城市浅埋隧道微振动控爆技术研究与应用

2015-03-31苗壮

中国高新技术企业 2015年12期

摘要：文章结合成渝客专新红岩隧道工程，介绍了其浅埋段施工中采用的非爆破开挖方法、机械与控制爆破组合开挖方法、控制爆破开挖方法、弱爆破法开挖方法。通过这些开挖方法的综合应用，有效降低了施工振动对周边既有建（构）筑物的影响，其经验对国内其他同类工程具有一定的借鉴意义。

关键词：浅埋隧道；微振动；控制爆破技术；隧道工程；隧道开挖方法文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2015）12-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.024

1 工程概况

成渝客专新红岩隧道位于重庆市沙坪坝至菜园坝之间，为单洞双线隧道，全长6699m，设计时速100km/h，属极高风险隧道。该隧贯穿重庆市沙坪坝区和渝中区两个繁华主城区，隧道上方建（构）筑物密布，且部分段落埋深极浅（最小埋深约4m）。隧道穿越丘陵地貌，地表覆盖人工填土、碎石土、粉质黏土，下伏基岩为砂岩、泥岩夹砂岩，岩质较硬。地下水主要为孔隙水及基岩裂隙水，对混凝土结构无侵蚀性。

2 工程特点及难点

第一，隧道位于重庆市主城区，隧道上方需要保护的建（构）筑物多，对地表振动速度及沉降要求严格。隧道地表上方建筑物总面积近26万m2，需要拆迁及临时安置的房屋近1.2万m2，包括高层建筑、矮旧居民区、城市道路、地铁、学校、医院等。

第二，隧道多次上跨、下穿市政设施，敏感点多，保护措施严格。先后上跨、下穿20处市政设施，交叉影响段落共计1150m长，最小净距不足1m。

第三，隧道浅埋地段多且埋深极浅，地质以硬质岩为主，开挖困难。浅埋段总长1449m，占隧道总长的21.7%，其中埋深15m以内的段落长度为504m，最浅埋深仅4m；埋深15～30m段落长度为845m；埋深30～50m段落长度为100m。

3 浅埋段施工方案

在新红岩隧道施工过程中，根据埋深不同分别采用非爆破法开挖、机械与控制爆破组合法开挖、控制爆破法开挖、弱爆破法开挖。其中，弱爆破法开挖控制振速不大于2cm/s，机械与控制爆破组合法开挖振速不大于0.5cm/s。

通过具体实践证明，机械开挖、数码电子雷管控爆及机械与控爆相结合的开挖方法是解决城市区复杂环境下浅埋隧道施工振速超标的有效新技术。

4 微振动控爆关键技术

4.1 非爆破开挖技术

4.1.1 非爆破开挖原理。非爆破切削法是一种新型的隧道开挖方法，针对新红岩隧道浅埋及穿越建筑物密集段落采用非爆破切削法进行施工。设备采用三一重装公司生产EBZ260H型单臂掘进机进行掘进，再利用铣挖机对隧道轮廓线进行修整，可解决隧道内欠挖修整、内表面凿槽及开挖边沟等问题。

在中低硬度及以下的岩层、冻土岩层等适合的地层中，单臂掘进机可以直接用于隧道的快速掘进施工，尤其在破碎岩层中，开挖速度可达到30m3/h。

4.1.2 非爆破开挖工艺。单臂掘进机开挖是将隧道掌子面分为六个部分依次进行切削，如图1所示：

单臂掘进机开挖施工步骤为：（1）首先进行①部开挖，采用左右循环自下向上的截割方法掘进，开挖完成后，进行出碴作业；（2）在①部开挖完毕后移往②部施工，②部开挖方法与①部相同；（3）在①、②部开挖完成后进行③、④部开挖，采用铣挖机左右循环、自下向上的截割方法开挖；（4）当开挖形成的初步断面与设计断面存在差别时，采用铣挖机进行二次修整；（5）作业结束，将掘进机退至安全区域，并将截割头及铲板落地。按操作顺序停机后，关闭水门，吊挂好电缆和水管；（6）开挖⑤部、⑥部，同样采用左右循环、自下向上的截割方法掘进，开挖完成后，装载机配合自卸车出碴；（7）上述开挖工序结束后，对隧道进行初期支护施工。

4.1.3 在本工程中的应用。新红岩隧道进口覆盖层15m以内浅埋段（共42m）采用单臂掘进机进行非爆破开挖，该段落岩层为风化砂岩，岩体完整，岩质较硬，强度约40MPa。因单臂掘进机的定位掘进宽度为6.2m，而新红岩隧道上台阶断面宽约11.5m，结合单臂掘进机的截割特点，现场将上台阶断面分成左右两侧分部进行截割。上台阶左侧截割约2h后，因掘进机前碎碴较多须暂停掘进，移动掘进机至右侧，利用挖机将截割的碎碴运至掘进机后方，待碎碴清除完毕后，单臂掘进机回到左侧继续截割，同时装载机可以配合自卸车出碴。待单臂掘进机完成上台阶左侧的开挖作业，再将设备移至右侧，开始掘进作业。右侧的开挖方法和施工流程与左侧相同。

在本工程使用单臂掘进机施工，机械开挖时对地表建（构）筑物的扰动基本为零，所以对于埋深15m以下且地面建筑物密集段，采用非爆破开挖的单臂掘进机施工效果很好。

4.2 数码电子雷管控爆技术

4.2.1 数码电子雷管降振原理。数码电子雷管是一种可以任意设定并准确实现延期发火时间的新型电雷管，其本质是采用一个微电子芯片取代普通电雷管中的化学延期药与电点火元件，不仅大大提高了延时精度，而且控制了通往引火头的电源，从而保证了雷管的安全。采用电子延期在延期精度和延期时间上远比药剂延期精确，延期精度在±0.1%以内。

常规电雷管和导爆管雷管，由于其延时误差大，实现不了错峰降振，在复杂环境隧道的钻爆施工时，由于同时起爆的炮孔数量较多，产生的振动较大。数码电子雷管最大延时时间为15～16s，延时精准，可以实现错峰降振，复杂环境隧道施工时可以实现单孔起爆，极大降低爆破产生的振动。

4.2.2 数码电子雷管爆破工艺。数码电子雷管采用铱钵起爆系统，由数码电子雷管、铱钵表、和铱钵起爆器三部分组成。使用时分延迟设计、雷管注册、起爆网络检查及起爆等步骤进行：（1）第一步：网络设计。对爆破网络各孔的延期序列进行设计，设计完成后，可在铱钵表上通过“延期修改”功能，输入各孔的延期时间，也可利用爆破设计软件完成网络设计，设计完成后将设计数据下载到对应铱钵表；（2）第二步：注册。开启铱钵表，进入“雷管注册”功能，将雷管的两根脚线分别于铱钵表的注册接线端接触可靠，按“检测”键对当前雷管进行检测，检测合格显示当前雷管信息，按“注册”键将当前雷管注册到相应孔中。注册成功后取下当前雷管进行下一发雷管的注册；（3）第三步：组网。所有雷管均注册完成后，将雷管放到对应爆破孔中，对爆破进行装药、堵孔。将雷管脚线并联接入网络总线上；（4）第四步：测试。所有雷管在网络总线上连接可靠后，将网络总线连接到铱钵表的组网接线端，开启铱钵表，进入“网络测试”功能，由铱钵表对下辖雷管网络进行测试，测试完成后，测试结果如提示有错误，则应关闭铱钵表对错误雷管的接线进行检查直到网络测试成功；（5）第五步：起爆。起爆前撤离爆破现场，将网络总线延伸至安全距离外，雷管网络总线接铱钵表的组网接线端，铱钵表再与起爆器相连。开启铱钵表、起爆器，在起爆器上打开充电开关，进入“爆破流程”功能，按界面提示逐步完成点名、测试、充电，直至准备起爆。按起爆器起爆双键，进入起爆倒计时，执行起爆。

4.2.3 在本工程中的应用。新红岩隧道覆盖层20～30m浅埋段施工时采用数码电子雷管控制爆破法开挖。如在DK297+849～835共长14m范围内进行10个循环全数码电子雷管控爆法开挖，单循环开挖进尺为1m时，爆破振速为0.77～0.92cm/s；单循环进尺2m时，爆破振速为0.99～1.27cm/s。通过实践证明全断面采用数码电子雷管可有效解决爆破冲击波叠加现象，爆破振速较为稳定，且在可控范围以内。

4.3 组合法开挖技术

4.3.1 非爆破开挖与控制爆破开挖组合法。根据以往隧道钻爆施工经验，振动峰值往往集中在掏槽区。为消除掏槽区爆破振动，根据单臂掘进机的设备尺寸和所需作业空间大小，确定掘进机开挖区域，其余区域采用控制爆破方法开挖。

采用单臂掘进机进行掏槽，在掌子面中部开挖一个宽6m、高3.8m、深2.5m的超前导洞，创建爆破临空面，然后对剩余围岩采用数码电子雷管分两循环爆破。

4.3.2 在本工程中的应用。新红岩隧道覆盖层15～20m浅埋段施工时采用非爆破开挖与控制爆破开挖组合法。如在DK297+838～826长12m范围内共实施了11个循环非爆破与控制爆破组合开挖。该段开挖断面面积超过100m2，地层岩性以泥岩夹砂岩为主，岩质坚硬，节理不发育，整体性较好。上方建筑物密布，多为20世纪六七十年代修建的矮旧居民房，均为砖瓦、土坯结构建筑。根据《爆破安全规程》中相关规定，最大振速要控制在1.2cm/s以内。通过采用非爆与控爆的组合开挖方法，在非爆破开挖实施期间监测时无法触发振速监测仪，表明振速小于0.1cm/s。在剩余部分采用控制爆破起爆时振速在0.67～0.93cm/s之间，符合规范

要求。

5 结语

第一，利用数码电子雷管进行爆破作业时，可在同等工况下较常规雷管爆破振速降低50%～80%。另外，爆破引起围岩松动圈0～1.4m，而常规爆破松动圈可达1.5～2.3m，这样就可减少浅埋隧道爆破开挖时对隧道上方建筑物的扰动。

第二，运用数码电子雷管进行浅埋隧道爆破施工，可精确实现减振效果，有较高推广价值。

第三，对于隧道埋深在15m以下或振速控制要求极严段落，可采用全断面非爆破开挖法。

第四，对于隧道埋深在15～20m，振速要求1.2cm/s以下段落，可采用非控制爆破与数码电子雷管控制爆破组合法开挖。

第五，对于隧道埋深在20～30m，振速要求1.2cm/s以下段落，可采用全开挖面数码雷管一次起爆的技术进行开挖。

参考文献

[1] 朱赞成，毕远志.广州地铁暗挖隧道微振爆破技术

[J].铁道建筑，2009，（4）.

[2] 罗德丕，池恩安，张修玉，王缪斯.复杂环境下城市浅埋隧道爆破震动控制技术[J].矿业研究与开发，2012，（4）.

[3] 于春红，程克森.微振控制爆破技术在浅埋暗挖地铁隧道中的应用[J].石家庄铁道学院学报，2004，17（4）.