微震爆破技術在隧道下穿高速鐵路應用分析

蔣耀鋒

摘 要：本文對寧蕪改線提前實施工程隧道施工方法總結、完善，為類似下穿高速鐵路隧道的施工提供理論依據和施工經驗。

關鍵詞：微震;爆破;震速;監測

我國己成為世界上高速鐵路發展最快、系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運營速度最高、在建規模最大的國家。京滬高速鐵路寧蕪段，線下有寧蕪隧道穿越，高鐵線路的地表路基沉降以及線下隧道的施工安全性都是重要課題。下穿隧道施工技術的研究直接關系著隧道本身質量安全和高速鐵路施工運營安全。如果處理不好，不僅會對隧道的安全性造成影響，甚至會影響整個高鐵線路的安全運行。

一、寧蕪改線隧道下穿高速鐵路基本情況

寧蕪改線提前實施工程HDK25+250～HDK25+550段隧道位于韓府山南麓及山前沖積平原，全長300m，隧道內為單面坡，隧道開挖拱頂到上部鐵路軌頂面最大埋深約27.3m。隧道下穿京滬高速（已開始聯調）、滬漢蓉客專線（已運營）、寧安客專線（在建）段，需與在建的工程同步完成施工。隧道下穿段與地表京滬高鐵、滬漢蓉通道及寧安城際鐵路在平面位置上呈斜交，斜交角度約30°。經現場實測及調查，三條線路路基及下穿隧道平面對應里程情況如下：

下穿隧道與地表線路路基相對位置及縱斷面圖分別見圖1-1、見圖1-2。

二、主要關鍵技術

由于本段隧道地表為現狀高等級高速鐵路京滬高鐵及滬漢蓉鐵路，施工過程中不但要嚴格按設計及規范組織施工，保證施工的安全質量，更要在施工中采取必要的措施，嚴格控制爆破震動、隧道圍巖收斂及隧道地表土體失水沉降，盡量減少地表京滬高鐵軌道的沉降量，控制地表沉降在3.5mm以內。為此在施工過程中主要考慮采取以下施工技術方案控制及減少隧道施工對地表京滬高鐵及滬漢蓉通道的影響。

（一）寧蕪改線隧道的地理位置特殊，下穿京滬高鐵無砟軌道，地表埋深最大僅24米，必須對施工全過程進行全方位監測，以便對工程結構的穩定性及其對周圍環境的影響適時評判，及時預測和預防各種可能出現的不利局面，動態地組織和指導施工。

（二）淺埋暗挖隧道施工對地表產生沉降的因素之一是圍巖開挖后的收斂變形，控制圍巖收斂的關鍵是盡快完善初期支護系統，封閉圍巖。進行方案比選后確定采用三層臺階施工技術，提前施作隧道仰拱，并在圍巖上臺階開挖暴露后及時施作上臺階初期支護，并根據圍巖變形情況考慮架設臨時仰拱，采取“短進尺、強支護、早封閉”等施工措施減少圍巖收斂變形。

（三）采用精密微震控制爆破措施，細化爆破作業施工技術，優先選用高猛度、低爆速炸藥，在施工過程中采用小藥卷炸藥，多打眼、少裝藥;應用微差爆破技術多分段，不僅在起爆網絡上采用加大爆破段數的方法，在單個炮孔內孔也應用間隔裝藥方法，減少一次齊爆藥量;在爆破作業過程中加強爆破震動監測，使爆破震動速度控制在地表鐵路聯調運行允許范圍內。

三、微震控制爆破技術研究

隧道爆破采用微震控制爆破，通過控制炸藥單耗實現降低爆破震動強度，減少對高速鐵路無砟軌道的影響。采用光面爆破技術以盡可能減輕圍巖擾動，充分利用圍巖自有強度維持隧道的穩定性，有效控制地表沉降，控制隧道的欠超挖，達到良好的輪廓形狀

（一）微震控制爆破技術要點

1、采用分部、分臺階開挖、多次裝藥爆破技術，合理布置爆破開挖順序。周邊眼采用光面爆破，掏槽眼和輔助眼采用微振控制爆破，每次將掏槽區盡量靠近斷面底部，以增大掏槽爆破時爆源至地表的距離，減輕掏槽爆破對地表高鐵無砟軌道線路的震動影響，然后對預留光爆層進行光面爆破。

2、根據隧道分部開挖斷面、巖石性質和地質構造條件等因素，確定采用能最大程度減振的掏槽眼布置形式。本工程采用楔形掏槽。這種掏槽具有兩排以上相對的炮孔，爆破形成楔形空間，多用于中硬以上均質巖石。每對炮孔孔底距離取為10～20cm，孔口距離則與孔深和傾角大小有關，炮孔傾角（與工作面交角）取60～75°。

3、對單段最大炸藥用量進行控制，起爆采用非電毫秒雷管，大間隔微差起爆，使相鄰段別的起爆間隔大于100ms，以減少每段起爆的炸藥量及各段爆轟波的疊加，讓爆破地震主震波相間無疊加效應，達到減小對圍巖擾動的目的，嚴格將爆破震動控制在1cm/s以內。.

4、實施全斷面光面爆破。以往說的光面爆破技術通常是指將隧道的拱部和墻部開挖按光面爆破進行設計，并使其爆破后周邊眼的炮眼痕跡率達到一定的值，但對隧道底部、墻角、仰拱、水溝、洞室的開挖并沒有按光面爆破進行設計。實施全斷面光面爆破不僅拱部、墻部要達到規范要求的光爆效果，墻角、底部、仰拱、洞室處也應按光面爆破進行設計，并同時達到和墻拱一樣的光面爆破效果，以減少超欠挖可能產生的應力集中，同時對圍巖的變形控制也起到了一定作用。

5、開挖中嚴格遵循新奧法“弱爆破、短進尺”的施工原則，嚴格控制每循環進尺，以減小每次爆破的炸藥總用量。

6、建立一套完整的爆破振動監測系統，進行信息化施工。爆破震動監測主要是為了防止下穿隧道爆破施工對地表列車運營產生影響，因此監測的位置為每次爆破施工時，在地表軌道處進行監測。采用IDTS3850爆破震動記錄儀對爆破振動進行測試，將爆破對地表高鐵無砟軌道線路聯調運行允許范圍內。

（二）爆破作業技術

1、計算允許的單段最大共同作用裝藥量

爆破地震的質點振動速度的變化規律可以用薩道夫斯基公式來描述

薩道夫斯基公式描述了爆破地震波強度隨傳播距離的增加而呈冪函數衰減的基本規律：在爆破近區，波陣面上的壓力、密度很大，致使地震波強度（能量）衰減很快;隨著傳播距離的增加，震動強度的衰減速度減慢。

根據允許安全振動速度（V≤1cm/s）通過公式（1）即可計算單段允許最大炸藥用量6.66Kg。

2、開挖方案確定

根據圍巖等級采取合理的開挖方案，做到弱爆破、短進尺、分部開挖。Ⅳ級圍巖采用三臺階開挖法，循環進尺0.8～1.0m。

3、 爆破器材的選擇

控制爆破采用中低爆速炸藥，小直徑藥卷，可以明顯減輕爆破振動效應。

4、選擇合理的起爆段間時差

控制爆破選用100ms或200ms或半秒級的等差雷管，可以進一步改善爆破效果，降低爆破振動強度。

根據工地實測數據資料，軟弱圍巖中爆破振動頻率比較低，一般多在100 Hz以下;振動持續時間大多為100～200ms。為避免段間振動疊加，段間隔時間必須大于100ms。

（三）控制爆破設計

弱爆破（控制單段炸藥總用量，選用低爆速小直徑光爆炸藥），短進尺（循環進尺L=0.8～1.0m），分部開挖（三臺階開挖）。

采取斜眼掏槽，炮眼深度：炮眼垂直深度1.1～1.3m（視圍巖情況），周邊眼鉆進方向外插角為3～5°，炮眼為ф42mm，非電毫秒雷管隔段使用，實現孔微差起爆，達到光面爆破效果。

（四）爆破振動監測

主要監測儀器主要有：IDTS 3850爆破振動自記儀，CD-1型和CDJ-1型速度傳感器，筆記本電腦等。

成都中科動態儀器有限公司研制生產的IDTS3850爆破震動記錄儀，用于對爆破振動進行信號記錄與數據分析、結果輸出、顯示打印或存盤。它直接與拾振器相連，并將其模擬電壓量轉換成數字量進行存貯，再經自身的RS232接口和計算機通訊，由計算機進行波形顯示、譜圖顯示，波形的各種特征參數及測試結果的表格顯示、打印和存盤等。

由于本隧道控制爆破震速主要是保護高速鐵路無砟軌道板安全，根據要求爆破震速不能超過1cm/s，所以測點均設在京滬高無砟軌道板上。

通過爆破振動實測數據表明，測點處的最大振動速度及頻率均滿足爆破震速不能超過1cm/s要求。

四、應用情況

本工程下穿段2010年12月17日從豎井進入正洞施工， 2011年4月26日貫通，2011年5月13日完成襯砌施工。

采取以上措施后取得良好效果，隧道洞身收斂及沉降，地表沉降均在允許范圍內。京滬高鐵無砟軌道板未發生明顯沉降和位移。

拱頂下沉量及圍巖周邊收斂最大均為HDK25+338處，拱頂下沉為4.7mm，圍巖周邊收斂為1.7mm。

地表沉降值綜合分析施工監測、第三方監測，地表路基最大沉降為1.8494mm（HDK25+435處），去除經分析為非施工造成的沉降（8號點累計沉降量為1.0424mm，此點在施工作業影響區域外，不受施工作業影響），地表最大沉降量均不足1mm。

參考文獻：

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