上軟下硬地層隧道穿越既有線控制爆破技術(shù)

鄭保才

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

上軟下硬地層隧道穿越既有線施工技術(shù)難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。文獻(xiàn)[1]研究了上軟下硬地層中施工隧道圍巖的破壞模式和破壞過程，認(rèn)為結(jié)構(gòu)面傾角在30°～75°時(shí)隧道穩(wěn)定性較差。在上軟下硬地層隧道施工技術(shù)方面，文獻(xiàn)[2-4]對隧道合理的開挖和支護(hù)方法、不同工法合理的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)、取消仰拱的可行性等方面進(jìn)行了研究，并取得了良好的應(yīng)用效果。在隧道開挖爆破振動控制方面，文獻(xiàn)[5-8]采用FLAC 3D軟件建立隧道模型對炮孔內(nèi)水不耦合裝藥微差爆破技術(shù)、數(shù)碼電子雷管控制爆破技術(shù)的減振效果進(jìn)行了研究。

目前上軟下硬地層隧道采用礦山法下穿既有鐵路線爆破時(shí)，主要在裝藥量、起爆順序等方面進(jìn)行優(yōu)化，在爆破振動控制方面研究較少。本文主要探討上軟下硬地層城際鐵路隧道下穿既有隧道施工控制爆破技術(shù)。

1 工程概況

南京寧和城際軌道交通一期工程單洞單線礦山法隧道穿越寧蕪貨運(yùn)線，隧道拱頂埋深12.58 m，拱頂距離既有線底板底最小高度約3.73 m。隧道自上而下穿越土層、軟塑粉質(zhì)黏土、可塑～硬塑粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)砂巖，圍巖呈現(xiàn)明顯的上軟下硬特點(diǎn)。地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。松散巖類孔隙水有孔隙潛水及孔隙承壓水，局部水量較大。城際鐵路隧道與既有線平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 城際鐵路隧道與既有線平面位置關(guān)系示意

2 工程重難點(diǎn)

本工程隧道具有圍巖上軟下硬和隧道穿越既有線2個特點(diǎn)。施工方法的選擇和保證既有線的安全是施工的重難點(diǎn)。

1)隧道圍巖上軟下硬且具有軟流塑特點(diǎn)，局部地層含水率大。在該地層選擇合理的施工工法難度大。下穿硬巖地層時(shí)，尤其是穿越既有線施工過程中爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，爆破方法和爆破參數(shù)的確定、振動控制難度大。

2)隧道穿越既有運(yùn)營鐵路，變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，且既有線維護(hù)結(jié)構(gòu)均伸入地鐵結(jié)構(gòu)范圍，隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響大。

3)隧道穿越既有線段屬于小角度穿越施工，先后經(jīng)歷了左側(cè)穿、下穿、右側(cè)穿3個階段，隧道施工對既有結(jié)構(gòu)影響范圍大。

3 隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的影響及施工段劃分

為評估施工方法選擇的合理性和結(jié)構(gòu)的安全性，采取數(shù)值分析與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，分析隧道開挖對既有結(jié)構(gòu)的影響范圍及程度。

3.1 隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的影響數(shù)值分析

根據(jù)工程實(shí)際情況和特點(diǎn)，采用FLAC 3D軟件進(jìn)行施工過程和開挖效果的數(shù)值模擬。

數(shù)值模擬時(shí)作如下假定：

1)將土層簡化為水平狀分布的彈塑性材料，本構(gòu)模型采用M-C彈塑性模型。

2)模型前、后、左、右邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面采用自由邊界。

3)計(jì)算范圍為130 m(X)×230 m(Y)×70 m(Z)，計(jì)算模型共有 93 764 個單元，見圖2。

圖2 計(jì)算模型

由數(shù)值分析結(jié)果可知：城際鐵路隧道開挖后既有隧道結(jié)構(gòu)軸力最大值比開挖前增大了13.60%；橫向、縱向彎矩最大值比開挖前分別增大了3.76%,2.55%。隧道開挖對既有隧道產(chǎn)生的影響在合理范圍之內(nèi)，隧道穿越既有線施工理論上可行。

3.2 施工段的劃分

目前上軟下硬地層隧道通常采取臺階法施工。合理地劃分施工段和確定爆破施工方法對確保既有線安全、滿足工期要求起著決定性的作用。

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定及寧和城際鐵路隧道礦山法施工的控制要求，既有線結(jié)構(gòu)允許最大振速為2.5 cm/s。根據(jù)城際鐵路隧道與既有線結(jié)構(gòu)間的相對位置關(guān)系及既有線結(jié)構(gòu)允許最大振速，采用薩道夫斯基公式計(jì)算出最大單段起爆藥量，將該計(jì)算值Q計(jì)與設(shè)計(jì)值Q設(shè)進(jìn)行比較。若Q計(jì)

4 隧道下(側(cè))穿既有線施工技術(shù)

4.1 隧道下穿既有線段

針對該段上軟下硬圍巖特征及下穿既有線的工程特點(diǎn)，上臺階軟弱圍巖段采用上臺階預(yù)留核心土、人工配合機(jī)械開挖；下臺階采用控制爆破技術(shù)開挖。炮眼盡量遠(yuǎn)離既有線底板，減輕爆破對既有線的影響。下穿段隧道爆破開挖炮眼布置見圖3(a)，下穿段下臺階爆破參數(shù)見表1。由表1可知：總裝藥量是6.3 kg，炮孔總數(shù)為35個。

4.2 隧道側(cè)穿既有線段

在隧道側(cè)穿既有線過程中，為了減小爆破振動對既有線結(jié)構(gòu)的影響，在靠近既有線側(cè)開鑿了減振孔。減振孔布置在2個相鄰周邊眼中間。減振孔間距為450 mm，孔徑為50 mm。

圖3 隧道爆破開挖炮眼布置

炮眼名稱雷管段位眼深/m孔距/cm炸藥單耗/(kg/m3)單孔藥量/kg裝藥長度/m孔數(shù)裝藥量/kg輔助眼10.8800.390.20.291.8輔助眼30.8700.510.20.291.8輔助眼50.8600.590.20.271.4輔助眼70.8600.590.20.230.6底板眼90.8500.420.20.170.7

側(cè)穿段上臺階采用非對稱起爆技術(shù)，即上臺階按照先掏槽眼，再左右側(cè)輔助眼、周邊眼、底板眼分開起爆的方法起爆。下臺階按照輔助眼、底板眼的順序分段起爆。側(cè)穿段隧道爆破開挖炮眼布置參見圖3(b)，側(cè)穿段爆破參數(shù)見表2。

表2 側(cè)穿段爆破參數(shù)

5 現(xiàn)場監(jiān)測

5.1 爆破振動速度監(jiān)測

振動速度監(jiān)測采用TC-4850爆破測振儀，測點(diǎn)布置于施工隧道右線上方既有線結(jié)構(gòu)底板。圖4為側(cè)穿段下臺階爆破振動速度監(jiān)測波形。可知下臺階最大爆破振動速度為2.43 cm/s。另外依據(jù)下穿段施工中爆破振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，隧道左線上臺階最大爆破振動速度為1.09 cm/s，下臺階最大爆破振動速度為0.37 cm/s，均不大于2.5 cm/s。城際鐵路隧道穿越既有隧道施工中爆破振動速度在允許范圍之內(nèi)。

圖4 側(cè)穿段下臺階爆破振動速度監(jiān)測波形

5.2 地表沉降及結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

地表沉降及結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點(diǎn)主要布置于施工隧道地表、施工隧道內(nèi)、既有隧道內(nèi)。施工過程中既有隧道內(nèi)累計(jì)沉降量0.73～1.81 mm,累計(jì)水平收斂0.46～0.51 mm,累計(jì)豎向收斂0.43～0.52 mm,均在合理范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

1)通過判定寧和城際鐵路隧道爆破施工最大單段起爆藥量計(jì)算值與設(shè)計(jì)值之間的大小關(guān)系，將穿越施工段劃分為下穿段和側(cè)穿段。

2)下穿段采用上臺階預(yù)留核心土+下臺階控制爆破法，側(cè)穿段采用上臺階非對稱爆破+臨近既有線側(cè)開鑿減振孔+下臺階控制爆破法，有效確保了隧道施工及既有線運(yùn)營安全。

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