花崗巖地層中既有車站內爆破進洞技術

袁旭東

(中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

1 引言

因隧道洞口與既有車站結構為零距離，隧道洞身范圍為高強度微風化花崗巖地層，周邊環境復雜，如何實現安全順利進洞，既要做到對既有車站結構無損傷，還要對能采用的工藝工法從進度、成本、可行性等方面進行詳細分析比選，才能得出科學合理切實可行的方案來確保正常施工。

2 工程概況

廈門2號線2標一工區包括一站兩區間，其中東渡路站～建業路站區間左線長987 m，右線長1 002 m，采用礦山法施工，原設計共兩個豎井工作面，受工期制約，增設至四個工作面，其中東渡路站工作面位于既有車站內，東渡路站結構已完工，暗挖隧道洞門位于車站負四層端墻內。區間隧道與車站接口如圖1所示。

隧道洞身約78 m范圍全部位于全斷面17-5微風化花崗巖層內，如圖2所示。17-5微風化花崗巖:巖芯多呈15～50 cm柱狀，巖質堅硬，錘擊聲脆，飽和抗壓強度63～124 MPa，天然抗壓強度9.2～147.68 MPa，標準值為 118.19 MPa；屬堅硬巖，巖體基本質量等級Ⅰ～Ⅱ級。

圖2 地質縱斷面示意

3 周邊環境

本區間兩側重要建(構）筑物較多，主要有雙獅南里小區、寶鷺苑小區、振華大廈、國際郵輪城，東渡路廈金碼頭截流泵站及排水箱涵等，隧道下穿現狀道路范圍內周邊地下管網繁雜，類型眾多，管徑及埋深不一。

其中寶鷺苑小區為無樁基礎小區，與隧道邊線最小距離僅為4.8 m，國際郵輪城地下室樁基礎與隧道邊線距離為2.5 m。如圖3所示。

圖3 隧道與周邊建筑物關系

4 方案比選

根據設計參數及地質情況，針對硬巖隧道暗挖施工主要分為爆破和非爆兩類，具體可選擇工法有:液壓式巖石分裂施工、靜態爆破、二氧化碳氣體爆破、懸臂式隧道掘進機、鉆爆法等。

4.1 液壓式巖石分裂施工[1]

靜爆液壓式巖石分裂機裂巖施工，液壓巖石分裂機擬采用重慶靜爆機械化工程有限公司改裝或生產的專業設備。由于巖石強度高達120 MPa以上，首先取孔時間極長，其次高強度花崗巖裂巖效果待驗證，進度指標受裂巖效果和破除工作等影響難以確保，裂巖棒水平孔作業難以實施等，靜爆公司指出本工法難以滿足高強度花崗巖地層暗挖隧道的巖石破碎作業。

4.2 靜態爆破劑爆破[2]

通過膨脹劑灌入巖體內，發生水化反應，固體硬化，溫度升高，體積膨脹，把巖石漲破，產生裂隙或裂縫，再通過機械破除達到開挖目的。本工程進洞采用該方法則鉆孔過多，周期長，施工成本過高，開挖進度極其緩慢，破碎效果受溫度影響較大，開裂時間不宜控制，臨空面要求高，有噴漿和強堿性危害等，該方法只有在特殊的施工環境下及個別有約束條件的工程中采用，本工況下實施靜態爆破，理論上具備可行性，但可操作性較低。

4.3 二氧化碳氣體爆破[3]

液態二氧化碳相變致裂技術是屬于物理爆破技術，該工法效率過低，步驟過于繁瑣，每天炸不了幾次，環節多了出問題的機率就多，震動力雖不大，爆破聲響比較明顯，本工法主要適用于礦井的采煤工作面，當前這項技術仍不完善，成熟度不足，仍處在不斷成長和發展階段，對臨空面要求高，深基坑及隧道等作業面均不適合，且爆破威力較小，根本無法滿足硬巖地層爆破施工，多家設備廠家及專業隊伍均表示該工法無法運用于高強度花崗巖暗挖隧道施工。

4.4 懸臂式隧道掘進機[4]

懸臂式掘進機作為一種新工藝，在國內正逐步應用，開挖較靈活，通過機器前段切割機構的上下左右擺動及切割頭旋轉破巖，可實現城門洞形、半圓形、矩形、馬蹄形等不同形狀的斷面掘進。

硬巖地層施工時，尤其是硬度超過80 MPa的地層，掘進機施工沒什么優勢，主要體現在截齒的消耗，硬度越高，截齒損耗越大，成本高于鉆爆法；施工效率低，破巖能力低。

徐工廠家意見:巖石強度大于100 MPa以上不建議采用本工法。根據地勘報告巖石試驗強度遠大于理想值，不適宜采用本方案。

4.5 鉆爆法[5]

由于交界處左右線隧道洞口與車站結構為零距離，距離隧道邊線僅4.8 m還有老舊無基礎小區，此條件下實施爆破進洞，必須做到爆破對車站結構無損傷，還要求爆破振速小、聲響小、外界影響小、爆破效果好，因此對爆破控制和爆破防護均要求極高，由于爆破沖擊及爆破振動難以減免，對洞口處車站主體結構難以實施爆破防護，必須通過不斷試驗總結來制定科學合理的爆破方案，必須通過增加減震措施、深化爆破設計、進行車站全面防護等技術手段和保證措施，可以通過試驗總結確定爆破效果。

通過綜合比選，高強度花崗巖暗挖隧道的非爆破施工確實屬于全國性難題，從進度、成本、效果、方案切實可行性等角度綜合考慮則只有鉆爆法較適宜，選用鉆爆法需協調好周邊影響因素，需進行科學嚴謹的爆破設計，增加減震措施，做好全方位爆破防護等。

5 爆破進洞方案

爆破設計要求振動小，聲響小，效果好，為確保安全進洞及盡可能減小振動，擬實施進洞方案思路如下:

采用風槍鉆沿上臺階開挖輪廓線打設一排直徑50 mm孔，間距10 cm，作為減震空孔；再打設第二排孔間距50 cm，鉆孔完成后采用聚能管水壓爆破技術[6-7](藥量小，體積均勻，振動小，定向爆破）實施爆破，最終形成5～15 cm寬隔震槽，以緩沖、反射開挖爆破產生的振動波，控制其對保留巖體的破壞，最大程度減小爆破振動對周邊結構的影響，再實施爆破進洞施工。

5.1 隔震槽施工

原理同預裂爆破，隔振槽鉆孔直徑D=50 mm、沿輪廓線鉆水平孔，孔深為L=2.2 m、孔排距b=10 cm、第一排孔間距a=10 cm、第二排孔間距50 cm，如圖4所示。

隔震槽第二排孔裝藥結構為底部裝填1袋水袋，然后填裝1.5 m聚能管裝置，最后用炮泥堵塞。炮眼總數各一半分1、3段起爆，其中聚能管長1.5 m，裝藥延米量0.4 kg，單孔藥量為0.6 kg。如圖5所示。

經試爆后，爆破效果較好，爆破后各炮孔間明顯裂縫且全部碎裂，毗鄰建筑物處最大爆破振速為1.13 mm/s。

圖4 隔震槽布孔

圖5 聚能管裝藥結構

5.2 爆破控制

爆破危害主要是爆破振動，爆破振動安全允許距離，可按下式計算[8]:

式中，R為爆破振動安全允許距離(m）；Q為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量(kg）；V為保護對象所在地質點振動安全允許速度cm/s；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，可按表1選取，或通過現場試驗確定。

表1 爆區不同巖性的K，α值

通過實測掌子面中心與振動監測埋設點之間距離獲取準確R值，通過現場統計同段位齊爆藥量獲取準確Q值之后，我們可計算獲得K、α值，結合實測的最小R值及本工程內控允許V值1.0 cm/s(規范允許值2 cm/s），從而計算獲得允許最大一段用藥量Q，現場要根據實測的最小R值采取措施進行爆破控制:

控制單孔的裝藥量；控制單循環進尺及加強堵塞；控制微差爆破的時間間隔在50～100 ms以上；跳段使用雷管；根據監測記錄，及時修正K、α值。

5.3 進洞爆破設計[9]

開挖采用臺階法施工，核心是采用預裂爆破，掏槽眼采用拋擲爆破。

(1）炮孔計算

炮孔深度:通過查表，根據巖石堅固性系數f與掘進斷面大小對應選取，具體見表2。

表2 掘進參數

本工程巖石堅固性系數f按花崗巖取f=8～15。

區間隧道采用臺階法施工，斷面面積為34.6 m2，斷面面積較小，爆破開挖進尺每循環為1.0 m，所以掏槽眼深度1.5 m，輔助眼深度1.3 m，周邊眼深度1.2 m，底板眼深度1.5 m。炮孔數目:按下式估算:

式中，N為炮孔數目(個）；f為巖石堅固性系數；s為巷道掘進斷面面積(m2）。

通過計算，理論炮孔數量為N=81個。

(2）炮孔布置

周邊眼抵抗線w取60 cm，周邊孔間距應小于抵抗線，理論周邊眼取50 cm[10]，上臺階為考慮安全進洞周邊孔按間距10 cm取孔先實施預裂形成隔震槽。

炮眼的間距，視巖石的類別、節理發育程度，參照下式計算確定:

式中，a為炮眼間距(mm）；w為最小抵抗線(m）；b為系數，采用電雷管起爆為0.8～2.3。

圖6 上臺階炮孔布置

掏槽孔間距取50 cm；周邊輔助眼其間距為周邊眼的1.5倍左右，取間距70 cm；底板眼間距取70 cm；輔助孔布孔在參照炮孔總數及排間距等參數的基礎上，前后排間距按爆破漏斗原理或三角形原理進行交錯布孔，且由于越靠近掏槽眼的輔助孔爆破夾制作用越大，故輔助眼越靠近掏槽眼，抵抗線越小，最外層輔助孔的抵抗線最大，輔助眼眼距取50 cm；當使用多排排炮爆破時，炮眼應按梅花形布置，炮排距約為同排炮孔距的0.86倍，排距為45 cm。上臺階每次爆破進尺為1.0 m，由于洞口與東渡路站為零距離，為減小爆破飛石塊度，擬增加掏槽眼中間分布眼，采用MS2雷管起爆段位，介于掏槽眼段位與掏槽輔助眼段位之間，既不影響掏槽效果，又能減小石塊體積。如圖6所示。

上臺階進尺3～5 m后開始施工下臺階，下臺階每次爆破進尺為1.0 m，采取控制爆破，控制分組，可施作空孔，增加自由面，改善爆破效果。為改變下臺階爆破主要飛石方向，加密上下層炮眼間距，根據巖石情況取上下層炮眼間距為70 cm，使下臺階爆破最小抵抗線方向向上，進而使爆破飛石主要方向向上，減小對車站結構物的破壞。如圖7所示。

圖7 下臺階炮孔布置

(3）炸藥量計算

按巖石堅固系數選定單位耗藥量，堅固系數取11，據工程類比取炸藥單耗q=1.4 kg/m3。每循環炸藥總量計算:

式中，Q為每循環裝藥量(kg）；q為單位裝藥量(kg）；v為巖體體積(m3）。

每循環開挖1 m炸藥用量為:

根據計算，藥量分配如表3所示。

表3 單孔藥量分配

(4）裝藥結構及起爆方法

采用非電毫秒雷管起爆系統，雷管段位對號入座，為了增強起爆效果，隔段選用毫秒雷管；采用連續耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷；導爆管與藥卷捆扎在一起，使其固定在預定位置，如圖8所示。

圖8 主炮孔裝藥堵塞結構示意

采用接力式簇聯導爆管雷管起爆網絡，用電雷管引爆若干發捆綁導爆管雷管，再由捆綁導爆管雷管引爆炮孔中的雷管，用普通起爆器起爆。起爆順序:掏槽眼→輔助眼→周邊輔助眼→底板眼。

6 其他措施

6.1 監控量測[11]

(1）對周邊房屋的沉降、位移需進行加密監測，頻率為每8 h一次。

(2）設置4處振速監測點，分別在洞口附近側墻處、距離洞口10 m處結構內、距離洞口20 m處結構內、距離隧道最近地面既有建筑物處。

(3）做好站內結構及周邊房屋外觀巡查并詳細記錄。

根據監測數據及時調整爆破參數，嚴格控制爆破振速，確保安全施工。

6.2 爆破防護措施[12]

(1）對車站洞門、立柱、側墻等結構的防護

采用塑料泡沫、土工布、氣墊等緩沖材料對結構進行全方位包裹，能對飛石沖擊起到緩沖的作用，以免飛石對外伸結構角造成損壞。

(2）對車站內部結構的防護

采用炮被、竹排編制簾等設置阻擋飛石進入結構內部，且能對爆破沖擊波起到消聲效果，需設置3～4道防護簾。

7 結束語

通過對進洞方案充分比選，選用了爆破進洞，并制定了科學合理的爆破方案，采取了爆破控制，通過增加減震措施、深化爆破設計、監測數據指導施工，加強了爆破防護措施，并進行試驗總結確定了爆破效果，爆破振速嚴格控制在1 cm/s以下，安全可控，在保證爆破進尺效果的前提下確保了站內結構完全無損，確保了周邊建筑物的安全，成功實現了花崗巖地層中既有車站內爆破進洞。