复杂环境下既有隧道扩挖爆破技术

吴 慧，汪艮忠

(1.中国爆破行业协会，北京 100070；2.浙江利化爆破工程股份有限公司，浙江 丽水 323303)

1 工程概况

1.1 扩挖要求与工程地质

某既有浅埋隧道K116+140～K116+312段为近似半圆拱形，最大宽度15.50 m，顶部最高7.62 m。为进一步提升隧道的通过能力，需要对其进行扩挖施工，即沿隧道左侧扩挖宽3.50 m，洞顶提升1.88 m，即新隧道开挖后的拱顶最高9.50 m，最宽19.00 m，仍为半圆拱形。隧道扩挖工程需在110 kV高压输电线塔台下穿过。

隧道K116+140～K116+312段内，埋深和围岩条件不同，K116+140～K116+170段穿越微风化角砾凝灰岩，岩性坚硬，岩体较完整，埋深20～30 m，为III级围岩，稳定性较好；K116+170～K116+312段穿越微风化角砾凝灰岩，埋深30～35 m，岩石坚硬，为II级围岩。

1.2 工程难点与施工要求

本隧道扩挖工程的围岩较为坚硬，故需采用钻爆法施工[1]，施工过程有以下难点需要重点考虑。

1)施工环境较为复杂。由于隧道上面有高压输电线塔台，属于浅埋隧道，爆破施工过程中，应根据电力系统的有关规定，严格控制爆破振动效应，确保高压输电线塔台安全。

2)钻爆施工时，应充分考虑既有隧道的爆破振动影响，采取控制爆破技术，避免既有隧道受振动影响而损坏。

3)隧道扩挖围岩较为坚硬，钻爆施工时，应通过优化爆破参数和装药结构等方式，保证爆破质量和岩石块度，以便有利于废渣的挖、装运输。

2 爆破方案

2.1 设计原则

根据本工程难点、地质地形条件、周围环境及工程要求，确定设计原则。

1)鉴于既有隧道的扩挖断面较大，应在分析既有隧道稳定性和控制爆破振动的基础上，选择合理的爆破方案。

2)通过现场试验选取和优化爆破参数，并结合理论计算与现场实测数据，对既有隧道围岩采取有效的支护措施。

3)以扩挖隧道之上地表高压输电线塔台为重点，以电力系统规定的电力设施抗振等级为依据，严格控制爆破振动，确保高压输电线路安全。

2.2 方案选择

隧道钻爆开挖方法可根据地质地形条件、开挖断面大小和周围环境要求等情况，采用全断面、半断面和台阶式开挖方式[2]。本工程属于浅埋隧道扩挖，周围环境较为复杂，爆破施工要求较高，经方案对比优选，决定采用隧道上部超前开挖，隧道下部分台阶钻爆开挖和周边光面爆破技术。

鉴于本隧道施工为扩挖工程，为确保施工安全，施工过程中严格遵循“管棚+注浆”超前支护、短进尺、多量测、早封闭”的原则，对于IV级围岩等特殊区段，采用“Φ108管棚+注浆”进行超前支护，必要时加设超前小导管预支护，III级围岩地段采用直径22 mm超前锚杆超前支护，II级围岩采用多台阶法开挖。

为便于分台阶开挖，I台阶与II台阶之间的距离控制在5 m，II台阶与III台阶之间的距离控制在10 m，III台阶与IV台阶之间的距离控制在20 m。隧道洞身开挖设置如图1所示。

图1 洞身开挖Fig.1 Expansive excavation for tunnel body

3 爆破参数

因为是既有隧道扩挖，所以根据施工装备能力并经研究，决定采用浅孔台阶爆破开挖，隧道掘进周边孔采用光面爆破技术[4-6]。

3.1 浅孔爆破

根据地形地质条件，确定分台阶开挖顺序为I、II、III、IV台阶，均采用浅孔爆破开挖。

1)台阶高度H。根据浅孔爆破定义与要求，台阶高度H一般取1.0～4.5m。当台阶高度H大于4.5 m时，应分台阶开挖。

2)钻孔直径D。借鉴类似工程实践，取炮孔直径D=40 mm。

3)钻孔深度L。施工时根据台阶高度调整钻孔深度，取L=1.1～5.0 m；钻孔前应进行测量放线，确保炮孔底部位于同一设计台阶平面上。

4)孔距a和排距b。根据钻爆围岩情况并经爆破试验，取a=(0.8～1.4)m；b=(0.6～1.2)m。

5)炸药单耗q。根据不同区内岩石节理、裂隙状态、坚固性系数、炸药性质初步选择炸药单耗。再经多次反复试爆，确定选择的单耗是否合适，为下一次试爆时调整参数提供参考。最后炸药单耗q取0.35 kg/m3。

6)单孔装药量Q。不同台阶高度浅孔爆破参数如表1所示。

表1 浅孔爆破参数Table 1 Parameters for short-hole blasting (m)

7)炮孔填塞。严格按设计的填塞长度进行装填，确保填塞质量，并保护好导爆管。填塞材料可选用粘土，有水炮孔应先将水处理掉，再进行填塞。

3.2 光面爆破

隧道扩挖拱部和边墙等部位采用光面爆破技术进行开挖。

1)不耦合系数。借鉴类似工程施工经验，不耦合系数一般取1.25～2.0，本工程选取1.6。

2)孔距a。光面爆破孔距a=(8～18)D，节理裂隙发育的岩石取小值，整体性较好的岩石取大值。据此计算，周边孔间距a=32～72 cm，取45 cm，但施工中可据实际情况适当调整。

周边孔钻孔时应提高钻孔精度，严格控制钻孔外插角度和外插量，保证轮廓面平整成型。

3)光爆层厚度W光。为保证光面爆破的质量与效果，根据孔距E和光爆层厚度W光的关系a=(0.8～1)W光，选取光爆层厚度W光=55 cm。

4)药量计算。隧道周面孔光面爆破参数包括线装药密度和单孔装药量。

周边孔光面爆破单孔装药量为

Q周边孔=q线L

(1)

式中：q线为光爆孔线装药密度，取1.5 kg/m；L为炮孔深度，m；Q周边孔为光爆孔单孔装药量，kg。

各炮孔参数如表2所示，开挖炮孔布置如图2所示。

表2 爆破参数设计Table 2 Design parameters for controlled blasting

表2(续)

图2 隧道开挖炮孔布置Fig.2 Blast-holes pattern of tunnel excavation

3.3 装药结构

台阶开挖浅孔爆破采用连续装药和间隔装药结构形式(见图3a)。当临近边坡预留层爆破时，采用间隔装药；当其他部位爆破时，采用连续装药。周边孔采用不耦合装药方式，装药结构如图3b所示。

因为隧道扩挖工程采用浅孔加光面爆破技术，使用的是乳化炸药和导爆管毫秒延时雷管。所以钻爆施工时，严格控制周边孔的间距和钻孔角度，周边孔采用特制光面爆破药卷或小药卷间隔装药结构，根据隧道埋深情况严格控制同段雷管的起爆药量，以减少对周围环境的影响。

图3 台阶浅孔与周边光爆孔装药结构Fig.3 Charging structure of bench short-holes and smooth blasting holes

3.4 起爆网路

为降低爆破振动，提高爆破效果和改善爆破质量，采用导爆管起爆网路，同台阶相邻炮孔间采用MS3段延时，不同台阶之间采用MS13段延时，并用沙袋覆盖防护，防止飞石砸断传爆网路。不同台阶间由外向内接力起爆，起爆点布置于隧道外。

4 爆破振动分析

根据本工程难点，为有效降低爆破振动，确保电力设施和隧道围岩安全，在理论计算的基础上，又实施爆破振动现场监测，并对计算值与实测值进行对比分析，进而优化了爆破方案和爆破参数。

鉴于隧道扩挖中Ⅰ-①、Ⅰ-②和Ⅱ台阶距离输电线塔台基础最近，相同最大单响药量的爆破振动为最大，所以，理论计算和振动实测均以此3个台阶爆破为参照。

1)爆破振动理论计算。根据萨道夫斯基公式[3]：

v=K(Q1/3/R)α

(2)

式中：v为保护对象处质点振动速度，cm/s；Q为单响最大药量，kg；R为爆源至保护对象的距离，分别为21、23、27 m；K，α为与爆破点至保护对象间的地形地质条件有关的系数和衰减指数，取K=220、α=1.6。

由表2可知，单响最大药量q=3.25 kg，最近距离r=21 m，将相关参数代入公式(2)计算，得v=1.0 cm/s。

2)爆破振动实测。在高压输电线塔台处布置爆破振动测点，随着台阶开挖进行，分别在I-①、I-②和II台阶爆破开挖时进行3次爆破振动监测，监测结果如表3所示。

表3 不同条件下的监测结果Table 3 Monitoring results of different conditions

经比较3次实测振动波形图，选取振速最大的一次振动波形图(见图4)，可发现实测振速均小于1.00 cm/s，与振动速度计算值相吻合，且远小于电力设施振动速度的允许值3 cm/s。可见，采取的设计方案和选取的爆破参数，能确保高压输电线和隧道围岩安全。

图4 爆破振动波形Fig.4 Blasting vibration wave

5 结语

1)既有隧道扩挖爆破施工，通过采取分台阶开挖方案和浅孔加光面爆破技术，可有效降低爆破振动对既有隧道围岩的影响，保证了爆破施工的顺利实施与安全。

2)通过爆破振动监测与及时调整爆破规模和起爆顺序，严格控制爆破振动速度，确保了隧道上部高压输电线塔台的安全。

3)通过加强炮孔填塞质量，确保了爆破开挖效果与质量，为安全、快速、高效施工创造了条件，爆破效果良好。