谈高速铁路隧道施工控制爆破方案设计

赵 君

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 工程概况

京沪高速铁路作为我国高速铁路网中“四纵”的重要组成部分，于2008年4月开工建设，线路总长度达1 300余千米，设计时速350 km/h，是新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路，京沪高速铁路现已建成并于2011年6月正式开通运营。本文研究之金牛山隧道位于山东省泰安市岱岳区六郎坟村与高新区小官庄村之间，隧道进口里程为DK465+335，出口里程为DK467+240，隧道全长1 905 m，隧道内为单面坡，坡度3‰和12‰的上坡，隧道所处地形起伏较大，其中隧道最大埋深为35.37 m，隧道在里程为DK466+230～DK466+330区段下穿京福高速公路C匝道，此区段内埋深仅为9.8 m，属于超浅埋隧道，在DK466+560～DK466+660段下穿京福高速公路正线，其中高速公路宽度为36 m，隧道与公路匝道和正线的交角分别为14.57°和36.7°，属于斜交。隧道的工程地质情况为风化花岗片麻岩，局部夹杂角闪岩和部分石英，其中围岩已经风化，尤其接近地表埋深较浅处节理裂隙较发育，岩石比较破碎并有地下裂隙水发育，属Ⅳ级围岩。

2 控制爆破方案设计

当隧道采用钻爆法进行开挖时，由于炸药的爆破产生的震动，对既有隧道的结构和洞周围岩影响非常大，并且使得既有隧道比静力状态下更容易遭到破坏。京沪高铁金牛山隧道为超浅埋隧道，围岩风化比较严重，加之地表有既有高速公路通过，在进行爆破开挖时，这种破坏将会更加严重。所以如何将爆破对隧道支护结构、围岩以及上部的既有公路的影响减小到最低限度是本文所要研究的核心内容。

1)现行爆破震动影响控制标准。工程中常以引起结构的位移、速度和加速度等物理量来衡量爆破震动的强度，那么就必须要有一个临界值或者说标准来衡量这些物理量对既有结构的影响，并由此来判断爆破震动强度。在实际爆破工程中以上几个因素一旦超过临界值，就认为相应岩体已经被破坏，而这一临界值被称为爆破震动的破坏标准。对爆破震动的影响进行了文件性总结并给出了极限值(见表1)。

表1 爆破的影响和特定的Ⅴ极限值的文件性总结表

我国学者吴德伦等人参考欧洲国家的做法，建议的爆破震动标准见表2。

表2 爆破震动控制建议标准

综上所述，可以看出不同的国家、科研部门以及不同的学者对爆破震速的认识和想法是不同的，因此提出爆破震动速度的限值差别很大，在实际工程中，由于地质条件、爆破方式、隧道结构形式存在差异，所以可操作性很差，针对不同的隧道施工项目应从工程实际情况角度出发，提出相适应的爆破方案。

根据GB 6722-2003爆破安全规程中的规定，各类建筑物的爆破震动安全允许标准如表3所示。设计中只考虑爆破对已衬砌隧道的结构安全。根据规定，隧道安全允许震速标准值为10 cm/s～20 cm/s，设计中取安全控制值为10.0 cm/s。

a.选取建筑物安全震速时，应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。

b.省级以上(含省级)重点保护古建筑物与古迹的安全允许震速，应经专家论证选取，并报相应文物管理部门批准。

c.选取隧道、巷道安全允许震速时，应综合考虑构筑物的重要性、围岩情况、断面大小、埋深大小、爆源方向、地震震动频率等因素。

d.非挡水新浇大体积混凝土的安全允许震速，可按表3给出的上限值选取。

2)金牛山隧道爆破设计。根据以往的经验，一般来说，起爆的药量越大，所产生的爆破震速也就越大，所以金牛山隧道在爆破施工过程中，要保证在距离既有公路最近的地段的起爆药量小于产生临界爆破震速的临界药量，这样就能够保证既有路面的安全使用。

目前，国内外对于涉及到爆破震速问题，一般情况下采用前苏联学者萨道夫斯基提出的经验公式来确定最大分段装药量，如式(1)所示:

其中，Q为最大分段装药量，kg;R为爆心距，m;V为爆破安全震动速度值，cm/s;K为与岩石性质、地质条件、爆破规模等综合因素有关的系数;α为地震波的衰减系数，大小与地质条件以及距爆破中心的距离有关。

表3 爆破震动安全允许标准

由式(1)可知，当具体工程的K，α确定之后，单段最大爆破药量Q和爆破震速V有直接关系。隧道爆破时，由于工程地质条件、爆破条件以及爆破点距测点距离的差异，介质系数K和震动衰减系数α变化很大，为了确保各参数的真实性，其取值应由现场试验确定。

我国GB 6722-2003爆破安全规程对介质系数和震动衰减系数K，α的建议值如表4所示。

表4 爆区不同岩性的K，α值

根据本工程所处围岩地质资料和GB 6722-2003爆破安全规程建议值，介质系数K暂取250、震动衰减系数α暂取1.8。对目前各工程上常用的几种工业炸药进行比对，最终选择了铵梯炸药和乳化炸药，如果爆破中炮眼里没有水，使用铵梯炸药，有水则使用乳化炸药。

金牛山隧道下穿京福高速公路段，最小埋深为9.28 m，根据式(2)，计算得到的单段最大装药量:

计算得到的单段最大装药量为3.7 kg。

在实际工程中，应该在每次爆破之前，首先确定爆破点距离监测点的距离，然后再根据萨道夫斯基公式进行计算，理论上讲在一定的装药量的前提下，爆破产生的爆破震速和爆心距是成反比的。

炮眼布置图见图1。

图1 台阶法开挖炮眼及掏槽眼布置图

采用台阶法、三台阶法开挖采用光面弱爆破。光面爆破参数应通过爆破试验方法确定。当无试验条件时，有关参数根据表5选用。

同时，在药量选择上还要考虑爆破震动速率对隧道结构物以及地表建筑物的影响。