城市淺埋超大斷面隧道雙側(cè)壁法開(kāi)挖爆破方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

[摘要]隨著城市交通的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的城市淺埋大斷面隧道，也同時(shí)對(duì)隧道修建技術(shù)提出了更為苛刻的要求。本文依托京滬高速濟(jì)南連接線龍鼎隧道，在詳細(xì)研究柱狀裝藥巖石破壞規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道爆破相關(guān)理論及規(guī)范，進(jìn)行了龍鼎隧道雙側(cè)壁開(kāi)挖方法爆破方案的設(shè)計(jì)，并在實(shí)際施工開(kāi)挖中進(jìn)行了應(yīng)用。經(jīng)過(guò)工程實(shí)際開(kāi)挖應(yīng)用及相關(guān)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)等結(jié)果驗(yàn)證，表明該方案在滿足城市隧道爆破震動(dòng)控制等要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了圍巖的較小擾動(dòng)和超欠挖的精確控制，在保證工程安全、快速施工的前提下，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工程提供一定的參考。

[關(guān)鍵詞]淺埋；超大斷面；隧道；CD法開(kāi)挖；爆破

1、引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市交通堵塞的問(wèn)題愈演愈烈，成為制約城市發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。新興城市快速路的出現(xiàn)，極大的緩解了城市交通運(yùn)輸壓力。作為城市快速路的關(guān)鍵組成部分，城市隧道的修建，也越來(lái)越多，且向著超淺埋、大斷面等方向發(fā)展，也為工程修建技術(shù)提出了更多亟待解決的難題。

爆破以其經(jīng)濟(jì)、高效、快捷的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于礦山開(kāi)采、地下交通工程、水利水電工程和核電基礎(chǔ)的開(kāi)挖中，然而爆破施工在造成爆區(qū)巖體破碎和剝離的同時(shí)，不可避免地造成近區(qū)巖體的擾動(dòng)和損傷，以及中遠(yuǎn)區(qū)巖體的振動(dòng)等危害。推進(jìn)式往復(fù)爆破作業(yè)時(shí)巖體的損傷效應(yīng)更為突出，如大斷面隧洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法爆破開(kāi)挖時(shí)圍巖的擾動(dòng)損傷。損傷巖體的力學(xué)性能劣化，強(qiáng)度降低、完整性變差，從而對(duì)巖體的安全穩(wěn)定造成威脅。因此正確分析爆炸荷載作用下巖體特征進(jìn)而采取合理的控制方式是工程中關(guān)注的問(wèn)題。

大斷面隧道由于形狀扁平，開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性變差；圍巖應(yīng)力更集中，松弛壓力更大；支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的承載力相對(duì)減小?；谝陨咸攸c(diǎn)，目前在巖質(zhì)大斷面隧道中應(yīng)用較多的工法是單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。其中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是將整個(gè)開(kāi)挖斷面分成6個(gè)導(dǎo)洞分部掘進(jìn)，即一導(dǎo)洞開(kāi)挖掘進(jìn)若干米后另一導(dǎo)洞再開(kāi)挖跟進(jìn)，因此隧道周邊的圍巖遭受推進(jìn)式往復(fù)的爆破荷載作用。

上述問(wèn)題在城市隧道的修建過(guò)程中表現(xiàn)的更為突出。因此本文以京滬高速濟(jì)南連接線龍鼎隧道為背景，系統(tǒng)研究了柱形裝藥巖石的破壞規(guī)律，進(jìn)行了洞身開(kāi)挖方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并在工程實(shí)際施工中進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了良好的應(yīng)用效果。

2、柱形裝藥巖石破壞規(guī)律研究

根據(jù)無(wú)限長(zhǎng)柱形裝藥爆破和有限長(zhǎng)柱形裝藥爆破時(shí)產(chǎn)生的柱面壓縮波和橢球面形狀的壓縮波的分析和計(jì)算，柱形裝藥爆破時(shí)對(duì)巖石的破壞，可以分成：壓碎區(qū)、受剪破壞區(qū)、受拉破壞區(qū)、振動(dòng)區(qū)。

茌壓碎區(qū)，巖石被強(qiáng)大的壓力所粉碎，形成一系列與徑向成45°的滑移面。這同球形裝藥爆破是一樣，這個(gè)區(qū)域，在柱形裝藥的側(cè)面大約是柱形裝藥半徑的3.75～4.75倍；在柱形裝藥的端部大約是柱形裝藥半徑的2～3信。這個(gè)區(qū)域，就是在堅(jiān)硬巖石中壓縮波壓力峰值在2萬(wàn)大氣壓以上，在軟巖石中壓縮波壓力值在1萬(wàn)大氣壓以上的區(qū)域。

受剪破壞區(qū)。柱形裝藥爆破的巖石受剪破壞區(qū)形成輻射狀的徑向裂縫，在徑向裂縫之間還有環(huán)向裂縫，在它們之間同時(shí)形成剪切裂縫。這些裂縫和裂隙，越靠近壓碎區(qū)越密。

茌堅(jiān)硬巖石中，在柱形裝藥側(cè)面該區(qū)域?yàn)?～17.6倍柱形裝藥半徑，在柱形裝藥端部該區(qū)域?yàn)?～29.6倍柱形裝藥半徑。

茌一般巖石中，在柱形裝藥側(cè)面該區(qū)域?yàn)?0.5～21.1倍柱形裝藥半徑；在拄形裝藥端部該區(qū)域?yàn)?0.5～37.2倍柱形裝藥半徑。

在軟巖石中，在柱形裝藥側(cè)面該區(qū)域?yàn)?2.6～28.3倍柱形裝藥半徑；在柱形裝藥端部該區(qū)域?yàn)?2.6～45.1倍柱形裝藥半徑。當(dāng)柱形裝藥的長(zhǎng)度與直徑之比為1時(shí)，是最小值；當(dāng)拄形裝藥的長(zhǎng)度與直徑之比超過(guò)20倍時(shí)，是最大值。

茌受拉破壞區(qū)。在柱形裝藥的側(cè)面巖石有單向受拉破壞區(qū)，只出現(xiàn)徑向裂縫或裂隙，越靠近受剪破壞區(qū)越密一些。存在受拉破壞區(qū)，是柱形裝藥爆破的特點(diǎn)，在工程爆破中必須充分利用這個(gè)特點(diǎn)。在柱形裝藥的側(cè)面，巖石受拉破環(huán)區(qū)域，對(duì)于堅(jiān)硬巖石，為柱形裝藥半徑的0～63.4倍；對(duì)于一般巖石，為柱形裝藥半徑的0～76倍；對(duì)于軟巖石，為柱形裝藥半徑的0～102倍。在柱端軸線方向上為0。當(dāng)柱形裝藥的長(zhǎng)度與直徑之比為1時(shí)，取0。當(dāng)柱形裝藥的長(zhǎng)度與半徑之比（對(duì)于堅(jiān)硬巖石大于63.4；對(duì)于一般巖石大于76；對(duì)于軟巖石大于102）較大時(shí)，取最大值。

茌受拉破壞區(qū)外是振動(dòng)區(qū)。在振動(dòng)區(qū)，巖石沒(méi)有破壞，但有運(yùn)動(dòng)。在無(wú)限巖石介質(zhì)中振動(dòng)區(qū)的范圍很大。

對(duì)于一般爆破來(lái)說(shuō)，必有一個(gè)以上的臨空面，所謂臨空面，也就是巖石的自由面。有的是在拄形裝藥的側(cè)面，有的是在柱形裝藥的端部，有的是在柱形裝藥的側(cè)面和端部都有臨空面。

當(dāng)壓縮波到達(dá)柱形裝藥端部外的自由面時(shí)，立即產(chǎn)生稀疏波。在壓縮波和稀疏波的共同作用下，柱端到巖石自由面處的巖石受剪破壞區(qū)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，并在自由面附近形成剝離區(qū)，即利用巖石原有的裂隙把巖石抬起來(lái)。

當(dāng)壓縮波到達(dá)柱形裝藥的側(cè)面的巖石和自由面時(shí)，同樣會(huì)立即產(chǎn)生稀疏波。在壓縮波和稀疏波的共同作用下。巖石自由面附近會(huì)有一部分巖石出現(xiàn)受拉破壞，與壓縮波隊(duì)巖石的受拉破壞連通起來(lái)，同時(shí)在自由面附近會(huì)有部分巖石沿原有的裂隙被抬起來(lái)。

在柱形裝藥爆破中，根據(jù)工程要求和具體條件，充分利用巖石的自由面（臨空面），同樣是爆破設(shè)計(jì)關(guān)鍵。從藥柱軸線到藥柱側(cè)面的巖石自由面的距離為側(cè)面抵抗線，最近處為側(cè)面最小抵抗線。從藥柱端部到端部外的巖石自由面的距離。為柱端最小抵抗線。在爆破設(shè)計(jì)中，合理地確定最小抵抗線和裝藥量（藥柱長(zhǎng)度和直徑），是控制爆破對(duì)巖石的破壞范圍、破碎程度、堆積高度或倒塌狀況、飛石距離的關(guān)鍵所在。

3、工程概況

作為京滬高速濟(jì)南連接線重點(diǎn)控制工程，龍鼎隧道位于濟(jì)南市歷下區(qū)太平莊西側(cè)，隧道為雙向八車道，單洞四車道隧道，開(kāi)挖寬度最大處達(dá)到20 m，高度達(dá)到13.6 m，是山東省內(nèi)跨度最大，全國(guó)也罕見(jiàn)的超大斷面公路暗挖隧道，目前公路隧道設(shè)計(jì)及施工規(guī)范中無(wú)單洞四車道隧道相關(guān)規(guī)定。

龍鼎隧道全長(zhǎng)2183米，工程規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道覆止厚度最小處僅為17 m，左右幅隧道相距最小處僅為12 m，圍巖等級(jí)大部分為Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)，且又穿越斷層破碎帶和溶隙溶洞群，屬于極淺埋、小凈距、超大跨的暗挖隧道。如果設(shè)汁施工管理不善，極易遇到隧道圍巖大變形、大體積塌方等不利狀況，給隧道的施工安全帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。并且由于位于市郊臨近村莊，合理組織爆破施工，避免“擾民”和“民擾”，也是施工中面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。

4、爆破方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

4.1爆破參數(shù)確定