緊鄰既有鐵路隧道爆破振速控制技術(shù)

魏玉龍，高筠涵，王衛(wèi)東

(1.中鐵二局涪秀二線鐵路工程項目經(jīng)理部第三分部，重慶彭水 409600; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的鐵路新建復(fù)線工程大量涌現(xiàn)。由于受地形、地質(zhì)條件及線路走向等因素制約，在既有隧道旁近距離新建復(fù)線隧道的情況難以避免。眾多學(xué)者對緊鄰既有線施工安全進(jìn)行了大量的研究分析[1-9]，鐵路運營部門也制定了一系列緊鄰既有線施工辦理辦法[10]，這些研究分析和管理辦法更多的是從既有運營線的運營安全角度出發(fā)，很少考慮新建隧道的施工進(jìn)展。但實際工程中，進(jìn)度也是重要的控制指標(biāo)，安全和速度的共同要求對爆破控制設(shè)計提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

本文以涪秀二線彭水二線隧道鄰近既有線施工為依托，深入開展復(fù)雜地質(zhì)條件下緊鄰既有鐵路隧道爆破振速控制技術(shù)的研究，探尋建設(shè)工期緊張情況下，新建隧道安全快速施工和既有線結(jié)構(gòu)及運營安全保障方法，實現(xiàn)鄰近既有線安全生產(chǎn)及主控工期兌現(xiàn)的雙重目標(biāo)，并推廣至全標(biāo)段類似隧道。

1 工程概況

新建彭水二線隧道位于重慶市彭水縣彭水鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里程YDK230+036.25，位于既有渝懷線右側(cè)，兩線線間距5～25.4 m,隧道最大埋深約710 m，起訖里程分別為YDK225+518.5～YDK234+554,全長9 035.5 m，為新建單線隧道，設(shè)計為120 km/h電化鐵路隧道，彭水二線隧道施工平面圖如圖1所示。

圖1 彭水二線隧道施工平面

全線隧道幾乎與既有渝懷一線并行，新舊隧道間距均在0～25 m范圍內(nèi)(表1)，振速要求極為苛刻。管段內(nèi)隧道又以灰?guī)r為主，溶蝕發(fā)育、巖性堅硬，施工風(fēng)險極高。其中598.7 m范圍線間距小于20 m，采用非爆開挖；8 436.8 m范圍(其中Ⅱ級4 847.8 m，Ⅲ級2 748 m，Ⅳ級434 m，Ⅴ級407 m)線間距保持在20～25 m，采用控爆開挖。

表1 彭水二線隧道線間距統(tǒng)計

結(jié)合本線施工條件的特殊性，國家相關(guān)規(guī)程、設(shè)計單位及建設(shè)單位均對鄰近既有鐵路施工的相關(guān)內(nèi)容作出了具體的要求：

(1)根據(jù)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》[11]第13.2.2條規(guī)定，交通隧道安全允許質(zhì)點振動速度V為15～20 cm/s(隧道爆破f>50Hz)。

(2)設(shè)計單位針對本線情況提出：新建隧道正線施工，與既有鐵路線間距15 m以內(nèi)的段落，采用非爆施工；線間距15 m以上，對既有房屋建筑、道路的振速影響不超過2.5 cm/s，對既有隧道不超過5 cm/s。

(3)成都鐵路局要求，隧道中心線與既有中心線距離(以下簡稱距離)在20 m以內(nèi)采用非爆開挖，20～200 m范圍采用控制爆破開挖，爆破振速全部按設(shè)計最高標(biāo)準(zhǔn)2.5 cm/s進(jìn)行控制。該指標(biāo)為設(shè)計單位提出的既有隧道控制指標(biāo)的一半。

嚴(yán)苛的爆破振速控制指標(biāo)和既有隧道位置對施工現(xiàn)場爆破設(shè)計提出了極大挑戰(zhàn)，對此本工程進(jìn)行了專門振速控制設(shè)計。

2 隧道爆破振速控制

根據(jù)設(shè)計要求及彭水二線隧道現(xiàn)場情況，在滿足振速要求的前提下，全隧道均采用臺階法開挖，按照GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》要求，延時爆破最大一段藥量計算公式為：

Qmax=R3(V/K)3/a

式中：Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量(kg)；V為保護(hù)對象所在地的質(zhì)點振動安全允許速度(cm/s)，新建隧道鄰近既有隧道控爆施工對既有隧道爆破振速按不大于2.5 cm/s進(jìn)行施工；K、a為與爆破點至計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)見表2；R為爆破爆源到被保護(hù)物間的距離。

表2 取值與巖性的關(guān)系

根據(jù)本隧道通過巖性及圍巖分級情況，初步選定K、a值見表3。

表3 分圍巖等級的取值

根據(jù)以上公式及取值，計算出彭水二線隧道各級圍巖最小線間距的控制爆破允許采用最大起爆藥量見表4。

表4 各級圍巖爆破振速控制參數(shù)表

3 各圍巖級別爆破方案

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，對彭水二線隧道各級圍巖爆破參數(shù)進(jìn)行確定。各方案均采用上下臺階法進(jìn)行施工，循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)圍巖級別進(jìn)行調(diào)整，爆破開挖的掏槽眼采用具有減輕地震動的楔形掏槽形式，工程采用光面控制爆破技術(shù)，各炮孔起爆順序為:掏槽眼→輔助眼→底板眼→光爆眼。由于篇幅有限，下面僅給出V級圍巖和Ⅱ級圍巖條件下的爆破參數(shù)。

3.1 Ⅴ級圍巖

臺階法，循環(huán)進(jìn)尺上臺階0.8 m，下臺階1.6 m(圖2、表5)。

圖2 Ⅴ級圍巖炮眼布置示意(單位:cm)

表5 單線隧道Ⅴ級圍巖臺階法爆破設(shè)計參數(shù)

3.2 Ⅱ級圍巖

臺階法，循環(huán)進(jìn)尺上臺階L=1.5 m，下臺階=2.5 m(圖3、表6)。

圖3 Ⅱ級圍巖炮眼布置示意(單位:cm)

表6 單線隧道Ⅱ級圍巖臺階法爆破設(shè)計參數(shù)

根據(jù)上述爆破設(shè)計，各級圍巖的設(shè)計最大起爆藥量均符合公式允許采用的最大起爆藥量，驗算后的振速也均滿足設(shè)計最高標(biāo)準(zhǔn)(2.5 cm/s)要求(表7)。

4 振速監(jiān)控

根據(jù)前文所述，建設(shè)單位將振速要求提升至2.5 cm/s，通過控制爆破設(shè)計，理論振速滿足要求，現(xiàn)場施工時也需進(jìn)行爆破振速監(jiān)控對設(shè)計振速的合理性、可靠性進(jìn)行論證。

表7 各級圍巖設(shè)計最大起爆藥量及理論振速

4.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測儀器采用TC-4850型爆破振動監(jiān)測儀，與振動傳感器配合使用，可采集X、Y、Z三個方向的爆破振速，下圖為TC-4850型爆破振動監(jiān)測儀與其對應(yīng)的振動傳感器(圖4)。

圖4 TC-4850型爆破振動監(jiān)測儀及振動傳感器

由于既有隧道與新建隧道鄰近的迎爆側(cè)邊墻的振動強度通常都大于背爆側(cè)，監(jiān)測點布置在既有隧道迎爆側(cè)邊墻下部(距底板高度1～1.2 m之間)，如圖5所示。

圖5 振速檢測點布置示意

4.2 數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場調(diào)整

根據(jù)彭水二線隧道各級圍巖前期試爆情況，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖從爆破效果及振速數(shù)據(jù)來看，基本能達(dá)到預(yù)期效果；Ⅱ級和Ⅲ級圍巖因巖性和進(jìn)尺需求，振速數(shù)據(jù)偶爾略有超標(biāo)；Ⅳ級圍巖中期因炮孔間距控制有所偏差造成一次振速超標(biāo)，經(jīng)過加強管理后后期均達(dá)到建設(shè)單位要求；Ⅴ級圍巖基本可控。具體情況見表8。

表8 彭水二線隧道各級圍巖試爆情況統(tǒng)計

Ⅱ級和Ⅲ級圍巖在前期試爆時均有不同程度超標(biāo)，具體原因在通過分析總結(jié)如下：

(1)存在未嚴(yán)格按爆破設(shè)計進(jìn)行布眼、裝藥現(xiàn)象，致使單段最大起爆藥量超過限制，造成爆破振速超標(biāo)。

(2)單段炮孔連線出現(xiàn)失誤，造成周邊眼與底板眼同時起爆，單段最大起爆藥量超標(biāo)。

(3)巖性出現(xiàn)微小變化，加之設(shè)計參數(shù)中對K,a經(jīng)驗取值較為固定，出現(xiàn)兩次輕微超標(biāo)(2.6～2.8 cm/s之間)。

后期在嚴(yán)格把控爆破參數(shù)的同時，考慮到巖性變化偏差較小，在爆破參數(shù)不變的情況下加設(shè)隔離孔，振速有了明顯改善。為提高工效，后期試驗現(xiàn)場僅打設(shè)左半斷面隔離孔(既有線位于新線左側(cè))，同樣滿足2.5 cm/s的振速要求。

從數(shù)據(jù)及過程記錄分析，各級圍巖爆破效果基本屬于可控，后期根據(jù)巖性變化在現(xiàn)有成果上微調(diào)即可滿足要求。

5 結(jié)束語

(1)通過分析討論，本次爆破方案參數(shù)設(shè)計基本合理，在 巖性變化的情況下做出微調(diào)亦可滿足現(xiàn)場使用。

(2)緊鄰既有線爆破施工，既有結(jié)構(gòu)物和運營安全是首要考慮的因素，新線的一切施工都應(yīng)圍繞這一底線和原則進(jìn)行開展。

(3)爆破參數(shù)并不是一成不變的，應(yīng)在大原則確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)圍巖的變化及既有結(jié)構(gòu)物的特點及時進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。比如彭水二線隧道經(jīng)過與一線中間的既有泄水洞與否，在巖性基本類似的狀況下，同樣的爆破參數(shù)反應(yīng)的振速都會有較大的反差。

(4)爆破參數(shù)的摸排是個非常全面的體系工作，需要從項目管理人員到班組執(zhí)行工人每一個層級的思想統(tǒng)一和嚴(yán)格執(zhí)行，來確保這項工作的可控性和效率。

(5)緊鄰既有鐵路隧道爆破振速控制技術(shù)既需要理論的支撐，又需要實際操作的經(jīng)驗，各參與人員之間的積極溝通與相互尊重是獲得成功的前提。