上跨既有線鐵路隧道路基石方控制爆破施工技術

趙富民

（中鐵十四局集團第一工程發展有限公司 山東日照 276826）

隨著我國交通運輸工程的不斷進步和發展，同一地區新建公路工程受地形、水文地質條件、周圍建筑物的限制不可避免。而傳統的公路土方爆破會產生噪聲、飛石、振動等有害影響［1］。當公路跨越既有隧道時，爆破振動控制關乎著既有隧道的結構穩定性，爆破開挖可能會導致隧道發生整體隆起［2］等安全隱患。國內目前有眾多學者對此類工程有過研究，張勤［3］等對旅游公路上跨高速公路隧道施工及運營期間對隧道運營安全的工程技術進行了研究，實踐效果較好。丁祥［4］采用經驗計算和數值模擬相結合的方法研究高速公路上跨隧道時路基石方爆破振動影響，得到了振動影響因素及振動方向與爆源及監測點的關系。丁晨曦［5］通過數值模擬手段，對爆破施工對下方既有隧道的襯砌響應進行研究，得到了爆破位置、不同爆破荷載及機械/爆破混合方案對既有隧道的影響特征。Kaslik M［6］等對隧道上方發生爆破的結構損壞進行了研究，確定了隧道不同程度損壞相關的振動水平。齊立賓［7］、趙晉超［8］等人介紹了上跨隧道路塹爆破的相關施工技術。目前，大部分的研究是通過數值模擬的手段進行實現，本文從現場實際出發，有針對性地制訂爆破方案與參數，通過現場實踐來驗證其合理性，為今后類似工程的爆破施工提供參考。

1 工程概況

呈貢42 號路（黃馬高速呈貢南立交連接線）施工項目地處昆明市呈貢區吳家營街道，其中深挖路塹總長700m，總挖方工程量達到243 萬m3，需爆破石方工程約214.6萬m3（占比達88%）。42號路主線路基上跨南昆客專新蓮隧道，最大挖高達到64m，爆破施工垂直距離與南昆客專新蓮隧道拱頂最近處僅73.7m，傳統爆破方案勢必會對既有隧道結構造成破壞。本次石方爆破開挖過程施工難度大，安全風險高，需根據工程實際選擇合理的爆破方案和爆破參數加以控制。

2 爆破方案選取

呈貢42號路路塹開挖采用爆破法施工，對于爆破振動對南昆客專新蓮隧道產生的影響，主要考慮通過控制鉆孔深度和試爆、施工總結的合理的孔網參數、減小爆破規模、采用數碼電子雷管逐孔起爆等措施來進行安全控制。

根據《爆破安全規程》［9］、《鐵路工程爆破振動安全技術規程》［10］，結合昆明市呈貢42號路（黃馬高速呈貢南立交連接線）上跨昆玉河、南昆客專部分施工圖設計涉及《鐵路隧道安全內容評估報告》的評估結論及建議，本文將爆破振動對南昆客專新蓮隧道的最大振速按2cm/s 進行控制。并以隧道振動速度80%，即將1.6cm/s 作為報警值。根據相關規范［11］要求，呈貢42號路上跨既有鐵路隧道路基爆破施工為鄰近鐵路施工Ⅱ級，故爆破施工方案定在天窗時間內進行，該時間段內無列車通行。

3 爆破施工準備

3.1 技術準備

對路基中線進行恢復，清理出路基邊線，釘牢路基邊樁，并依據實際地形與地質特征、開挖爆破深度等選擇合理的爆破施工方案。做好安全交底和技術交底，讓現場施工人員都能有足夠的安全意識，了解此次爆破施工的安全隱患，并在開展工作時能嚴格按照相關規程與標準進行。

3.2 材料與機具設備準備

制定爆破材料與器材的存放儲存與運輸措施，主要包括炸藥、導爆管、電子雷管、導爆索、卡口塞、四通管等。確保鉆機、空氣壓縮機（內燃機）及其他設備儀器滿足使用要求且沒有故障問題。

3.3 人員配備

爆破員、防護員、押運員、安全員、倉管員等必須具有相關安全部門頒發的專業執照，并且具有足夠的爆破施工經驗與知識，對現場鉆孔人員及爆破人員應做好嚴格的防塵防爆保護措施。

4 爆破設計實施

4.1 爆破參數設計原則

淺孔爆破施工中炮孔口徑要求不大于50mm，且深度要求不大于5m。針對本項目實際施工情況，對現場淺孔爆破方案需從爆破振速、爆破殘渣、爆破危害3個方面確保路基石方爆破施工不出現根底，并且爆堆呈現不分散及爆破后石方具有一定松散程度，以便于后續爆破殘渣的轉載運輸，爆破后大塊石方不大于5%，且石塊粒徑大小不大于30cm以便用于填石路基，若出現粒徑過大的爆后石塊，采用機械分解的方式進行處理。另外，還要降低爆破危害效應，即減小爆破產生的震動、噪聲、飛石等對周圍建筑物及人員的危害。基于以上原則，根據試驗結果進行不斷調整和修改爆破參數，從而確定合理的布孔方式、孔網參數、裝藥結構、裝填長度、起爆方式、起爆順序和單位炸藥消耗量等參數，以期能達到最佳的淺孔精準控制爆破施工效果。

4.2 爆破參數選取

本項目爆破施工采用全液壓露天鉆機，三角形布孔，鉆孔口徑42mm；使用2 號巖石乳化炸藥，直徑32mm，單卷長度30cm，單卷重量300g，爆破方案相關參數如表1所示。

表1 爆破方案參數取值

4.3 爆破網絡布置

電子雷管在安全性、降振性、便捷性方面相比其他起爆雷管有著不可比擬的優勢，在國家大力推廣電子雷管的大背景下，并且根據電子雷管使用的時間和使用數量的要求，本文選用電子雷管作為露天淺孔爆破首選的起爆器材，從而實現高精度的、可控的逐孔起爆網絡，達到控制爆破振速的目的。

4.4 爆破流程

爆破流程關系著最終的爆破施工效果，本次淺孔爆破流程為：施工前期準備；爆破施工說明書的編制；確定爆區情況；選配機具設備與材料；檢查作業平臺；鉆機及爆破鉆孔人員就位；清理爆區剩余雜質；鉆孔施工；裝藥填塞及炸藥與雷管聯結；爆破安全措施；警戒與起爆；安全隱患排除；清理啞炮；警戒信號解除；估爆破施工效果；修改設計參數；進行下一循環爆破施工。

5 爆破安全控制及爆破實踐

5.1 爆破安全校核

5.1.1 爆破振動安全容許距離

采用規范［9］中對于計算安全容許距離的相關公式：

式中，R為計算安全容許距離（m）；Q為裝藥量，齊發爆破方式和延時爆破方式分別為總裝藥量（kg）和最大單段裝藥量（kg）；V為爆破施工保護對象所能承受的安全容許質點振速，按照鐵路局相關規定，選取預警值1.6cm/s；K、a分別為與爆點到目標保護對象之間與地形和地質工程條件相關的系數和衰減指標，本文參照相關規程分別取180、1.6。

本次爆破施工最大單次爆破量約為1200m3，炸藥消耗400kg，炸藥單耗量為0.33kg/m3，其中具體布孔數量為10（排數）×10（單排孔數），孔深在5m 左右，單排炸藥量為40kg。下方新蓮鐵路隧道與爆破施工點相距73.7m，為最近結構物即保護對象。

在允許最大振速1.6cm/s 的前提下，根據式（1）計算安全容許距離得R=65.5m，小于73.7m，路基石方爆破振動不會對既有下方隧道產生有害影響。

5.1.2 爆破飛石距離

飛石飛散距離采用瑞典德湯尼克公式［12］：

式中，Rf為飛石計算距離（m）；Kq為安全系數，取值15.7；D為炮孔孔徑（cm），實際鉆孔孔徑為4.2cm。

根據式（2）計算飛石距離Rf為65.94m，滿足《爆破安全規程》中關于淺孔臺階爆破距離不大于300m的規定。為確保施工安全，仍按300m設置飛石警戒范圍。

在爆破振動安全容許距離及爆破飛石距離都能達到相關規范的安全標準的前提下，采用電子雷管高精度逐孔控制爆破施工，將最大限度地減少爆破對于下方既有隧道及周圍生態環境的影響。

5.2 安全技術措施

（1）在制作藥包時，炸藥和雷管二者之間的結合要確保牢固，避免炸藥和雷管之間發生松動而引起拒爆。

（2）裝藥施工中要嚴格管控炸藥的填塞位置、長度和質量，填塞不得夾帶碎石，以免對起爆材料的性能、炸藥威力等產生影響。

（3）選擇合理的爆破孔網參數和炸藥單耗，采取密孔布置，采用低單耗和弱松動的爆破原則，以減小爆破振動的有害影響。

（4）避免結構物方向與最小抵抗線方向相向，從而避免飛石破壞。

（5）嚴格實行300m 警戒范圍的設置，并且每次爆破中實行3次信號警示制度，即一炮三信號。

5.3 爆破實踐結果分析

整個上跨既有線鐵路隧道爆破施工實踐爆破振動監測結果如圖1所示，利用無列車通行天窗時間段，根據結構物抗振實際情況，采用密打眼、少裝藥、多循環淺孔精準控制爆破的方法有效地控制了爆破振動速度。最終爆破后隧道內的振速監測數據顯示最大為1.339cm/s，低于預警值的1.6cm/s，爆破振速始終在安全標準容許的范圍之內，且與安全校核值相近。且通過對既有線鐵路隧道的裂縫和變形監測和隧道交通運營情況觀測結果顯示，隧道結構并沒有受到損害，隧道運營并沒有受到影響。實際爆破施工中沒有出現明顯的飛石，且出現的微弱的飛石情況并沒有對周圍建筑及人員造成傷害。總而言之，此次爆破施工安全有效，整體效果達到預期標準。

圖1 爆破振速監測數據

6 結語

公路路基石方爆破在遇到上跨既有鐵路隧道時，除傳統的飛石與噪聲危害需要注意外，更重要的是要防止爆破振動對既有隧道產生結構性的損傷。本文依據工程實際，合理地選擇爆破方案及制定相應的安全技術措施后，根據現場實踐數據顯示，將爆破振動速度完全控制在了規范允許的安全范圍之內，該爆破技術對公路上跨既有鐵路隧道類似工程具有較高的普及推廣價值。