運營鐵路隧道引水洞爆破振速控制關鍵技術研究

張 玉

(中鐵十九局集團第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 前言

近年來，我國高速鐵路快速發展，其中隧道工程所占比重越來越大，隨之而來的滲漏水引起的事故成為高鐵隧道主要安全事故之一，對鐵路運營造成巨大影響[1]。而治理隧道滲漏水多采用增設引水洞方式進行引排水，新增引水洞根據圍巖類別及級別和施工條件，采用的開挖方式主要為機械法(掘進機法)和傳統礦山法(爆破)。采用爆破開挖產生的振動勢必對運營高鐵隧道造成一定程度的危害和影響，嚴重時會引發不可預料的后果[2]。因此研究科學的爆破振動振速控制技術意義重大[3]。隨著隧道施工新技術、新工藝、新材料的不斷改進和發展，一些新技術、新工藝、新材料也逐漸應用于降低爆破振速控制中[4]。

2 工程實例

西成客專小安隧道全長13 423 m，運營1年多后受連續暴雨影響，洞身標7 000多米處施工縫嚴重漏水，采取應急搶險措施后，制定了新增引水洞進行引排水措施。引水洞全長960 m，從小安隧道2號橫平導進入，采用4.5×5.9 m(寬×高)凈空斷面，線間距為30～50 m，要求爆破控制振速為2.5 cm/s。

本段地表為構造侵蝕低中山峽谷地貌，地形起伏大，埋深約370 m。本段地層巖性有第四系全新統人工填土()、溶洞充填()粉質黏土、細角礫土，二疊系下統(P1)灰巖、白云質灰巖夾炭質灰巖、角礫狀灰巖、頁巖。

3 開挖方案選擇和擬定

開挖方式主要為掘進機法和爆破法，由于本段引水洞地質巖性主要為灰巖，經試驗測定巖石強度達到63 MPa以上，巖石堅硬且整體性非常好，通過類比及了解同類工程施工經驗，如采用小型掘進機掘進開挖，施工難度極大[5]。因此最終選擇爆破開挖法，并進行振速監測，僅在天窗點內實施爆破。

經綜合參考并研究同類工程實例，為控制振速影響，確保鐵路運營安全，擬綜合應用數碼電子雷管起爆和水壓爆破技術[6]、增設減振孔、振速自動監測系統等一系列措施。爆破設計方案完成后進行試爆以取得最佳爆破參數，使爆破振動影響控制在要求范圍內。

4 開挖爆破振速控制技術

4.1 爆破控制設計

4.1.1 最大單段裝藥量控制計算

由爆破引起的地震波是對既有結構物和周圍建筑產生破壞作用的主要因素[7]，因此要求振速控制在2.5 cm/s以內。在隧道開挖爆破過程中，振速主要與一次性起爆的藥量有關，單段最大裝藥量采用薩道夫斯基經驗衰減公式[8]:

式中:Q為單段最大裝藥量(kg)；v為保護對象所在地的質點振動安全允許速度(本處為2.5 cm/s)；K、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數；R為爆源中心至振速控制點的距離(m)。泄水洞中線距正洞左中線30 m，其爆破區藥量分布幾何中心至正洞邊緣距離R＝25.44 m，取最小凈距(見圖1)。

圖1 泄水洞中線距正洞邊緣距離

根據正洞開挖及同類巖石取樣試驗，各級別圍巖均較硬，強度在40～79 MPa間，其中Ⅲ、Ⅳ級圍巖達到60 MPa以上。K、α取值范圍見表1。

表1 不同巖性的K、α值

根據式(1)[9]，及不同圍巖K、α取值，計算出單段最大裝藥量為:Ⅲ級圍巖13.05 kg、Ⅳ級圍巖為11.98 kg、Ⅴ級圍巖為16.46 kg。

4.1.2 計算每循環總裝藥量

引水洞開挖總裝藥量的計算，采用公式:

式中:Q為一個爆破循環的總用藥量(kg)；V為一個循環進尺所爆落的巖石總體積(m3)；q為爆破每立方米巖石炸藥消耗量。本引水洞中:Ⅲ級、Ⅳ級圍巖錨噴開挖取q＝1.2 kg/m3，Ⅳ級模筑取q＝1.15 kg/m3，Ⅴ級取q＝1.05 kg/m3。

各襯砌類型的每循環總裝藥量計算結果:Ⅲ級圍巖錨噴總裝藥量為68.55 kg，Ⅳ級圍巖錨噴總裝藥量為72.5 kg，Ⅳ級圍巖模筑總裝藥量為78.1 kg，Ⅴ級圍巖模筑總裝藥量為76.82 kg。

4.1.3 各襯砌類型下各類炮眼裝藥量

引水洞每循環開挖長度計劃按2.1 m控制，炮孔布置分為掏槽眼、周邊眼、輔助眼、底板眼4種。其中掏槽采用雙排V型掏槽方式，輔助眼為2圈。經爆破孔眼布置及裝藥量計算，各斷面炮孔數量及裝藥量見表2。

表2 各斷面炮孔數量及裝藥量計劃

4.2 采用數碼電子雷管

在隧道爆破開挖中，一般采用非電毫秒導爆雷管，利用段位一般為1～15段。為了控制單段最大裝藥量，需要段位較多。采用非電導爆雷管時，爆破設計時最大單段裝藥量已超出理論計算的單段最大裝藥量，因此必須采用段位更多的材料以降低單段最大裝藥量。

采用數碼電子雷管，雷管段位為1～20段。通過更多的分段來降低最大單段裝藥量，進而降低振速。

4.2.1 數碼電子雷管的優勢

(1)在提高爆破效率及效果的同時，保障施工安全。

(2)降低爆破振動效應(可達80%)。

(3)不受段別限制，爆破雷管時間根據爆破現場情況隨意設置。

(4)雷管可在線檢測(準確定位)，隨時排查有問題雷管。

(5)可斷線起爆，爆破網路被破壞不影響正常起爆，準爆率100%。

數碼電子雷管對比傳統雷管在減振方面的主要優勢為:段位多，不受段別控制，共20段，可以對爆破進行更多分段以控制最大單段裝藥量，可以更好地實現錯峰降振。斷線優勢方面:爆破網絡被破壞不影響正常起爆，因此對于本引水洞在天窗有限時間內爆破防止二次補炮爆破具有極大優勢[10]。

4.2.2 采用數碼電子雷管后最大單段裝藥量控制

為了控制最大單段裝藥量，采用數碼電子雷管，各襯砌類型各類炮眼采用的雷管段位分配及用藥量見表3。

表3 單段裝藥量控制

4.3 融入水壓爆破技術降振

融入水壓爆破技術可進一步減少最大單段用藥量，從而降低振速。

水壓爆破技術由我國著名爆破專家何廣沂教授于20世紀90年代提出，其原理為向炮眼中一定位置注入一定量的水，并用專用的“炮泥”回填堵塞炮眼，利用在水中傳播的沖擊波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經過水傳遞至炮眼圍巖中幾乎無損失。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生“水楔”效應，有利于巖石破碎[11]。

隧道掘進水壓爆破，首先向每個炮孔最底部裝入水袋，隨后裝入藥卷，再裝水袋，最后用炮泥回填堵塞。水袋和炮泥使用專用設備制造成型。其裝藥結構見圖2。

圖2 水壓爆破裝藥結構

同時每個孔(Ⅳ級、Ⅴ級模筑周邊眼除外)減少0.1 kg，約10%～15%的炸藥量，進一步降低最大單段裝藥量。最終各斷面最大單段裝藥量和總裝藥量見表4。

表4 最大單段裝藥量和總裝藥量

4.4 設置減振孔降振

在周邊眼中間隔增加1個炮孔，可以起到部分減振作用，同時也起到了提高光爆效果的作用[12]。周邊減振孔改善了周邊振速傳遞的介質影響，對降振有一定效果，相當于為控制振速傳遞增設了一層保險[13]。

4.5 振速控制技術綜合應用后的振速測算及試爆

采用數碼電子雷管及融合水壓爆破技術，再通過減振孔減振作用，根據薩道夫斯基公式及不同圍巖的K、α取值與最大單段裝藥量，預測各襯砌類型在線間距30 m時的振速為:Ⅲ級錨噴2.102 cm/s、Ⅳ級錨噴2.102 cm/s、Ⅳ級模筑2.125 cm/s、Ⅴ級模筑1.793 cm/s。

通過測算，本次爆破設計振速滿足控制振速2.5 cm/s的要求，通過三次試爆試驗，實際振速均小于控制振速。

5 應用效果

振速監測采用增強型振動測試儀，本儀器采用分離式振動傳感器，可對微小振動及超強振動進行測量，并可實現爆破時進行自動監測并上傳爆破振動數據。

實時監測數據顯示，在所有爆破過程中僅有1次爆破振速達到2.51 cm/s，其余均滿足振速控制要求，大多振速在1.0～2.2 cm/s之間，說明采用數碼電子雷管分段降低最大單段裝藥量、融入水壓爆破技術再次進一步降低最大單段裝藥量、增設減振孔等系列控制措施達到了降振減振效果并滿足振速最低要求，保證了運營鐵路不受影響，見圖3～圖5。

圖3 線間距30 m振速波形(振速2.18 cm/s)

圖4 線間距40 m振速波形(振速1.42 cm/s)

圖5 線間距50 m振速波形(振速1.22 cm/s)

6 結束語

運營高鐵隧道增設引水洞爆破施工，危險性極高，稍有差錯可能會對運營隧道造成慘重損失。本文綜合應用數碼電子雷管更多段位以減少最大單段裝藥量、利用水壓爆破技術“水楔”效應[13]、采用增設減振孔以改善介質傳遞振速效果等多種降振減振措施，達到了降振減振的目的。