新建永興二號隧道洞口坡體爆破設計與加固技術研究

周軍偉

(云桂鐵路廣西有限責任公司 廣西南寧 530000)

1 前言

至2020年底，我國已建高速鐵路隧道數量達3 600多座，隧道總長達6 000 km，新建隧道的爆破振動可能危害到周邊工程結構物的安全，如何保證其安全是關注的重點。

在山嶺隧道施工中，振動效應[1]可能會破壞隧道及周邊結構物的穩定性，如隧道洞口的邊坡穩定受到裝藥量[2-3]、破振動的強度、持續時間、開挖距離以及洞口坡體[4]等因素的影響，為此，需采用不同的施工方法和支護手段對邊坡進行支護[5]。

王剛[6]提出了隧道爆破作用下高順層巖質邊的動力穩定系數計算式。苑雪飛[7]提出采用半明半暗淺埋偏壓蓋挖進洞施工工法以減少隧道洞口的土石方開挖，提高洞口邊坡的穩定性。張乾坤等[8]總結了黃土隧道洞口邊坡穩定性分析的管控技術要點。侯秋萍[9]對隧道洞口高邊坡的加固措施進行了分析，分析得到管棚超前支護對邊坡的整體沉降控制效果最好。宋佳[10]提出在隧道洞口設置大截面的框架梁可以提高邊坡穩定性。狄琛等[11]利用數值分析手段優化了隧道洞口邊坡的放坡位置。黃海寧等[12]研究了隧道洞口邊坡落石的危害性，指出需要采取相應的防治措施。

由于建設場地地質條件的不確定性和建設環境的復雜性，山嶺隧道施工控制具有極強的個案性。本文依托新建貴南高鐵永興二號隧道建設工程，考慮廣西地區山體易受振動擾動的特點，提出先行對山體進行爆破施工與機械施工相結合開挖，形成邊坡后進行隧道開挖的施工思路，設計現場爆破方案并對爆破后隧道和邊坡的穩定性進行驗算分析，驗證該施工方案的可行性，為今后類似工程建設提供重要參考。

2 工程概況

新建貴陽至南寧高速鐵路站前GNZQ-4標永興二號隧道所處地質環境復雜，進出山體地形險峻，對隧道的貫通形成了極大的挑戰。隧道施工區域主要工程地質問題有危巖落石、巖溶、破碎帶、緩傾巖層及弱膨脹土。危巖為弱風化的灰巖、白云巖，石質堅硬，節理裂隙、裂縫較發育，由于不斷被溶蝕結構面和節理結構面切割、分離，巖體完整性較差，局部形成孤石，危巖運動主要以落石形式發生，崩塌形式次之。

永興二號隧道洞口設計斷面圖如圖1所示。

圖1 永興二號隧道洞口設計斷面圖

隧道里程為 DK287+940～DK288+274，全長334 m，最大埋深148 m，隧道絕對高程190～367.7 m，相對高差為30～80 m，洞口距地面27 m。永興二號隧道所處地質條件依次為:(1)地表黏土，呈現灰褐色～棕黃色，硬塑狀，含有少量的灰巖質角礫和塊石，其中塊石土呈淺灰色，母巖為灰巖，為山體陡崖崩落堆積，塊徑為0.5～1.5 m，主要分布于山坡坡腳及斜坡地帶，厚度為2～6 m，屬于Ⅴ級次堅石；(2)灰巖及白云巖，呈現灰～深灰色，隱晶～細晶質結構，節理、裂隙較發育裂隙張度1～5 cm，最大約30 cm，巖表溶蝕凹槽、溶隙較發育，屬Ⅴ級次堅石。

在隧道進口上方，仰坡順層清方開挖成五級邊坡，因此需對山體進行爆破施工，山體開挖東南兩面均為空地，在隧道出口處正東方向30 m處存在錨墩，連接2根60 m長斜拉鋼索，錨索架高過江輸油管道，隧道出口正前方27 m處存在埋深約為0.8 m的輸油管道，山體西面350 m處存在居民房屋，山體隧道進口位于背面，地勢平緩，植被發育，用于2號隧道相鄰1號隧道的堆渣場地，山體西側山腳下用于2號隧道堆渣場地。

3 爆破方案設計及安全距離校核

3.1 爆破方案的總體設計

本工程的特點是修建一條環山的施工便道公路，路面寬4 m，屬露天石方爆破，由于該山體整體坡度較陡峭仰角約50°，爆區地處山區，需采用小孔徑鉆機鉆孔，并進行淺孔松動爆破。該山體巖性屬弱風化石灰巖，可爆性好，大部分應選擇淺孔臺階爆破，按公路部門設計要求，部分邊坡采用光面爆破。每50 m修建交匯停車區長約8 m寬約7 m；滿足大型施工機械、運輸車輛的順利通行，坡度按照每公里20°～30°。

為方便修建施工便道，采用鉆孔直徑為38～42 mm的小型鉆機鉆孔，采用鉆孔直徑90 mm的淺孔鉆機鉆孔，采用中(深)孔松動控制爆破完成山頂的石方爆破，采用微差起爆技術對總藥量進行控制，設置合理爆破參數以減少爆破振動、飛石、沖擊波、噪聲和煙塵的危害。

3.2 炮孔參數和起爆網路設計

3.2.1 炮孔參數設計

在實際施工過程中，根據設計數據，先鉆少量炮孔裝藥試爆，視試爆的爆堆密集度、大塊產出率、飛石距離、塊度均勻度、爆破對周邊的影響狀況，綜合考慮，再調整出合理的鉆孔、爆破參數。

針對淺眼排孔爆破，各參數設置如下，孔徑d＝42 mm，開挖高度H＝3.0 m，最小抵抗線W＝0.4H＝1.2 m，炮孔間距a＝0.6W＝1.8 m，超深h＝H＝0.3 m，炮孔深度L＝H+h＝3.3 m，炸炸單耗q＝0.3 kg/m3，每廷米裝藥量P＝1.0 kg，單孔裝藥量Q＝q˙W˙a˙H＝1.94 kg，裝藥長度L2＝Q/P＝1.94 m，填塞長度L1＝L-L2＝1.36 m，表1給出了不同鉆孔深度對應的鉆孔爆破參數。

表1 不同鉆孔深度對應的爆破參數

針對山體仰坡進行光面爆破，為保持邊坡的平整度和穩定性，各參數設置如下，臺階高度H＝4 m，傾角α與設計邊坡一致，孔深L＝H/sinα，孔距a＝0.4 m，排距b＝1.2 m，炸藥單耗q＝0.25 kg/m3，單孔裝藥量Q＝q˙a˙b˙l＝0.25×0.4×1.2×4＝0.48 kg，底部0.5 m處加強裝藥，藥量為正常藥量2倍，上部填塞長度取1.0 m，靠填塞段下面1 m為減弱裝藥段，裝藥量為正常裝藥量的0.5倍，孔內采用導爆索，裝φ＝25 mm藥卷與導爆索捆扎在竹片上裝入孔內，孔口留0.5 m用黃泥進行堵塞。

針對中(深)孔控制爆破參數，孔徑d＝90 mm，臺階高度H＝5.0 m，鉆直孔角度φ＝80°～85°，超深h＝0.2h＝1.0 m；炮孔深度L＝H+h＝6.0 m；底盤抵抗線W1＝3.0 m；炮孔間距a＝4.0～4.5 m，排距b＝3.0～3.5 m，堵塞長度L2＝3.0～4.0 m，炸藥單耗q＝0.40～0.55 kg/m3，裝藥線密度ρ90＝5.0 kg/m；采用人工連續柱狀耦合裝藥方式，表2為孔徑90 mm時單孔裝藥量的計算表。裝藥結構:根據巖石性質、結構變化情況，靈活適用調整。

表2 炮孔直徑d＝90 mm單孔裝藥量計算

一次爆破規模10孔:一般2排孔進行爆破，單排孔數約5～6個，一次爆落方量V＝2 300 m3，一次炸藥總量Q＝1 000 kg。

3.2.2 裝藥填塞及起爆網路

采用連續柱狀裝藥結構和臺階中深孔爆破孔布置剖面圖如圖2所示。裝藥前對炮孔孔位、炮孔深度和炮孔內積水進行檢查，對積水采用人工排水或壓氣排水處理。對于堵塞段無水的炮孔，孔口一律采用炮泥，填塞時應邊填邊輕輕搗實，少填勤搗，防止卡孔，并注意保護雷管線。對于孔口填塞段有水炮孔，先將水抽干，后進行堵塞。

圖2 連續裝藥結構

爆破使用導爆管起爆法，采用孔內延期或孔內孔外延期接力起爆網路:(1)孔內延期需按所要求的起爆順序放入相應段別的延期雷管，做到單孔單段；(2)孔內孔外接力起爆一般采用孔外傳爆雷管串聯，孔內延時雷管并聯。孔內起爆雷管采用高段位，孔外傳爆雷管采用低段位，以確保起爆網路的準爆性，每孔內裝1～2發(視作業實際要求情況靈活變動)塑料導爆管雷管。使用擊發針對連接網路進行起爆。圖3分別給出了光面爆破裝藥網路連接圖和淺孔爆破網路串聯起爆圖，其中圖中數字代表爆破時間，對應為山體爆破和施工便道爆破。

圖3 爆破起爆網路

3.3 爆破允許安全距離校核

根據現場實際對爆破振動速度和最大單響藥量進行校核驗算，以保證周邊建(構)筑物、人員及其他設施的安全，將各種有害效應控制在最小范圍內。

3.3.1 爆破振動速度與最大單響藥量

為控制爆破振動對周邊建(構)筑物產生危害，需控制一次齊爆的最大允許裝藥量。

取齊發爆破總藥量Q＝72.0 kg，延時爆破總藥量Q＝3.0 kg，露天爆破，管道和民房R＝350 m；修路與管道，R＝30 m，經計算得:Q＝72.0 kg時，V管道＝0.07 cm/s；Q＝3.0 kg時，V管道＝0.8 cm/s，V民房＝0.06 cm/s；都小于《爆破安全規程》規定的爆破安全振動距離最小值2.0 cm/s。

3.3.2 爆破沖擊波安全允許距離

在露天炮孔施工爆破中，該工程采用松動爆破施工，也采用分段起爆、減小藥量的方式控制沖擊波。該場地四周較空曠，空氣沖擊波易衰減，實際影響較小，忽略不計。

3.3.3 個別飛石的最大距離

個別飛石的最大距離按下式計算:

Rmax＝kd

式中，Rmax為飛石的飛散距離；k為安全系數，取值范圍為15～16；d為炮孔直徑。

取k＝16，對于中深孔爆破，取d＝9.0 cm，Rmax＝144 m，對應中深孔的個別飛石為144 m；對于淺孔爆破取d＝4.2 cm，Rmax＝67.2 m，對應淺孔的個別飛石為67.2 m；符合《爆破安全規程》的安全警戒半徑300 m的要求范圍。

4 洞口山體加固及坡體穩定性分析

在進行山體爆破清方后，隧道進口設置永久護坡，設置6級護坡，在第1、3、5、6級仰坡坡面采用錨桿框架梁內生態護坡，邊坡分級高度為20 m，采用形式為框架梁與噴錨網護坡防護結合的方式，框架梁節點間距為4 m，正方形布置，錨桿設置在框架梁的節點上，按與水平面向下25°施作，錨桿直徑110 mm，邊坡最底部一排錨桿長度為5 m，其余錨桿長度均為12 m。圖4為仰坡施作完成后現場圖。

圖4 仰坡完成后現場

為研究山體爆破清方后坡體的穩定性，建立有限元數值計算模型，分析不同施工階段的坡體和隧道的穩定性及對應的位移。框架、隧道采用板單元，錨索錨桿采用桿單元，巖土體采用摩爾-庫倫本構模型，巖石體重度23 kN/m3、彈性模量2.6 GPa、泊松比0.23、粘聚力300 kPa、內摩擦角35°；框架梁厚度 0.1 m，重度 25 kN/m3、彈性模量 30 GPa、泊松比0.28；隧道厚度1 m、重度25 kN/m3、彈性模量40 GPa、泊松比0.25；錨桿軸向剛度EA＝6.5e6 kN、錨索彈性模量300 GPa、重度24 kN/m3、直徑0.11 m、預應力200 kN。設置節點數為18 989，限于篇幅，圖5給出了隧道完成后仰坡的穩定性云圖，經計算，坡體清方(未支護)的最大位移為22 mm，仰坡施作后山體的最大位移10 mm，隧道施工完成后坡體位移為2 mm。由強度折減法計算坡體安全系數，仰坡施作后強度折減后安全系數為1.935，隧道施工后，安全系數略有降低，為1.761。

圖5 三維模型穩定性分析(隧道完成后仰坡)

5 結語

針對新建貴南高鐵永興二號隧道洞口山體危巖和落石的現狀，為保證隧道進洞施工安全，設置合理的爆破參數和爆破方案，并對完成支護后的仰坡穩定性進行分析。得到以下結論:

(1)首先對山體實施爆破清方，對施工便道和山體設計爆破方案，采用淺孔和中(深)孔進行爆破控制，清方完畢后，施作6級仰坡進行山體加固，隨后進行隧道施工，并對爆破安全距離進行校核。

(2)通過對山體設置6級邊坡支護，有效控制了山體清方后的位移，確保了隧道穿越山體的穩定性，為后續隧道的爆破施工提供了有力保障，該工程可為在廣西地區的高鐵建設提供參考。