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

文/張傳奎 中建八局第一建設(shè)有限公司 北京 100021

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

文/張傳奎 中建八局第一建設(shè)有限公司 北京 100021

隨著城市交通的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了越來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)壁開挖方法爆破方案的設(shè)計(jì)，并在實(shí)際施工開挖中進(jìn)行了應(yīng)用。經(jīng)過工程實(shí)際開挖應(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。

淺埋；超大斷面；隧道；CD法開挖；爆破

1、引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市交通堵塞的問題愈演愈烈，成為制約城市發(fā)展的關(guān)鍵問題。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)用于礦山開采、地下交通工程、水利水電工程和核電基礎(chǔ)的開挖中，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)注的問題[1-4]。

大斷面隧道由于形狀扁平，開挖后圍巖穩(wěn)定性變差[5]；圍巖應(yīng)力更集中，松弛壓力更大[6]；支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的承載力相對(duì)減小[7]?；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[8-10]。其中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是將整個(gè)開挖斷面分成6個(gè)導(dǎo)洞分部掘進(jìn)，即一導(dǎo)洞開挖掘進(jìn)若干米后另一導(dǎo)洞再開挖跟進(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[11]。

上述問題在城市隧道的修建過程中表現(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)。

在壓碎區(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倍。這個(gè)區(qū)域，就是在堅(jiān)硬巖石中壓縮波壓力峰值在2萬大氣壓以上，在軟巖石中壓縮波壓力值在1萬大氣壓以上的區(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。

在堅(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。

在一般巖石中，在柱形裝藥側(cè)面該區(qū)域?yàn)?0.5～21.1倍柱形裝藥半徑；在柱形裝藥端部該區(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)柱形裝藥的長(zhǎng)度與直徑之比超過20倍時(shí)，是最大值。

在受拉破壞區(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。

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

對(duì)于一般爆破來說，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。有的是在柱形裝藥的側(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。

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，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。

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)峻問題。

4、爆破方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

4.1 爆破參數(shù)確定[12]

（1）炮眼深度

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，炮眼深度與開挖進(jìn)尺一直取0.8m，掏槽眼延長(zhǎng)10%～15%。

（2）炮眼數(shù)目

炮眼數(shù)目N可按一下公式計(jì)算：

式中，q為巖石爆破單位體積下炸藥消耗量，Kg/m3;L為炮眼深度，m；n為炮眼裝藥系數(shù)；r為炸藥的線裝藥密度；S為開挖面積。

（3）炮眼布置

按照先布置掏槽眼、周邊眼，后布置底板眼、內(nèi)圈眼，最后布置掘進(jìn)眼的原則進(jìn)行布置。周邊眼間距為炮眼直徑的8到10倍，抵抗線為間距的1到1.5倍，集中裝藥度一般取0.04～0.19Kg/m。

（4）一次爆破總裝藥量

式中，Q為一次爆破的總裝藥量，Kg；S為開挖斷面積，m2；L為有效炮眼深度，m；q為隧道爆破炸藥單耗，Kg/m3。

（5）單眼裝藥量計(jì)算

周邊孔單孔藥量計(jì)算公式如下

其他部位炮眼裝藥量計(jì)算公式如下

式中，d為藥卷直徑，cm；ρ0位炸藥密度，g/cm3；β為裝填系數(shù)；q*為單眼藥量，Kg；a為炮眼間距，m；W為炮眼爆破方向的抵抗線，m；L為炮眼深度，m；λ為炮眼所在部位系數(shù)。

4.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程實(shí)際，鉆孔直徑d=40mm；選用普通乳化炸藥(直徑32mm，長(zhǎng)度18cm，質(zhì)量150g)；掘進(jìn)進(jìn)尺0.8m；炮眼利用率90%；輔助孔間距0.4～0.8m，周邊孔間距0.5～1.0m，周邊孔距離隧道輪廓線距離0.1～0.2m；底孔間距0.4～0.7m，孔口高于隧道底板0.1～0.2m，孔底低于底板0.1～0.2m。根據(jù)V級(jí)圍巖爆破要求，采用多打孔少裝藥的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

結(jié)論：

通過對(duì)柱狀裝藥巖石破碎規(guī)律的研究，結(jié)合龍鼎隧道設(shè)計(jì)相關(guān)資料，進(jìn)行了京滬高速濟(jì)南連接線龍鼎隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法爆破方案的設(shè)計(jì)。經(jīng)過工程實(shí)際開挖應(yīng)用及相關(guān)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)等結(jié)果驗(yàn)證，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。

[1] 夏才初,龔建伍,唐穎,等.大斷面小凈距公路隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(1):44－5

[2] 葉培旭,楊新安,凌保林,等.近距離交叉隧洞爆破對(duì)既有隧道的振動(dòng)影響[J].巖土力學(xué),2011,32(2):537－541.

[3] 龔建伍,夏才初,朱合華,等.鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué),2009,30(1):236－240.

[4] 劉明高,高文學(xué),張飛進(jìn).小凈距隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(6):952－955.