越巖性為片麻巖夾大理巖，最大埋深295 m，大理巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶水豐富。為解決右側(cè)涌水涌砂病害，2018年開始在隧道進(jìn)口右側(cè)40 m處增設(shè)了一座長1 106 m的泄水洞，并在K341+202正洞下設(shè)置了3.4 m×3.7 m的隧底暗涵。2022年強(qiáng)降雨再次發(fā)生災(zāi)害后，主要采取在平行于正洞左側(cè)25 m處設(shè)置14 m泄水洞和垂直線路方向設(shè)置15.75 m的1號集水廊道的方案，通過既有隧底暗涵引排地下水。新建左側(cè)泄水洞及新建1號集水廊道平面位置關(guān)系如圖1所示。

為確保某鐵路運(yùn)輸安全暢通，消除病害限速點(diǎn)，2022年6月開始對此次病害進(jìn)行整治。新建泄水洞與新建集水廊道排水坡度均為3‰，新建左側(cè)泄水洞開挖掌子面尺寸為4.94 m×5.52 m，新建1號集水廊道開挖掌子面尺寸為4.4 m×4.5 m。新建泄水洞開挖初始基底高程與正洞內(nèi)軌頂面高差為3 197 mm，泄水洞末端開挖輪廓頂高程高于軌面2 365 mm、集水廊道末端開挖輪廓頂高程高于軌面1 398 mm。隧底開挖的初步方案為采用機(jī)械配合人工開挖。新建構(gòu)筑物與線路內(nèi)軌頂面關(guān)系如圖2所示。

2施工難點(diǎn)分析

（1）機(jī)械施工受限，工期不可控。經(jīng)市場調(diào)查，開挖掌子面尺寸及既有轉(zhuǎn)彎半徑不滿足隧道掘進(jìn)機(jī)作業(yè)要求。采用人工水磨鉆作業(yè)，每進(jìn)尺掘進(jìn)深度為0.5 m，開挖工況為6天/循環(huán)，需要29.75÷0.5×6÷30月=11.9月；采用履帶式水磨鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)，每進(jìn)尺掘進(jìn)深度可到0.7 m，但由于巖層堅(jiān)硬、巖性完整、無裂縫及出水點(diǎn)（圖3），鉆孔及劈裂耗時(shí)較長，開挖工況縮短為3.5天/循環(huán)，需要29.75÷0.7×3.5÷30月=4.9月，之后還需進(jìn)行支護(hù)和襯砌作業(yè)，機(jī)械開挖工期受限。

（2）慢行時(shí)間長，次生風(fēng)險(xiǎn)高。病害整治施工期間，慢行限速45 km/h，施工時(shí)間越長、慢行時(shí)間就越長。特別是汛期若不能盡快形成排水抗洪能力，既有線下廊道降雨后會形成涌水，如圖4所示，產(chǎn)生的次生安全問題風(fēng)險(xiǎn)更高，不能滿足營業(yè)線病害整治的快速、及時(shí)要求。

（3）施工成本增加，作業(yè)組織困難。隧道內(nèi)作業(yè)屬特殊工種，作業(yè)難度大，人工成本高，在大型機(jī)械不能使用的情況下，人工的工日消耗量就會大大超出定額，投入和產(chǎn)出不成比例。

3爆破方案優(yōu)勢及施工條件

3.1爆破方案的優(yōu)勢

（1）加快施工進(jìn)度，形成抗汛能力。為加快施工進(jìn)度，盡快形成抗汛能力，倒排工期，發(fā)現(xiàn)新建泄水洞和集水廊道的掌子面開挖是關(guān)鍵線路上的關(guān)鍵工序，必須采取措施才有可能達(dá)成目標(biāo)。

（2）降低施工對運(yùn)輸?shù)挠绊憽Ｃ咳毡谱鳂I(yè)僅需天窗90 min，主要是進(jìn)行開通條件檢查，即爆破作業(yè)完成后檢查安全作業(yè)條件、監(jiān)控量測及確認(rèn)線路、供電等設(shè)備安全狀況。對天窗時(shí)長需求大幅減少，整治完成后可消除病害限速，將施工對運(yùn)輸?shù)挠绊懕M可能降低。

（3）降低施工成本及工程投資。采用爆破作業(yè)，主要工種為炮孔鉆孔工，其余配合裝藥、覆蓋、出渣即可，一般工人可完成，單項(xiàng)施工成本降低。從整體來看，縮短工期，大幅減少人工投入和機(jī)械設(shè)備占用時(shí)間，單位工程投資大幅降低。

3.2爆破方案的施工條件

（1）對正洞采取預(yù)加固措施。對新建集水廊道中線兩側(cè)各3 m范圍對應(yīng)正洞，采用42 mm長度5 m鋼花管徑向注漿加固，鋼花管環(huán)、縱向間距為2 m×2 m，對隧道拱墻進(jìn)行預(yù)加固。

（2）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。對新建泄水洞采取超前鉆探，發(fā)現(xiàn)巖層、巖性未發(fā)生變化，無破碎和出水、出泥情況，采取控制爆破工法進(jìn)行開挖，按照3天/延米的進(jìn)度推進(jìn)，剩余開挖量29.75延米/628.44 m3，預(yù)計(jì)3個(gè)月可完成。

基于以上分析，新建泄水洞和新建集水廊道開挖可采用爆破方案。

4爆破方案

4.1總體方案

為充分發(fā)揮圍巖的自承能力，減輕對圍巖的振動(dòng)破壞，采用淺孔松動(dòng)爆破技術(shù)。掏槽孔和輔助孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

4.1.1泄水洞方案

泄水洞平行于正洞，兩者最小距離為19.47 m，設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m，炮孔利用率為85%，采用電子雷管分段延時(shí)起爆網(wǎng)路。為控制爆破振動(dòng)，采用電子雷管全斷面光面爆破起爆網(wǎng)路，聯(lián)結(jié)網(wǎng)路示意如圖5所示。

按照掏槽孔、輔助孔、周邊孔的順序依次分段起爆，同類型孔間間隔時(shí)間為10 ms，不同類型孔間間隔50 ms，掏槽孔最多同時(shí)起爆兩個(gè)炮孔，輔助孔最多同時(shí)起爆2個(gè)炮孔，周邊孔最多同時(shí)起爆8個(gè)炮孔，使最大單響藥量控制在3.4 kg范圍之內(nèi)。泄水洞爆破參數(shù)見表1。

4.1.2集水廊道方案

新建1號集水廊道垂直于正洞，為控制爆破振動(dòng)，距離正洞7 m范圍之外采用短進(jìn)尺（0.8 m）光面爆破，爆破開挖長度為12.69 m，最大單響藥量控制在0.7 kg范圍之內(nèi)，爆破參數(shù)見表2。7 m以內(nèi)采用短進(jìn)尺（0.8 m）分臺階預(yù)裂爆破開挖法，爆破開挖長度3.06 m，炮孔利用率為85%，采用電子雷管逐孔起爆網(wǎng)路，按照預(yù)裂孔、掏槽孔、輔助孔的順序依次逐孔起爆。最大單響藥量控制在0.3 kg范圍之內(nèi)，做到一次用藥少、多次爆破減小震動(dòng)，爆破參數(shù)中孔數(shù)和藥量比照光面爆破的一半進(jìn)行。

4.2爆破震動(dòng)驗(yàn)算

爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)可用薩式公式［1］來計(jì)算。允許最大單響藥量為

Q=R3（V/K）3/ɑ

式中Q——安全條件下允許的最大一次齊爆藥量（kg）；

R——裝藥幾何中心至被保護(hù)建筑距離（m）；

V——建筑物安全允許的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度（cm/s），取值見表3［2］；

K，ɑ——與地質(zhì)條件及地震波衰減有關(guān)的系數(shù)，本處取K=100，ɑ=1.5［3］43。

本工程中的某隧道為單線隧道，地下淺孔爆破震動(dòng)頻率為60～300 Hz［3］43，本處爆破震動(dòng)速度允許值取下限8 cm/s。根據(jù)以上分析，震動(dòng)速度計(jì)算對比見表4。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，保護(hù)目標(biāo)處的爆破震動(dòng)速度小于安全允許震速。

4.3試爆和爆破作業(yè)流程

（1）試爆孔深0.6～0.8 m，每孔裝藥量0.2～0.3 kg，進(jìn)行試爆。試爆完畢后監(jiān)測對既有隧道設(shè)備的影響和圍巖的爆破效果，逐次增加孔深和藥量，修正爆破參數(shù)，達(dá)到正常爆破作業(yè)條件。

（2）爆破作業(yè)流程：放樣布孔→定位開孔→鉆孔→清孔、裝藥→聯(lián)結(jié)起爆網(wǎng)絡(luò)→申請?zhí)齑啊洹⑵鸨祲m通風(fēng)→瞎炮檢查→線路設(shè)備檢查→洞身監(jiān)控量測→開通區(qū)間。上一道工序驗(yàn)收不合格的嚴(yán)禁進(jìn)行下一道工序作業(yè)。

4.4安全防護(hù)和應(yīng)急

（1）爆破防護(hù)。爆破處于地下較小的空間中，爆破區(qū)域內(nèi)空氣沖擊波較大，通過隧道轉(zhuǎn)角時(shí)迅速變小，一次轉(zhuǎn)角爆破產(chǎn)生空氣沖擊波減少50%左右。為保證爆破安全，爆破時(shí)，警戒區(qū)域內(nèi)人員、設(shè)備必須撤離到警戒線以外。

（2）設(shè)備損壞應(yīng)急。由供電設(shè)備管理單位準(zhǔn)備備用的接觸網(wǎng)絕緣設(shè)備、接觸網(wǎng)斷線應(yīng)急材料及處置設(shè)備各1套，在現(xiàn)場存放，現(xiàn)場供電人員配合。

（3）應(yīng)急處理機(jī)制。在爆破前建立應(yīng)急小組，由爆破單位協(xié)同負(fù)責(zé)，每次爆破作業(yè)，應(yīng)急處理人員、材料、機(jī)具、汽車全數(shù)在指定區(qū)域內(nèi)待命。

4.5監(jiān)控檢查

（1）測震儀監(jiān)測。每次爆破作業(yè)采用專用測震儀進(jìn)行震速測量，確保營業(yè)線設(shè)備安全，如圖6所示，測震儀顯示某6次爆破震速監(jiān)測最大為4.33 cm/s。施工中最大震速未超過對應(yīng)斷面的安全允許值。

（2）監(jiān)控量測。每10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，使用全站儀對新建左側(cè)泄水洞、新建1號集水廊道及既有正洞進(jìn)行監(jiān)控量測，檢測內(nèi)容包括水平收斂、拱頂下沉、位移監(jiān)測。整個(gè)施工過程中，收斂值當(dāng)日最大變化量為-0.9 mm，累計(jì)最大變化量為-2.6 mm；沉降值當(dāng)日最大變化量-1.0 mm，累計(jì)變化量為-3.3 mm，均在方案和規(guī)范允許范圍內(nèi)。

（3）線路設(shè)備檢查。每次爆破作業(yè)后，由檢查小組對線路軌道幾何尺寸、接觸網(wǎng)設(shè)備、襯砌穩(wěn)固等進(jìn)行測量和檢查，確保達(dá)到列車放行條件。

5爆破注意事項(xiàng)

（1）“短進(jìn)尺，弱爆破”。采用短進(jìn)尺爆破，泄水洞控制在1.6 m范圍之內(nèi)，集水廊道控制在0.8 m范圍之內(nèi)，嚴(yán)格控制一次爆破循環(huán)藥量。

（2）分段延時(shí)起爆。電子雷管采用二維碼編號管理，根據(jù)爆破方案不同孔眼位置和性質(zhì)進(jìn)行掃碼延時(shí)記錄，是從源頭控制分段延遲起爆有效實(shí)施的技術(shù)手段。

（3）成孔質(zhì)量是關(guān)鍵。逐個(gè)檢查炮孔孔位、孔深、傾斜角度，孔內(nèi)是否暢通、有無積水，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理；嚴(yán)格控制單孔藥量，確保填塞質(zhì)量和填塞長度。

（4）布藥的分散性和臨空面。增加布藥的分散性和臨空面可以減小振動(dòng)公式中的K值和a值，減小爆破振動(dòng)的強(qiáng)度，做到多打孔、少裝藥。

（5）統(tǒng)一指揮。按爆破專項(xiàng)方案設(shè)置警戒后，施工負(fù)責(zé)人必須保證天窗命令下達(dá)，人員撤離和覆蓋有效后，才能對爆破負(fù)責(zé)人下達(dá)起爆命令。

6爆破成效

（1）施工安全得到有效控制。爆破作業(yè)中未發(fā)生設(shè)備損壞及應(yīng)急處理情況，未出現(xiàn)天窗延點(diǎn)。隧道襯砌和線路預(yù)加固措施有效，開挖過程中未出現(xiàn)坍塌，施工安全有序可控。

（2）減少施工對運(yùn)輸?shù)挠绊?。掌子面爆破開挖作業(yè)利用27個(gè)天窗49天慢行完成，較小型機(jī)械開挖減少100天，比施工方案預(yù)期提前41天，極大地減少了施工對運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

（3）施工進(jìn)度滿足工期要求。平均每次爆破開挖量達(dá)15.3 m3，而人工開挖日均進(jìn)度只能完成4.2 m3，日進(jìn)度是人工開挖的3.6倍，主汛期順利完成關(guān)鍵線路開挖作業(yè)。

（4）取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。采用淺孔松動(dòng)爆破開挖，有效控制了掌子面超、欠挖，提高施工效率的同時(shí)節(jié)約了施工成本，采用淺孔松動(dòng)爆破開挖比人工開挖作業(yè)節(jié)約施工成本約30%。

7結(jié)語

既有線隧道進(jìn)行集水廊道和泄水洞等地下排水施工，在大型施工機(jī)械受限，小型機(jī)械不滿足作業(yè)工況的情況下，結(jié)合開挖地質(zhì)揭示和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在對正洞襯砌采取預(yù)加固措施后，采取淺孔松動(dòng)爆破的施工方安全有效，能夠快速消除病害形成抗洪能力，可供類似施工借鑒。

參考文獻(xiàn)

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