城市淺埋隧道微振動(dòng)控爆技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：文章結(jié)合成渝客專新紅巖隧道工程，介紹了其淺埋段施工中采用的非爆破開挖方法、機(jī)械與控制爆破組合開挖方法、控制爆破開挖方法、弱爆破法開挖方法。通過這些開挖方法的綜合應(yīng)用，有效降低了施工振動(dòng)對周邊既有建（構(gòu)）筑物的影響，其經(jīng)驗(yàn)對國內(nèi)其他同類工程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道；微振動(dòng)；控制爆破技術(shù)；隧道工程；隧道開挖方法 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2015）12-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.024

1 工程概況

成渝客專新紅巖隧道位于重慶市沙坪壩至菜園壩之間，為單洞雙線隧道，全長6699m，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，屬極高風(fēng)險(xiǎn)隧道。該隧貫穿重慶市沙坪壩區(qū)和渝中區(qū)兩個(gè)繁華主城區(qū)，隧道上方建（構(gòu)）筑物密布，且部分段落埋深極淺（最小埋深約4m）。隧道穿越丘陵地貌，地表覆蓋人工填土、碎石土、粉質(zhì)黏土，下伏基巖為砂巖、泥巖夾砂巖，巖質(zhì)較硬。地下水主要為孔隙水及基巖裂隙水，對混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

第一，隧道位于重慶市主城區(qū)，隧道上方需要保護(hù)的建（構(gòu)）筑物多，對地表振動(dòng)速度及沉降要求嚴(yán)格。隧道地表上方建筑物總面積近26萬m2，需要拆遷及臨時(shí)安置的房屋近1.2萬m2，包括高層建筑、矮舊居民區(qū)、城市道路、地鐵、學(xué)校、醫(yī)院等。

第二，隧道多次上跨、下穿市政設(shè)施，敏感點(diǎn)多，保護(hù)措施嚴(yán)格。先后上跨、下穿20處市政設(shè)施，交叉影響段落共計(jì)1150m長，最小凈距不足1m。

第三，隧道淺埋地段多且埋深極淺，地質(zhì)以硬質(zhì)巖為主，開挖困難。淺埋段總長1449m，占隧道總長的21.7%，其中埋深15m以內(nèi)的段落長度為504m，最淺埋深僅4m；埋深15～30m段落長度為845m；埋深30～50m段落長度為100m。

3 淺埋段施工方案

在新紅巖隧道施工過程中，根據(jù)埋深不同分別采用非爆破法開挖、機(jī)械與控制爆破組合法開挖、控制爆破法開挖、弱爆破法開挖。其中，弱爆破法開挖控制振速不大于2cm/s，機(jī)械與控制爆破組合法開挖振速不大于0.5cm/s。

通過具體實(shí)踐證明，機(jī)械開挖、數(shù)碼電子雷管控爆及機(jī)械與控爆相結(jié)合的開挖方法是解決城市區(qū)復(fù)雜環(huán)境下淺埋隧道施工振速超標(biāo)的有效新技術(shù)。

4 微振動(dòng)控爆關(guān)鍵技術(shù)

4.1 非爆破開挖技術(shù)

4.1.1 非爆破開挖原理。非爆破切削法是一種新型的隧道開挖方法，針對新紅巖隧道淺埋及穿越建筑物密集段落采用非爆破切削法進(jìn)行施工。設(shè)備采用三一重裝公司生產(chǎn)EBZ260H型單臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，再利用銑挖機(jī)對隧道輪廓線進(jìn)行修整，可解決隧道內(nèi)欠挖修整、內(nèi)表面鑿槽及開挖邊溝等問題。

在中低硬度及以下的巖層、凍土巖層等適合的地層中，單臂掘進(jìn)機(jī)可以直接用于隧道的快速掘進(jìn)施工，尤其在破碎巖層中，開挖速度可達(dá)到30m3/h。

4.1.2 非爆破開挖工藝。單臂掘進(jìn)機(jī)開挖是將隧道掌子面分為六個(gè)部分依次進(jìn)行切削，如圖1所示：

單臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工步驟為：（1）首先進(jìn)行①部開挖，采用左右循環(huán)自下向上的截割方法掘進(jìn)，開挖完成后，進(jìn)行出碴作業(yè)；（2）在①部開挖完畢后移往②部施工，②部開挖方法與①部相同；（3）在①、②部開挖完成后進(jìn)行③、④部開挖，采用銑挖機(jī)左右循環(huán)、自下向上的截割方法開挖；（4）當(dāng)開挖形成的初步斷面與設(shè)計(jì)斷面存在差別時(shí)，采用銑挖機(jī)進(jìn)行二次修整；（5）作業(yè)結(jié)束，將掘進(jìn)機(jī)退至安全區(qū)域，并將截割頭及鏟板落地。按操作順序停機(jī)后，關(guān)閉水門，吊掛好電纜和水管；（6）開挖⑤部、⑥部，同樣采用左右循環(huán)、自下向上的截割方法掘進(jìn)，開挖完成后，裝載機(jī)配合自卸車出碴；（7）上述開挖工序結(jié)束后，對隧道進(jìn)行初期支護(hù)施工。

4.1.3 在本工程中的應(yīng)用。新紅巖隧道進(jìn)口覆蓋層15m以內(nèi)淺埋段（共42m）采用單臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行非爆破開挖，該段落巖層為風(fēng)化砂巖，巖體完整，巖質(zhì)較硬，強(qiáng)度約40MPa。因單臂掘進(jìn)機(jī)的定位掘進(jìn)寬度為6.2m，而新紅巖隧道上臺階斷面寬約11.5m，結(jié)合單臂掘進(jìn)機(jī)的截割特點(diǎn)，現(xiàn)場將上臺階斷面分成左右兩側(cè)分部進(jìn)行截割。上臺階左側(cè)截割約2h后，因掘進(jìn)機(jī)前碎碴較多須暫停掘進(jìn)，移動(dòng)掘進(jìn)機(jī)至右側(cè)，利用挖機(jī)將截割的碎碴運(yùn)至掘進(jìn)機(jī)后方，待碎碴清除完畢后，單臂掘進(jìn)機(jī)回到左側(cè)繼續(xù)截割，同時(shí)裝載機(jī)可以配合自卸車出碴。待單臂掘進(jìn)機(jī)完成上臺階左側(cè)的開挖作業(yè)，再將設(shè)備移至右側(cè)，開始掘進(jìn)作業(yè)。右側(cè)的開挖方法和施工流程與左側(cè)相同。

在本工程使用單臂掘進(jìn)機(jī)施工，機(jī)械開挖時(shí)對地表建（構(gòu)）筑物的擾動(dòng)基本為零，所以對于埋深15m以下且地面建筑物密集段，采用非爆破開挖的單臂掘進(jìn)機(jī)施工效果很好。

4.2 數(shù)碼電子雷管控爆技術(shù)

4.2.1 數(shù)碼電子雷管降振原理。數(shù)碼電子雷管是一種可以任意設(shè)定并準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)延期發(fā)火時(shí)間的新型電雷管，其本質(zhì)是采用一個(gè)微電子芯片取代普通電雷管中的化學(xué)延期藥與電點(diǎn)火元件，不僅大大提高了延時(shí)精度，而且控制了通往引火頭的電源，從而保證了雷管的安全。采用電子延期在延期精度和延期時(shí)間上遠(yuǎn)比藥劑延期精確，延期精度在±0.1%以內(nèi)。

常規(guī)電雷管和導(dǎo)爆管雷管，由于其延時(shí)誤差大，實(shí)現(xiàn)不了錯(cuò)峰降振，在復(fù)雜環(huán)境隧道的鉆爆施工時(shí)，由于同時(shí)起爆的炮孔數(shù)量較多，產(chǎn)生的振動(dòng)較大。數(shù)碼電子雷管最大延時(shí)時(shí)間為15～16s，延時(shí)精準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰降振，復(fù)雜環(huán)境隧道施工時(shí)可以實(shí)現(xiàn)單孔起爆，極大降低爆破產(chǎn)生的振動(dòng)。

4.2.2 數(shù)碼電子雷管爆破工藝。數(shù)碼電子雷管采用銥缽起爆系統(tǒng)，由數(shù)碼電子雷管、銥缽表、和銥缽起爆器三部分組成。使用時(shí)分延遲設(shè)計(jì)、雷管注冊、起爆網(wǎng)絡(luò)檢查及起爆等步驟進(jìn)行：（1）第一步：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。對爆破網(wǎng)絡(luò)各孔的延期序列進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，可在銥缽表上通過“延期修改”功能，輸入各孔的延期時(shí)間，也可利用爆破設(shè)計(jì)軟件完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)下載到對應(yīng)銥缽表；（2）第二步：注冊。開啟銥缽表，進(jìn)入“雷管注冊”功能，將雷管的兩根腳線分別于銥缽表的注冊接線端接觸可靠，按“檢測”鍵對當(dāng)前雷管進(jìn)行檢測，檢測合格顯示當(dāng)前雷管信息，按“注冊”鍵將當(dāng)前雷管注冊到相應(yīng)孔中。注冊成功后取下當(dāng)前雷管進(jìn)行下一發(fā)雷管的注冊；（3）第三步：組網(wǎng)。所有雷管均注冊完成后，將雷管放到對應(yīng)爆破孔中，對爆破進(jìn)行裝藥、堵孔。將雷管腳線并聯(lián)接入網(wǎng)絡(luò)總線上；（4）第四步：測試。所有雷管在網(wǎng)絡(luò)總線上連接可靠后，將網(wǎng)絡(luò)總線連接到銥缽表的組網(wǎng)接線端，開啟銥缽表，進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)測試”功能，由銥缽表對下轄雷管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，測試完成后，測試結(jié)果如提示有錯(cuò)誤，則應(yīng)關(guān)閉銥缽表對錯(cuò)誤雷管的接線進(jìn)行檢查直到網(wǎng)絡(luò)測試成功；（5）第五步：起爆。起爆前撤離爆破現(xiàn)場，將網(wǎng)絡(luò)總線延伸至安全距離外，雷管網(wǎng)絡(luò)總線接銥缽表的組網(wǎng)接線端，銥缽表再與起爆器相連。開啟銥缽表、起爆器，在起爆器上打開充電開關(guān)，進(jìn)入“爆破流程”功能，按界面提示逐步完成點(diǎn)名、測試、充電，直至準(zhǔn)備起爆。按起爆器起爆雙鍵，進(jìn)入起爆倒計(jì)時(shí)，執(zhí)行起爆。

4.2.3 在本工程中的應(yīng)用。新紅巖隧道覆蓋層20～30m淺埋段施工時(shí)采用數(shù)碼電子雷管控制爆破法開挖。如在DK297+849～835共長14m范圍內(nèi)進(jìn)行10個(gè)循環(huán)全數(shù)碼電子雷管控爆法開挖，單循環(huán)開挖進(jìn)尺為1m時(shí)，爆破振速為0.77～0.92cm/s；單循環(huán)進(jìn)尺2m時(shí)，爆破振速為0.99～1.27cm/s。通過實(shí)踐證明全斷面采用數(shù)碼電子雷管可有效解決爆破沖擊波疊加現(xiàn)象，爆破振速較為穩(wěn)定，且在可控范圍以內(nèi)。

4.3 組合法開挖技術(shù)

4.3.1 非爆破開挖與控制爆破開挖組合法。根據(jù)以往隧道鉆爆施工經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)峰值往往集中在掏槽區(qū)。為消除掏槽區(qū)爆破振動(dòng)，根據(jù)單臂掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備尺寸和所需作業(yè)空間大小，確定掘進(jìn)機(jī)開挖區(qū)域，其余區(qū)域采用控制爆破方法開挖。

采用單臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掏槽，在掌子面中部開挖一個(gè)寬6m、高3.8m、深2.5m的超前導(dǎo)洞，創(chuàng)建爆破臨空面，然后對剩余圍巖采用數(shù)碼電子雷管分兩循環(huán)爆破。

4.3.2 在本工程中的應(yīng)用。新紅巖隧道覆蓋層15～20m淺埋段施工時(shí)采用非爆破開挖與控制爆破開挖組合法。如在DK297+838～826長12m范圍內(nèi)共實(shí)施了11個(gè)循環(huán)非爆破與控制爆破組合開挖。該段開挖斷面面積超過100m2，地層巖性以泥巖夾砂巖為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理不發(fā)育，整體性較好。上方建筑物密布，多為20世紀(jì)六七十年代修建的矮舊居民房，均為磚瓦、土坯結(jié)構(gòu)建筑。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，最大振速要控制在1.2cm/s以內(nèi)。通過采用非爆與控爆的組合開挖方法，在非爆破開挖實(shí)施期間監(jiān)測時(shí)無法觸發(fā)振速監(jiān)測儀，表明振速小于0.1cm/s。在剩余部分采用控制爆破起爆時(shí)振速在0.67～0.93cm/s之間，符合規(guī)范

要求。

5 結(jié)語

第一，利用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，可在同等工況下較常規(guī)雷管爆破振速降低50%～80%。另外，爆破引起圍巖松動(dòng)圈0～1.4m，而常規(guī)爆破松動(dòng)圈可達(dá)1.5～2.3m，這樣就可減少淺埋隧道爆破開挖時(shí)對隧道上方建筑物的擾動(dòng)。

第二，運(yùn)用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行淺埋隧道爆破施工，可精確實(shí)現(xiàn)減振效果，有較高推廣價(jià)值。

第三，對于隧道埋深在15m以下或振速控制要求極嚴(yán)段落，可采用全斷面非爆破開挖法。

第四，對于隧道埋深在15～20m，振速要求1.2cm/s以下段落，可采用非控制爆破與數(shù)碼電子雷管控制爆破組合法開挖。

第五，對于隧道埋深在20～30m，振速要求1.2cm/s以下段落，可采用全開挖面數(shù)碼雷管一次起爆的技術(shù)進(jìn)行開挖。

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作者簡介：苗壯（1989-），男，山東棗莊人，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司助理工程師，碩士。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）