上软下硬地层隧道穿越既有线控制爆破技术

郑保才

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

上软下硬地层隧道穿越既有线施工技术难度大，风险高。文献[1]研究了上软下硬地层中施工隧道围岩的破坏模式和破坏过程，认为结构面倾角在30°～75°时隧道稳定性较差。在上软下硬地层隧道施工技术方面，文献[2-4]对隧道合理的开挖和支护方法、不同工法合理的转换时机、取消仰拱的可行性等方面进行了研究，并取得了良好的应用效果。在隧道开挖爆破振动控制方面，文献[5-8]采用FLAC 3D软件建立隧道模型对炮孔内水不耦合装药微差爆破技术、数码电子雷管控制爆破技术的减振效果进行了研究。

目前上软下硬地层隧道采用矿山法下穿既有铁路线爆破时，主要在装药量、起爆顺序等方面进行优化，在爆破振动控制方面研究较少。本文主要探讨上软下硬地层城际铁路隧道下穿既有隧道施工控制爆破技术。

1 工程概况

南京宁和城际轨道交通一期工程单洞单线矿山法隧道穿越宁芜货运线，隧道拱顶埋深12.58 m，拱顶距离既有线底板底最小高度约3.73 m。隧道自上而下穿越土层、软塑粉质黏土、可塑～硬塑粉质黏土、泥质砂岩，围岩呈现明显的上软下硬特点。地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。松散岩类孔隙水有孔隙潜水及孔隙承压水，局部水量较大。城际铁路隧道与既有线平面位置关系如图1所示。

图1 城际铁路隧道与既有线平面位置关系示意

2 工程重难点

本工程隧道具有围岩上软下硬和隧道穿越既有线2个特点。施工方法的选择和保证既有线的安全是施工的重难点。

1)隧道围岩上软下硬且具有软流塑特点，局部地层含水率大。在该地层选择合理的施工工法难度大。下穿硬岩地层时，尤其是穿越既有线施工过程中爆破振动控制标准要求高，爆破方法和爆破参数的确定、振动控制难度大。

2)隧道穿越既有运营铁路，变形控制标准要求高，且既有线维护结构均伸入地铁结构范围，隧道施工对既有结构的稳定性影响大。

3)隧道穿越既有线段属于小角度穿越施工，先后经历了左侧穿、下穿、右侧穿3个阶段，隧道施工对既有结构影响范围大。

3 隧道施工对既有结构的影响及施工段划分

为评估施工方法选择的合理性和结构的安全性，采取数值分析与理论计算相结合的方法，分析隧道开挖对既有结构的影响范围及程度。

3.1 隧道施工对既有结构的影响数值分析

根据工程实际情况和特点，采用FLAC 3D软件进行施工过程和开挖效果的数值模拟。

数值模拟时作如下假定：

1)将土层简化为水平状分布的弹塑性材料，本构模型采用M-C弹塑性模型。

2)模型前、后、左、右边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面采用自由边界。

3)计算范围为130 m(X)×230 m(Y)×70 m(Z)，计算模型共有 93 764 个单元，见图2。

图2 计算模型

由数值分析结果可知：城际铁路隧道开挖后既有隧道结构轴力最大值比开挖前增大了13.60%；横向、纵向弯矩最大值比开挖前分别增大了3.76%,2.55%。隧道开挖对既有隧道产生的影响在合理范围之内，隧道穿越既有线施工理论上可行。

3.2 施工段的划分

目前上软下硬地层隧道通常采取台阶法施工。合理地划分施工段和确定爆破施工方法对确保既有线安全、满足工期要求起着决定性的作用。

根据GB 6722—2014《爆破安全规程》的规定及宁和城际铁路隧道矿山法施工的控制要求，既有线结构允许最大振速为2.5 cm/s。根据城际铁路隧道与既有线结构间的相对位置关系及既有线结构允许最大振速，采用萨道夫斯基公式计算出最大单段起爆药量，将该计算值Q计与设计值Q设进行比较。若Q计

4 隧道下(侧)穿既有线施工技术

4.1 隧道下穿既有线段

针对该段上软下硬围岩特征及下穿既有线的工程特点，上台阶软弱围岩段采用上台阶预留核心土、人工配合机械开挖；下台阶采用控制爆破技术开挖。炮眼尽量远离既有线底板，减轻爆破对既有线的影响。下穿段隧道爆破开挖炮眼布置见图3(a)，下穿段下台阶爆破参数见表1。由表1可知：总装药量是6.3 kg，炮孔总数为35个。

4.2 隧道侧穿既有线段

在隧道侧穿既有线过程中，为了减小爆破振动对既有线结构的影响，在靠近既有线侧开凿了减振孔。减振孔布置在2个相邻周边眼中间。减振孔间距为450 mm，孔径为50 mm。

图3 隧道爆破开挖炮眼布置

炮眼名称雷管段位眼深/m孔距/cm炸药单耗/(kg/m3)单孔药量/kg装药长度/m孔数装药量/kg辅助眼10.8800.390.20.291.8辅助眼30.8700.510.20.291.8辅助眼50.8600.590.20.271.4辅助眼70.8600.590.20.230.6底板眼90.8500.420.20.170.7

侧穿段上台阶采用非对称起爆技术，即上台阶按照先掏槽眼，再左右侧辅助眼、周边眼、底板眼分开起爆的方法起爆。下台阶按照辅助眼、底板眼的顺序分段起爆。侧穿段隧道爆破开挖炮眼布置参见图3(b)，侧穿段爆破参数见表2。

表2 侧穿段爆破参数

5 现场监测

5.1 爆破振动速度监测

振动速度监测采用TC-4850爆破测振仪，测点布置于施工隧道右线上方既有线结构底板。图4为侧穿段下台阶爆破振动速度监测波形。可知下台阶最大爆破振动速度为2.43 cm/s。另外依据下穿段施工中爆破振动速度监测数据分析，隧道左线上台阶最大爆破振动速度为1.09 cm/s，下台阶最大爆破振动速度为0.37 cm/s，均不大于2.5 cm/s。城际铁路隧道穿越既有隧道施工中爆破振动速度在允许范围之内。

图4 侧穿段下台阶爆破振动速度监测波形

5.2 地表沉降及结构变形监测

地表沉降及结构变形监测点主要布置于施工隧道地表、施工隧道内、既有隧道内。施工过程中既有隧道内累计沉降量0.73～1.81 mm,累计水平收敛0.46～0.51 mm,累计竖向收敛0.43～0.52 mm,均在合理范围内。

6 结论

1)通过判定宁和城际铁路隧道爆破施工最大单段起爆药量计算值与设计值之间的大小关系，将穿越施工段划分为下穿段和侧穿段。

2)下穿段采用上台阶预留核心土+下台阶控制爆破法，侧穿段采用上台阶非对称爆破+临近既有线侧开凿减振孔+下台阶控制爆破法，有效确保了隧道施工及既有线运营安全。

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