談高速鐵路隧道施工控制爆破方案設(shè)計(jì)

趙 君

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

1 工程概況

京滬高速鐵路作為我國(guó)高速鐵路網(wǎng)中“四縱”的重要組成部分，于2008年4月開工建設(shè)，線路總長(zhǎng)度達(dá)1 300余千米，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，是新中國(guó)成立以來一次建設(shè)里程最長(zhǎng)、投資最大、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路，京滬高速鐵路現(xiàn)已建成并于2011年6月正式開通運(yùn)營(yíng)。本文研究之金牛山隧道位于山東省泰安市岱岳區(qū)六郎墳村與高新區(qū)小官莊村之間，隧道進(jìn)口里程為DK465+335，出口里程為DK467+240，隧道全長(zhǎng)1 905 m，隧道內(nèi)為單面坡，坡度3‰和12‰的上坡，隧道所處地形起伏較大，其中隧道最大埋深為35.37 m，隧道在里程為DK466+230～DK466+330區(qū)段下穿京福高速公路C匝道，此區(qū)段內(nèi)埋深僅為9.8 m，屬于超淺埋隧道，在DK466+560～DK466+660段下穿京福高速公路正線，其中高速公路寬度為36 m，隧道與公路匝道和正線的交角分別為14.57°和36.7°，屬于斜交。隧道的工程地質(zhì)情況為風(fēng)化花崗片麻巖，局部夾雜角閃巖和部分石英，其中圍巖已經(jīng)風(fēng)化，尤其接近地表埋深較淺處節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石比較破碎并有地下裂隙水發(fā)育，屬Ⅳ級(jí)圍巖。

2 控制爆破方案設(shè)計(jì)

當(dāng)隧道采用鉆爆法進(jìn)行開挖時(shí)，由于炸藥的爆破產(chǎn)生的震動(dòng)，對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)和洞周圍巖影響非常大，并且使得既有隧道比靜力狀態(tài)下更容易遭到破壞。京滬高鐵金牛山隧道為超淺埋隧道，圍巖風(fēng)化比較嚴(yán)重，加之地表有既有高速公路通過，在進(jìn)行爆破開挖時(shí)，這種破壞將會(huì)更加嚴(yán)重。所以如何將爆破對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、圍巖以及上部的既有公路的影響減小到最低限度是本文所要研究的核心內(nèi)容。

1)現(xiàn)行爆破震動(dòng)影響控制標(biāo)準(zhǔn)。工程中常以引起結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度等物理量來衡量爆破震動(dòng)的強(qiáng)度，那么就必須要有一個(gè)臨界值或者說標(biāo)準(zhǔn)來衡量這些物理量對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，并由此來判斷爆破震動(dòng)強(qiáng)度。在實(shí)際爆破工程中以上幾個(gè)因素一旦超過臨界值，就認(rèn)為相應(yīng)巖體已經(jīng)被破壞，而這一臨界值被稱為爆破震動(dòng)的破壞標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)爆破震動(dòng)的影響進(jìn)行了文件性總結(jié)并給出了極限值(見表1)。

表1 爆破的影響和特定的Ⅴ極限值的文件性總結(jié)表

我國(guó)學(xué)者吳德倫等人參考?xì)W洲國(guó)家的做法，建議的爆破震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 爆破震動(dòng)控制建議標(biāo)準(zhǔn)

綜上所述，可以看出不同的國(guó)家、科研部門以及不同的學(xué)者對(duì)爆破震速的認(rèn)識(shí)和想法是不同的，因此提出爆破震動(dòng)速度的限值差別很大，在實(shí)際工程中，由于地質(zhì)條件、爆破方式、隧道結(jié)構(gòu)形式存在差異，所以可操作性很差，針對(duì)不同的隧道施工項(xiàng)目應(yīng)從工程實(shí)際情況角度出發(fā)，提出相適應(yīng)的爆破方案。

根據(jù)GB 6722-2003爆破安全規(guī)程中的規(guī)定，各類建筑物的爆破震動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。設(shè)計(jì)中只考慮爆破對(duì)已襯砌隧道的結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)規(guī)定，隧道安全允許震速標(biāo)準(zhǔn)值為10 cm/s～20 cm/s，設(shè)計(jì)中取安全控制值為10.0 cm/s。

a.選取建筑物安全震速時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的重要性、建筑質(zhì)量、新舊程度、自振頻率、地基條件等因素。

b.省級(jí)以上(含省級(jí))重點(diǎn)保護(hù)古建筑物與古跡的安全允許震速，應(yīng)經(jīng)專家論證選取，并報(bào)相應(yīng)文物管理部門批準(zhǔn)。

c.選取隧道、巷道安全允許震速時(shí)，應(yīng)綜合考慮構(gòu)筑物的重要性、圍巖情況、斷面大小、埋深大小、爆源方向、地震震動(dòng)頻率等因素。

d.非擋水新澆大體積混凝土的安全允許震速，可按表3給出的上限值選取。

2)金牛山隧道爆破設(shè)計(jì)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，一般來說，起爆的藥量越大，所產(chǎn)生的爆破震速也就越大，所以金牛山隧道在爆破施工過程中，要保證在距離既有公路最近的地段的起爆藥量小于產(chǎn)生臨界爆破震速的臨界藥量，這樣就能夠保證既有路面的安全使用。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于涉及到爆破震速問題，一般情況下采用前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基提出的經(jīng)驗(yàn)公式來確定最大分段裝藥量，如式(1)所示:

其中，Q為最大分段裝藥量，kg;R為爆心距，m;V為爆破安全震動(dòng)速度值，cm/s;K為與巖石性質(zhì)、地質(zhì)條件、爆破規(guī)模等綜合因素有關(guān)的系數(shù);α為地震波的衰減系數(shù)，大小與地質(zhì)條件以及距爆破中心的距離有關(guān)。

表3 爆破震動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

由式(1)可知，當(dāng)具體工程的K，α確定之后，單段最大爆破藥量Q和爆破震速V有直接關(guān)系。隧道爆破時(shí)，由于工程地質(zhì)條件、爆破條件以及爆破點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)距離的差異，介質(zhì)系數(shù)K和震動(dòng)衰減系數(shù)α變化很大，為了確保各參數(shù)的真實(shí)性，其取值應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

我國(guó)GB 6722-2003爆破安全規(guī)程對(duì)介質(zhì)系數(shù)和震動(dòng)衰減系數(shù)K，α的建議值如表4所示。

表4 爆區(qū)不同巖性的K，α值

根據(jù)本工程所處圍巖地質(zhì)資料和GB 6722-2003爆破安全規(guī)程建議值，介質(zhì)系數(shù)K暫取250、震動(dòng)衰減系數(shù)α?xí)喝?.8。對(duì)目前各工程上常用的幾種工業(yè)炸藥進(jìn)行比對(duì)，最終選擇了銨梯炸藥和乳化炸藥，如果爆破中炮眼里沒有水，使用銨梯炸藥，有水則使用乳化炸藥。

金牛山隧道下穿京福高速公路段，最小埋深為9.28 m，根據(jù)式(2)，計(jì)算得到的單段最大裝藥量:

計(jì)算得到的單段最大裝藥量為3.7 kg。

在實(shí)際工程中，應(yīng)該在每次爆破之前，首先確定爆破點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，然后再根據(jù)薩道夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算，理論上講在一定的裝藥量的前提下，爆破產(chǎn)生的爆破震速和爆心距是成反比的。

炮眼布置圖見圖1。

圖1 臺(tái)階法開挖炮眼及掏槽眼布置圖

采用臺(tái)階法、三臺(tái)階法開挖采用光面弱爆破。光面爆破參數(shù)應(yīng)通過爆破試驗(yàn)方法確定。當(dāng)無試驗(yàn)條件時(shí)，有關(guān)參數(shù)根據(jù)表5選用。

同時(shí)，在藥量選擇上還要考慮爆破震動(dòng)速率對(duì)隧道結(jié)構(gòu)物以及地表建筑物的影響。