拆除爆破施工在隧道改扩建中关键技术研究

熊小军　粟琼林　蒋弘斌　廖孙念　郑继有　黄朝喜　覃勇然

摘 要：随着社会经济的发展，现有的道路远远不能满足交通的需要，在道路改扩建工程中，隧道的改扩建是一项难度较大的工程，本文通过双向四车道隧道扩建为双向六车道隧道的工程实例，结合爆破参数的设计，爆破危险有害因素的控制，揭示拆除爆破施工在隧道改扩建中的应用，总结技术经验，为今后类似工程提供参考。

关键词：拆除爆破;隧道;关键技术

中图分类号：U445.6 文献标识码：A

0 前言

拆除控制爆破是通过控制爆破的形式拆除地面、地下、水下建筑物的一种技术。拆除爆破的理论经历了经验化向定性化、定量化的发展阶段。由于传统的爆破技术的自身局限性，使其无法直接用于拆除控制爆破。拆除控制爆破则是在充分借鉴爆炸力学、工程力学及空气动力学等相关理论的基础上而发展起来的新方法。该法在实际运用中也需结合建筑物结构特征、材料性质、荷载及稳定状态等因素综合考虑。目前，拆除控制爆破在工程中已得到广泛运用，與传统的工法相比（人工、机械拆除等），拆除控制爆破法效率及可靠度均更高，优点突出，但其作业风险大，特别是将其应用于隧道、地下暗挖等复杂条件下的地下工程中时，需特别注重安全问题，并制定详尽可行的爆破专项施工方案。在方案实施时，务必严格控制其过程，结合经审核的安全与防护技术措施，这就使得控制爆破技术对实施者有较高的技术实力与经验要求。因此，在复杂工况或地质条件下，运用控制爆破技术对依托工程中的衬砌结构进行拆除时就必需展开前期研究。在此类拆除工程中，需对爆破方案进行动态控制，并不断优化，通过调整各参数来检验方案的安全可靠性或有效性，以达到保障拆除工程安全施工的目的。

1 工程简介

1.1 工程概况

广西天峨至北海高速公路巴马至平果段（巴马至羌圩共线）与贺州至巴马高速都安至巴马高速公路羌圩段交汇重合，原都巴高速公路设计为双向四车道高速公路，并已完成主线（含隧道）施工，为满足两条高速汇合后导致车流量大增的需要，现拟对原廷心隧道进行扩建至双向六车道，扩建隧道位于广西河池市大化县羌圩乡洪筹村廷心屯附近，采取原位改扩建，其中隧道撑砌钢筋混凝土采取爆破拆除的方法进行施工。

既有廷心隧道右洞桩号为YK435+105～YK435+621，长561 m;左线桩号为ZK435+115～ZK435+622.5，长507.5 m。廷心隧道为双向四车道中长隧道，建筑限界：宽11.0 m，高5 m。扩建后为双向六车道中长隧道，隧道建筑限界：宽14.5 m，高5 m。最大扩宽3.62 m。隧道原初支为I25b工字钢，钢架0.5 m/榀，双层φ8钢筋网15×15 cm，C25喷射混凝土，厚度0.3 m;二次衬砌拱墙、仰拱厚度0.6 m。改扩建如图1。

1.2 工程地质

隧道区属剥蚀低山地貌，地形起伏较大，廷心隧道穿越相同山体，地面高程在210～339 m之间，相对高差约129 m，隧道洞身埋深不深，最大埋深109.6 m。进口出口段山体斜坡自然坡角约40～60°。隧道区多覆盖厚度不大的第四系覆盖层，地表植被较发育，主要为灌木及松树等。根据钻探及工程地质测绘，隧道区地层主要由第四系坡残堆积层、三叠系百逢组地层组成。隧道所穿越山体主要为三叠系百逢组砂岩为主，隧道进出口段主要是由碎石及强风化砂岩组成，岩质较软，结构面发育，呈薄层夹中厚层状构造，岩体破碎;洞身段主要为中风化岩，岩质较硬，局部裂隙很发育，多呈张开闭合状态，力学强度较高，抗风化能力强，工程地质稳定性较好。隧道位于山坡上隧道埋深山坡部位深度较大，两侧埋深逐渐变浅，地表水沿覆盖层中的空隙或沿纵向裂缝垂直下渗，隧道开挖时洞室一般以淋雨或涌流状出水为主，局部裂隙发育，岩体破碎地段可能出现突水的地质灾害，要注意防范。

2 优选拆除方案

2.1 常规拆除方案及存在问题

2.1.1 机械拆除工法

炮机、钩机拆除对含筋率较高的砼构件，其破坏隧道结构整体性效果较差，且工作效率较低，耗时较长，但工期不允许。

2.1.2 膨胀剂静态破碎工法

静态爆破就是利用装在介质钻孔中的静态破碎剂加水发生水化反应，使破碎剂晶体变形，产生体积膨胀，从而缓慢的、静静地将膨胀压力（可达30～50 MPa，最大实验值可达120 MPa，混凝土拉伸强度一般在2～6 MPa）施加给孔壁，经过一段时间后（12～24 h）达到最大值，将介质胀裂破碎。作业人员人置于高处钻孔作业，对钢筋混凝土破碎效果差，还需结合机械拆除，工作效率不高。

2.2 确定拆除方案

以“确保安全、节省工期和提高工效”三方面为基本原则确定拆除方案，经对廷心隧道前期初支施工调查，在加强现场监测的前提下，结合项目实际情况，采用控制爆破技术拆除衬砌钢筋混凝土，辅以机械二次破碎凿除，并采取人工回收钢筋。这样可减少对围岩和初期支护的扰动，并确保该处初期支护结构与洞门的稳定，防止塌方。经过上述方案的对比分析，确定采取以环向钻孔、纵向分段爆破剥离及机械二次破碎的工法为最终拆除方案。廷心隧道属于中长隧道，采取单洞双向掘进，按“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、勤量测、快封闭、早成环、紧衬砌”的新奥法组织施工，以减少对围岩的扰动，确保开挖工作安全、顺利的进行。采用上下台阶开挖法，具体施工工艺如下：

（1）利用洞渣回填形成平台，然后进行超前导管支护（导管规格：Φ50*5 mm，长度4.5 m/根）。再对原衬砌上半断面进行拆除。

（2）采用减弱松动爆破拆除上台阶原二衬及初支，采用机械清理松散体并切割钢架及钢筋。由于原隧道施工时已对周围的围岩产生多次扰动，本次扩建爆破拆除原二衬及初支会对隧道围岩产生再次扰动，存在较大的安全隐患，爆破拆除进尺长度应控制在3 m以内，最大震动速度控制在10 cm/s以下。

（3）围岩扩挖：

①土质围岩及松散破碎围岩采用液压碎碎机和挖掘机配合扩挖。

②硬质围岩可采用减弱松动爆破进行，机械辅助扩挖。

③扩挖后及时施工初期支护，并加设临时支撑，临时支撑侧墙分节位置不应与上下台阶分界线处于同一水平面。

④在原右侧壁直墙顶立I18型钢（@50 cm）中支撑至拱顶。设置临时仰拱横撑，及时跟进初期支护使拱脚落地。

（4）仰拱。清除仰拱底部虚渣及废料，开挖仰拱至标高位置，复核承载力后进行主洞仰拱施作，全环铺设防水板，采用模板台车全断面一次性浇筑二次衬砌混凝土，注意待初期支护变形稳定后方可施工二衬。

（5）上台阶初期支护。安装钢拱架→打设锁脚锚杆→挂钢筋网→安装锚杆→喷混凝土。

（6）下台阶。二衬拆除、扩挖清理洞渣，采用分层弱爆破施工，机械拆除路面及仰拱填充层。

3 隧道拆除爆破施工难点

（1）二衬厚度仅0.6 m，钢筋布置密集，爆后清渣未到位，未切割拆除二衬钢筋就实施钻孔，爆破钻孔施工较为不易。

（2）待扩宽的围岩裂隙较多，钻孔容易变形，导致装药卡孔，施工困难。

（3）期洞口爆破时警戒困难，隧道一边开挖，一边通车，洞口施工人员车辆往来频繁，洞口生活区、施工便道、路基、桥面及桥底下便道均需要配备警戒人员。

（4）爆破后，由于爆破振动，围岩不稳定，局部存在冒顶、塌方等安全隐患，如若有盲炮，处理难度大，耗时长。

（5）扩建爆破次数频繁，爆破产生的振动、噪声及空气冲击波等有害因素对隧道围岩自稳及周边环境造成一定影响。

4 爆破参数及安全防护措施

4.1 爆破参数设计

4.2 爆破安全防护措施

4.2.1 爆破地震的安全控制措施

根据不同围岩、断面特点优化爆破参数设计，采取分段延时起爆，严格控制最大单响药量可大大减少地震波的影响。

4.2.2 爆破飞散物的控制措施

爆破飞石是指爆破时个别或少量脱离爆堆、飞得较远的石块或碎块。在爆破施工中，爆破飞石往往是造成人员伤亡、设备和建（构）筑物损坏的主要原因。因此，在爆破施工中控制飞石是防止发生事故的一项重要措施。

（1）爆破飛散物的飞散距离的规定。爆破产生个别飞石的最大距离由下式确定：

Rmax=Kfqd

式中：Rmax------ 爆破产生个别飞石的最大距离，m;

Kf------与爆破方式、填塞状况、地质地形有关的系数，取1.0～1.5;

Q------炸药单耗，0.6～1.4 kg/m³;具体根据爆破效果适当调整;

d------药孔直径，取40 mm。

计算结果：φ40 mm孔 Rmax=（34.8～55.2）m。

按《爆破安全规程》规定：浅孔爆破个别飞石对人员的安全允许距离不小于200 m（复杂地质条件下或未形成台阶工作面时不小于300 m），沿山坡爆破时，下坡方向的个别飞散物安全允许距离应增大50%。

（2）控制爆破产生飞散物的预防措施：

①炮孔设计合理、炮孔位置测量和验收严格，是控制飞散物事故的基础。清理工作面上松动的石块;装药前应认真校核各药包的最小抵抗线，严格按设计控制单孔药量。

②施工时慎重对待软弱带、地质构造、节理裂隙较发育的区域，采取优化孔网参数、间隔装药、确保堵塞质量和长度。

③堵塞长度必须大于最小抵抗线，堵塞必须密实;确保堵塞质量，堵塞物中避免夹杂碎石。

④采用低爆速炸药，不耦合装药和毫秒起爆等，可以起到控制飞散物的作用。

⑤合理设置毫秒延期时间。

⑥加强爆破安全警戒，确保警戒距离符合规范要求。

4.2.3 爆破冲击波的预防措施

由于本项目是采取钻孔装药爆破，炸药的能量主要消耗在破碎岩石和转化为地震波的危害，其爆破的冲击波在对地下岩体爆破做功后，在露天衰减很快，不足以对建（构）筑物造成损害。爆破冲击波的预防措施主要如下：

（1）避免裸露爆破，一次爆破炮孔间延时不要太长，以免因延期时间过长使后响的炮孔抵抗线变小或变成裸露爆破。

（2）控制一次起爆药量，将爆破总药量均匀分布到各个爆破部位，使爆炸能量最大限度得到有效利用，将耗于爆炸冲击波的无效能量减至最小限度。

（3）严格控制最小抵抗线、方向和数值，确保堵塞长度和质量。

（4）有水炮孔要用钻孔时产生的岩屑堵塞，而不能用黄泥进行堵塞。

（5）采用毫秒微差起爆方式，在设计中要考虑避免形成波束。

（6）考虑地质异常，需采取措施。例如断层、张开裂隙处要间隔堵塞，大裂隙处要避免过量装药。

（7）爆破时，除爆破操作人员外，其他人员应在爆破警戒线外等候。

5 结语

分段爆破，二衬爆破时混凝土与钢筋基本脱落，炮孔利用率达到90%以上，围岩炮孔利用率达到85%以上，无超挖。爆破能量通过岩石挤压破坏工字钢初支，连接处变型。爆破采用上下台阶有利于大型机械施工，初支闭合时间缩短，闭合时间早，爆破循环时间相对缩短，爆破对围岩及新建初支和二衬影响较小。

爆破前需收集原隧道支护类型及二衬钢筋大小及分布情况，为实施钻孔、确保爆破拆除效果提供了有效的依据。上台阶爆破拆除与扩建围岩同时实施爆破一次成形，给下一步施工提升了空间和时间。下台阶采用掏槽的方式，把围岩扩建部分先开挖，清理出临空面后再对仰拱实施爆破，确保仰拱的爆破效果。实施过程逐步优化参数，结合全过程监控量测，未造成初支、防水板及二衬结构附加损伤，拆除与重建的工作安全、按期、按质完成，验证了本文的拆除爆破方案高效、可行，可在类似工程中推广应用。

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作者简介：熊小军（1974—），男，广西灌阳人，本科，工程师、爆破工程技术人员（C）、一级安全评价师、注册安全工程师，从事爆破技术的研究和安全管理工作。