隧道爆破综合控制技术在邻近既有线条件下的创新应用

邓 超

中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350

近年来，随着国民经济的迅速发展，大量的单线隧道或双线隧道需增建扩容，或需新建小净距隧道，新建隧道开挖爆破产生的振动有可能引起邻近既有隧道衬砌结构和线路损伤[1-2]。尤其是对于高等级的公路来说，其交通运输流量大、通行速度快、要求运行质量高，若新建隧道施工造成邻近既有线隧道出现衬砌结构破坏，隧道轮廓侵入界限等灾害，将造成公路行车不安全，影响高等级公路的日常运营和维护。因此，新建隧道邻近既有隧道开挖需要选择合适的施工工法，以及相应的爆破减振控制措施[3]，以确保既有隧道的衬砌结构和线路安全，不影响既有隧道的正常运营。目前，国内已建或在建的隧道邻近既有隧道掘进施工时大多采用对既有隧道进行加固或隧道加固与控制爆破相结合的处理方法。然而，对于新建隧道与既有隧道安全距离为35～40 m，且既有隧道大车流量，要求运营不可中断时，一般的既有隧道加固的处理方法已满足不了隧道施工的需求。

1 背景工程概况

国道209线武川至呼和浩特段公路大青山Ⅰ号隧道（新建隧道）项目位于内蒙古呼和浩特市武川县、回民区境内，隧道全长1 805 m，隧址区主要以软岩石、较硬岩石为主。该隧道与既有的国道209线大青山Ⅰ号隧道（既有隧道）并行，安全距离为35～40 m。既有隧道全长1 885 m，该隧道衬砌结构与围岩之间局部存在一定的强度隐患，如不密实、松散等，而围岩中也存在部分疏松、散状裂隙带等，隧道二次衬砌结构中混凝土的局部区域强度存在低于设计标准C25等级的情况。新建隧道与既有隧道位置关系如图1所示。

图1 新建隧道与既有隧道位置关系

新建隧道为单洞双车道公路隧道，武川端明洞长23 m，呼和浩特端明洞长5 m。隧道进口采用端墙式洞门与桥梁相连，隧道出口与路基采用端墙式洞门相连。

2 新建隧道施工特点、难点

1）新建隧道与既有隧道并行，间距35～40 m。控制爆破与开挖工艺相协调是确保施工安全和既有大青山Ⅰ号隧道运营安全的关键点。

2）新建隧道施工影响因素多：隧道地形起伏较大，大部分围岩等级为Ⅳ、Ⅴ级，邻近的既有隧道将影响新建隧道的安全施工，如何在减少对既有隧道安全运营影响的同时，加快新建隧道掘进速度，是本工程最大的难点。

3）新建隧道紧邻既有隧道，既有隧道车流量较大，且存在病害，局部病害较严重。在施工爆破过程中要严格控制药量，降低振动速度，实时监测既有隧道结构振动，保证既有隧道衬砌结构安全，避免发生交通安全事故。

3 施工策划及方案比选

新建隧道施工过程中既有隧道仍在运营，且既有隧道通车至今一直未进行竣工验收。既有隧道不同程度地存在衬砌结构、围岩不密实、松散缺陷等相关病害，且二衬混凝土拱顶及边墙有纵向裂缝，裂缝较长，既有隧道能见衬砌部分几乎都有纵向裂缝，这是项目施工中的重难点。根据工程实际地形，结合专家和设计方意见，初步制定邻近既有隧道的掘进施工方案如下。

1）方案1：采用常规隧道的掘进施工技术以及常规的爆破工艺，这要求必须加固既有隧道衬砌以保证既有隧道的运营安全和隧道衬砌自身安全，须中断既有隧道运营。优缺点：安全性较高，施工工期长，但成本大，且爆破振动可能会对既有隧道衬砌造成影响，施工效益较低。

2）方案2：改变隧道开挖及支护施工工艺，Ⅴ级围岩采用CD法、Ⅳ级围岩采用环形开挖预留核心土法、Ⅲ级围岩采用台阶法施工，控制开挖进尺，减少用药量。优缺点：安全性较高，不因加固既有隧道而中断运营，但施工工期长，成本大，施工效益较低。

3）方案3：采用微振控制爆破技术、环形开挖预留核心土法和台阶法、振动监测相结合的综合处理方案，对邻近既有隧道的新建隧道进行掘进施工。优缺点：施工工艺较为简单，采取两阶段施工，具有明显的工期、经济效益，基本不存在缺点。

为避免长期封闭交通或对既有隧道采取加固措施，在确保施工安全为基础的前提下，加快施工进度、降低施工成本，确保现场施工质量和运营安全，经讨论分析后，因考虑实际情况，决定采用方案3，即微振控制爆破技术、环形开挖预留核心土法和台阶法、振动监测相结合的综合方案，最终达到缩短整条隧道工期，节约施工成本的目的。

4 隧道减振控制爆破实施

新建隧道以Ⅳ级和Ⅴ级围岩为主，岩体破碎，且邻近既有隧道，施工爆破振动速度控制难度较大，施工时将按照“新奥法”原理结合减振控制爆破技术进行，并严格按照“少扰动、短进尺、严注浆、快封闭、弱爆破、勤量测、紧衬砌”的开挖准则，以减少新建隧道的爆破开挖对既有隧道衬砌结构安全的影响。

爆破控制技术主要从以下几方面考虑：采用减轻振动控制爆破技术，根据现有条件，一次钻孔，分次起爆，使用电雷管分段控制装药量，尽可能采用短进尺、弱爆破的减振措施。

1）根据现场的施工条件，采用分台阶分部分开挖爆破，以创造多临空面条件，每部分又分为多排起爆，控制每次爆破的规模，从而控制质点的振动速度。

2）单孔装药量应有效控制，均匀地将有限的装药量分布在被爆破的岩体中，并借助电雷管进行分段爆破，减小爆破的振动强度。

3）在爆破区域周边布设减振孔，降低爆破应力波向结构物方向传播。其主要原理是合理设置爆破减振隔离带，利用隔离带吸收或耗散爆破时的振动能量，使隔离带后面区域所受到的振动得到规避或者降低，如图2所示。

图2 隧道爆破计算模型

4.1 Ⅴ级围岩段开挖爆破设计

新建隧道Ⅴ级围岩段，采用环形开挖预留核心土法及微振控制爆破技术，新建隧道爆破与既有隧道最近水平距离为35 m。通过设置周边减振孔进行隧道微振控制爆破，周边减振孔间距0.5 m，深度为掘进进尺1.5倍。根据设计要求、类似工程经验以及专家论证意见，考虑近接既有隧道结构的安全性，新建隧道Ⅴ级围岩段，隧道开挖爆破最大进尺为1.6 m，按照1.6 m进尺进行装药爆破施工，爆破单次最大药量为13.67 kg。新建隧道Ⅴ级围岩段的开挖顺序如图3所示。

图3 环形开挖预留核心土法开挖顺序

4.2 Ⅳ级围岩段开挖爆破设计

新建隧道Ⅳ级围岩段，采用台阶法开挖及微振控制爆破技术，新建隧道爆破与既有隧道最近水平距离为35 m，通过设置周边减振孔进行隧道微振控制爆破，周边减振孔间距0.5 m，深度为掘进进尺1.5倍。根据设计要求、类似工程经验以及专家论证意见，考虑近接既有隧道结构的安全性，新建隧道Ⅳ级围岩段，隧道开挖爆破最大进尺为2.0 m，按照2.0 m进尺进行装药爆破施工，爆破单次最大药量为17.15 kg。Ⅳ级围岩段的炮孔布置如图4所示。

图4 Ⅳ级围岩段开挖炮孔布置及起爆段别

4.3 Ⅲ级围岩段开挖爆破设计

针对新建隧道Ⅲ级围岩段，可同样采用台阶法开挖及微振控制爆破，新建隧道爆破与既有隧道最近水平距离35 m，通过设置周边减振孔进行隧道微振控制爆破，周边减振孔间距0.5 m，深度为掘进进尺1.5倍。根据设计要求、类似工程经验以及专家论证意见，考虑近接既有隧道结构的安全性，新建隧道Ⅲ级围岩段，隧道开挖爆破最大进尺为2.5 m，按照2.0 m进尺进行装药爆破施工。炮孔的装药结构设计如图5所示。

图5 装药结构示意

5 新建隧道掘进施工关键工艺

5.1 隧道洞口段施工方案

鉴于洞口段隧道爆破过程中，爆轰波可以沿着临空面耗散，对围岩的扰动较小。因此洞口明挖采用传统的爆破法施工，洞口段暗挖部分临空面小，隧道围岩节理裂隙发育，且掌子面围岩强度不均匀，为保证爆破后开挖轮廓线与设计开挖轮廓线一致，应采用光面控制爆破施工。

5.1.1 洞口及明洞段开挖

施工顺序：边、仰坡开挖线放样、开挖→打锚杆孔→安装锚杆→锚杆注浆→挂网→喷射混凝土→边、仰坡开挖

完成（可预留一定高度不开挖）→超前大管棚施工→环形开挖预留核心土法开挖进洞（采用光面爆破工艺）。

5.1.2 洞口及明洞段支护

明洞基底允许地基承载力要求≥250 kPa，若施工时发现地基较差或不均匀时应采用浆砌片石或素混凝土处理。明洞衬砌仰拱采用栈桥法全幅施作，采用衬砌台车模筑法进行拱墙施工，采用定制木模和钢管支撑作为外模及外支撑，采用预拌混凝土进行整体式泵送灌注，施工中加强各部位的内、外支撑，防止发生模板变形。按设计要求施作明洞防水层，可根据实际情况在外铺1层厚3 cm的水泥砂浆保护层。防水层在明洞外模拆除后采用人工进行。

5.2 洞身开挖及支护

1）Ⅴ级围岩段开挖及支护。当洞口仰坡防护完成后，即可进行暗洞开挖。洞口部分的暗洞围岩均为Ⅴ级围岩，节理发育、岩体破碎，且一般为软质，施工时易坍塌或失稳，甚至导致地表的下沉或冒顶。为保证施工安全，采用微振爆破的方法，并按“短进尺、弱爆破、强支护、早成环”的原则组织施工。采用预留核心土环形开挖法对Ⅴ级围岩段（包括浅埋段）进行开挖施工，并在过程中加强监控，根据监测数据及时调整开挖方法或完善支护参数。

2）Ⅳ级围岩段开挖及支护。隧道Ⅳ级围岩采用台阶法开挖，上台阶每循环进尺为2 m，台阶长度控制在3～10 m。Ⅳ级围岩隧道开挖的施工工艺：中线、水平测量→喷混凝土封闭开挖面→拱部超前支护→上半断面钻眼→装药连线→爆破→出渣→喷混凝土封闭岩面→施工系统锚杆→上半断面二次喷混凝土→下半断面开挖→下半断面打径向锚杆→挂钢筋网→下半断面喷混凝土→仰拱衬砌与填充→防水层铺设→二次衬砌模筑→沟槽路面。

3）Ⅲ围岩段全断面开挖及支护。新建隧道Ⅲ级围岩段岩性较好，采用上下台阶开挖法，根据专家论证意见，进尺不大于2.5 m。为爆破的有效实施，将上台阶每循环进尺2.0 m台阶长度控制在10～20 m。施工工序：中线、水平测量→全断面钻眼→装药连线→爆破→出渣→岩面初喷混凝土封闭→监测点埋设→径向锚杆打入及挂网→混凝土二次喷射→围岩监测→施工防水层→施工二次衬砌。

6 既有隧道裂缝监测及实施效果

在新建大青山Ⅰ号隧道施工过程中，对既有隧道二衬结构裂缝进行了监测。通过对裂缝发展情况的监测，获得了既有隧道裂缝发展变形数据，如表1所示。

通过对既有隧道二衬结构裂缝监测数据分析，发现既有隧道二衬结构裂缝并未产生较大的发展，在新建隧道施工期间既有隧道裂缝变形趋于稳定。当前新建隧道施工完成后，既有隧道二衬结构运行情况良好，未出现新裂缝。

在新建隧道施工过程中，采用不同围岩减振爆破参数、施工方法和掘进进尺条件，新建隧道爆破对既有隧道结构振动速度可控制在5.0 cm/s以内，小于规范中要求的10.0 cm/s限值，同时鉴于新建隧道施工期间既有隧道裂缝变形趋于稳定、新建隧道完成后既有隧道二衬结构未出现新的裂缝，可证明本项目采取措施的可靠性和合理性。

7 结语

本文通过将方案比选、理论设计和振动监测相结合的方法，充分考虑新建隧道邻近既有隧道掘进施工的实际特点，通过对不同地质地段围岩的隧道采用微振控制爆破技术、环形开挖预留核心土法和三台阶法等施工工法，结合实时振动监测和结构观测，解决了新建隧道掘进且保证既有隧道衬砌结构安全的难题。

本文所述措施达到了安全施工的目的，节省了大量的既有隧道加固措施费用，并显著提高了施工速度、缩短了工期，社会和经济效益明显。