大跨隧道下穿既有高速公路的爆破减震技术研究
摘 要：以贵广铁路斗篷山隧道为依托工程，通过对爆破振动监测结果的回归分析，确定合理爆破振动速度。并结合该隧道爆破开挖施工，从爆破药量、掏槽形式、爆破参数、起爆顺序、地质条件和传播距离等方面提出隧道爆破施工振动控制技术。研究结果表明，公路内振速以垂直振速为主，隧道开挖采用预裂爆破，周边眼采用密集钻孔，少装药，先于掌子面的其他炮孔起爆，可显著降低爆破振动对周围结构物的不利影响。
关键词：大跨隧道；下穿公路；爆破振动监测；减振
中图分类号：U455.6 文献标志码：B
Research on Blasting Shock Absorption Technology for Largespan
Tunnel Passing Through Existent Expressway
WU Jianwen WANG Lu
（1. Sichuan Engineering Technical College， Deyang 618000， Sichuan， China；
2. Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， Sichuan， China）
Abstract： Based on a tunnel project of GuiyangGuangzhou highspeed railway located in Doupeng Mountain， the speed of blasting shock was determined by means of the regression analysis of the monitoring results. Combined with the construction of blasting excavation， blasting shock absorption technology was proposed in aspects of explosive dosage， cuthole pattern， blasting parameters， blasting order， geologic conditions and propagation distance. The results show that the impact of blasting shock on peripheral structures could be remarkably diminished by using presplitting blasting and drilling intensive holes peripherally and loading less explosive and blasting ahead of other holes on the tunnel face.
Key words： largespan tunnel； passing through highway； blasting shock monitoring； shock absorption
0 引 言
爆破振动对地表及其他建筑物会产生严重的危害，每年因爆破施工不当引起路面大量沉降甚至坍塌的事故时有发生，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响[1]。因此，隧道近距离下穿高速公路是浅埋暗挖施工中需要高度重视的问题。长期以来，国内外专家对工程爆破振动效应进行了大量的研究工作，主要可归纳为以下几个方面：爆破地震波特征及传播规律研究；爆破振动强度的预测研究；爆破振动安全评估研究；结构在爆破地震作用下的动力响应研究；爆破振动强度的影响因素及减振措施研究[26]。本文以贵广铁路斗篷山一级风险隧道工程为依托，通过进行爆破进行振动监测确定合理爆破振动速度，从而修正和优化爆破施工设计，并针对节理发育岩体的爆破设计进行了优化，得到了一整套适宜于节理发育岩体的爆破减振辅助措施。
1 工程概况
斗篷山隧道为贵（阳）广（州）高速铁路线上的1座I级风险隧道。隧道里程为DK98+841～DK106+210，全长7 369 m，最大埋深为470 m，最大跨度为14 m。隧道位于贵州省黔南州都匀市西郊，地处苗岭山脉的腹部区。全隧通过二条断层破碎带，主要不良地质为岩溶、古崩塌堆积体、下穿两条既有高速公路、软质岩大变形和岩爆等。洞身地质主要以灰岩、白云岩为主，节理较发育，地表溶蚀及洞内岩溶强烈发育，地下水为岩溶管道水，含水量丰富。Ⅴ级围岩长564 m，占全隧总长的7.7%；Ⅳ级围岩长1 540 m，占全隧总长的20.8%；Ⅲ级围岩长5 005 m，占全隧总长的67.9%；Ⅱ级围岩长130 m，占全隧总长的1.8%。隧道纵断面为人字坡，进口段上坡坡度为3‰，坡长2 159 m，中间段下坡坡度为16.7‰，坡长4 500 m，出口段为坡度173‰的710 m下坡。斗篷山隧道进口段在DK99+760、DK99+930，下穿厦蓉高速公路，与其交角分别为12°、15°，其路面距本隧拱顶约30 m。出口段在里程DK106+023下穿贵新高速公路，相交角度为60°，路面距本隧道拱顶20.13 m。
2 浅埋隧道下穿高速公路的爆破监测
2.1 监测仪器及测点布置
本工程将对振动速度进行监测。监测仪器采用TC3850振动记录仪仪器。监测流程示意图及仪器见图1和图2所示。本工程中对贵新高速公路（DK106+023）三处断面上进行监测。高速公路测点布置在公路两边，具体布置如图3和图4所示。
2.2 监测数据处理与分析
监测数据结果共17组，如表1所示。从表1可看出，最大振动合速度为6.82 cm·s-1，小于爆破振动安全允许标准（10 cm·s-1）。满足高速公路运营要求，说明所采用的爆破方案和爆破参数是有效的。
3 节理发育岩体爆破参数优化研究
在现场爆破振动测试的基础上，确定爆破振动的场地、围岩影响系数、爆破振动频率及持续时间。在此基础上，运用爆炸力学及岩土动力学的理论和方法对爆破设计参数（单段爆破用药量、掏槽眼位置、掏槽形式、导爆管段差、孔眼布置等）进行优化研究[79]。
3.1 炸药选型及装药量
理论和实践证明，炸药爆速对爆破质点振动速度有直接影响，爆速越高，爆破产生的振动越大，相反爆速越低，爆破产生的振动越小。因此工程选用小直径低爆速爆速低的乳化炸药，其具体参数见表3。
3.2 掏槽形式
隧道爆破的掏槽眼是爆破成败的关键，也是产生最大振动速度的部位，因此本隧道开挖掏槽的形式为楔形掏槽（斜掏）。
3.3 炮眼布置
炮眼布置方式主要由炮眼直径和炮眼深度两部分构成。一般来说，炮眼直径越大，装药量也就越多，爆破效果也就越好，但相应的钻眼速率降低，而且也影响围岩稳定性。
周边炮眼应沿隧道开挖轮廓线布置，辅助炮眼交错均匀布置在周边眼与掏槽眼之间，周边炮眼与辅助炮眼的眼底应在同一垂直面上，掏槽炮眼应加深10～20 cm。在确定炮眼直径时，可以根据围岩特性、钻爆效率等因素，选取合理孔径。隧道的炮眼直径一般在32～50 mm区间之内。炮眼深度对于隧道开挖掘进速度和炮眼利用率均有影响，加长炮眼深度可以减少隧道循环作业的次数，有效提高工作效率。本次隧道属于近距离下穿既有高速公路，需要进行控制爆破，故炮眼深度为80 mm。
3.4 光面爆破
隧道爆破应采用光面爆破或预留光爆层爆破，光面爆破参数通过试验确定。光爆孔沿隧道壁均匀布置，隧道壁光面爆破参数如下：光爆孔间为40 cm，光爆层厚70～80 cm，底部加强装药，装药量为200 g，孔口填塞50 cm，中间装药量为50 g，装药间隔为50 cm，用导爆索起爆。光面爆破采用Φ32 mm药卷、导爆索、竹片捆绑下孔的装药结构。
3.5 起爆网络设计
爆破振动与同段起爆的炸药量密切相关，采用非电毫秒雷管微差起爆技术，不但能控制单段雷管的起爆药量，又能有效地控制每段雷管间的起爆时间，使爆破振动波不叠加。毫秒爆破原理是雷管严格按照一定的顺序起爆炸药包组，使爆破前后阶段的时间间隔极其短促，以毫秒计算。爆破产生的岩石破坏作用力可以相互叠加，使岩石极易被炸碎，同时前后段爆破传递到围岩内部的冲击波又可以相互干扰、相互抵消，使冲击波对围岩的振动破坏作用大为减弱。这样既能保证岩石破碎达到理想爆破效果，又能消除爆破振动的有害效应。隧道采用孔内同段、孔外微差的起爆网络，在掏槽眼、辅助眼、底眼及周边眼中，起爆药量较大段别雷管间隔时差不小于20 ms，起爆雷管采用国产系列非电毫秒雷管，这样可以使爆破振动速度降低30%。
4 施工监控量测结果分析
通过对路面沉降、洞内拱顶收敛变形和爆破振动合速度的监控量测，综合分析隧道施工过程中的减振效果。洞外路面沉降观测埋设6个断面共计46个观测点，通过监测，位移累计值最大的点是DK106+068的C4点，为32 mm。最大变化速率为15 mm·d-1。隧道正上方的点监控量测情况见图9。
图10为洞内拱顶下沉变化，从监控量测的数据来看，按优化后的爆破参数施工，洞内拱顶下沉、净空变化的累计值均控制在基准范围之内，且变化趋于稳定。辅以Φ108 mm大管棚超前支护及注浆固结围岩，使隧道下穿高速公路施工的安全性又大大提高。在施工中，通过对贵新高速公路爆破震动的观测，测得爆破振速值在682 cm·s-1以内，如图11，达到设计要求（根据《爆破安全规程GB6722—2003》中爆破振动安全允许标准，距隧道周边净距30 m处爆破振动速度不得大于10 cm·s-1），说明爆破设计符合高速公路运营安全的需要。
5 结 语
本文以贵广高速铁路斗篷山隧道下穿既有高速公路施工为依托，基于爆破振动监测确定合理振动速度，优化了爆破施工设计，提出了相应的减振辅助措施，取得了如下结论。
（1） 公路内振速以垂直振速为主，水平振速较小，且垂直速度一般为水平振速的1～3倍，故可选择垂直振速作为控制因素；最大振动合速度为6.82 cm·s-1，小于爆破振动安全允许标准，满足高速公路运营要求，说明所采用的爆破方案和爆破参数是有效的，现场监测起到了应有的控制作用。
（2） 应严格控制一次爆破的最大起爆药量及单段最大起爆药量，宜尽量采用短进尺、多循环，实行浅孔爆破，避免深孔爆破，以有效降低爆破地震波对周边结构物的不利影响。
（3） 隧道开挖采用预裂爆破，周边炮眼采用密集钻孔，少装药，先于掌子面其他炮眼起爆，并沿开挖轮廓线形成一道裂缝。在其他炮眼爆破时，作为减振缝，能有效阻断爆破地震波的传播，显著降低爆破振动对周围结构物的不利影响。
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[责任编辑：杜卫华]