草籽岗隧道爆破施工影响分析

马运新　傅鹤林　李朋　黄齐兵

摘要：草籽岗隧道临近既有杭深铁路大山脑隧道，此为该隧道工程爆破施工的难点。文章分析了隧道爆破对近接既有运营隧道的影响，提出弹性区的振动波是对既有隧道造成损伤的主要原因，并提出了针对性的施工方案。

关键词：地质条件;隧道近接;爆破;监测

中图分类号：U455.6

0 引言

钻爆法由于具有工序简单、经济合理等优点，在地下工程施工中被广泛应用。但是，该法也给距爆炸源一定范围内已开挖地下工程的安全和稳定带来了重大影响[1]。

李兴华等[2]采用波函数展开法，推导了无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数的表达式;叶培旭等[3]结合南山下隧洞下穿温福客运专线钱仓山隧道工程，实时监测了近距离交叉隧洞爆破施工对既有隧道的振动影响，发现采用导洞先行预留光面爆破，导洞爆破掏槽眼、周边眼及底板眼分开起爆，控制最大段装药量等措施，可有效地降低爆破振动影响，控制其对近接隧道的影响;王新宇等[4]为保证既有线的安全運营，采用ANSYS LS-DYNA软件建立了隧道的有限元模型，结合既有线振动速度的实测数据，采用质点振速判据评估了下穿隧道爆破施工时既有线结构的安全性，保障了下穿隧道施工时既有隧道的运营安全;文献[5-7]通过模型实验对围岩在爆破振动作用下的动态响应进行了研究;文献[8-12]通过现场的监测工作和数据反馈，动态调整和优化了具体洞段的钻爆参数及工艺，确保了隧洞安全顺利穿越敏感区域。

本文依托G228陆埠互通及S319丈亭互通草籽岗隧道工程，在重难点施工分析基础上研究隧道爆破对近接既有运营隧道的影响，并给出相应的施工方案，为近接既有隧道爆破施工提供指导与借鉴。

1 项目概况

G228陆埠互通及S319丈亭互通工程位于浙江省慈溪市、余姚市境内，线路在余姚市丈亭镇梅溪村南部需对草籽岗隧道进行穿越。该隧道最大埋深为130 m，为双向六车道，公路等级为一级，设计时速为80 km/h。该隧道左右洞分离，左洞和右洞均>1 000 m，为分离式长隧道。隧道设置表如表1所示。

草籽岗隧道左线全长为1 130 m（起止里程为ZK25+840～ZK26+970），其中Ⅴ级围岩长135 m，Ⅳ级围岩长405 m，Ⅲ级围岩长590 m;右线全长为1 180 m（起止里程为YK25+800～YK26+980），其中Ⅴ级围岩长130 m，Ⅳ级围岩长485 m，Ⅲ级围岩长565 m。进口端明洞长约10 m，左右双洞洞门均采用端墙式洞门;出口端明洞长约20 m，左右双洞洞门均采用削竹式洞门。隧道单洞行车道为3×3.75 m，单洞建筑限界总宽度为14 m，净高为5 m。隧道围岩分级如表2所示。

由表2可知：草籽岗隧道左洞围岩以Ⅲ级、Ⅳ级为主，其中Ⅲ级围岩约占50%，Ⅴ级围岩最少，围岩工程性质较好;右洞以Ⅲ级、Ⅳ级围岩为主，Ⅲ级、Ⅳ级围岩长度相当，Ⅴ级围岩最少，围岩工程性质较好。在Ⅳ～Ⅴ级围岩处，应加强支护，并及时衬砌;在沟谷、构造作用处及两侧附近，地下水富集，隧道开挖易产生渗水、淋水等问题，建议加强超前预报。

2 难点分析

虽然隧道路线走廊带内未见对路线方案选择有重大影响的不良地质作用，总体适宜项目建设，但草籽岗隧道临近既有杭深铁路大山脑隧道，此为该工程的难点。草籽岗隧道出口端与大脑山隧道水平相距大约965 m，而进口端距大山脑隧道较近，水平相距大约50 m。

新建胜陆公路东西分幅，均以路堑跨越杭深铁路大山脑隧道，再接新建草籽岗隧道。东幅中心线对应铁路里程大致为杭深下行线K275+027处，交角约55.2°;西幅中心线对应铁路里程大致为杭深下行线K274+985处，交角约54.8°。公路设计路面与铁路隧道洞顶垂直距离>31 m。新建草籽岗隧道小里程方向洞口距离既有杭深铁路大山脑隧道水平距离最近处约50 m（实际>50 m）。隧道Ⅴ级围岩段爆破区域距离既有铁路最近处约50 m（实际>50 m）;隧道Ⅳ级围岩段爆破区域距离既有铁路最近处约150 m（实际>150 m）;隧道Ⅲ级围岩段爆破区域距离既有铁路最近处约200 m（实际>200 m）。详细平面关系如图1所示。

3 爆破分析

炸药爆炸过程相当之复杂，根据文献[13]可知，由于用来装药的炮孔空间狭小，待雷管引爆炸药后，冲击荷载由之产生并相当巨大，瞬间作用于炮孔的孔壁之上，随之周围土体将产生强烈振动，进一步加快爆破振动波在土体中的传播速度。与此同时，岩土体由于弹性不强，在冲击荷载下，孔洞周围的岩土体将产生严重的塑性变形，变为碎石颗粒，进而形成破碎区。另一方面，周围土体对破碎区具有一定的约束作用，因此破碎区的范围一般较小，然而大部分的振动能量都消耗于该处，振动波的应力大小急剧减小，且能量减小后的振动波继续向周围岩土体传播。尽管振动波能量大幅降低不足以对岩土体产生破坏，但仍然会使得岩土体产生非弹性变形，进而形成裂缝区。此时振动能量波虽然继续减小，但是减少量变小且减少速率变低，一般裂缝区范围会大于破碎区范围。随着传播距离的不断增大，振动波的能量也不断减小，此时岩土体只会产生小范围的弹性运动，并不会对土体产生任何破坏，此区域称之为弹性区。弹性区的范围远大于破碎区及裂缝区，且一般来讲弹性区的振动波是对既有隧道造成损伤的主要原因[14]。爆破振动波影响区域如图2所示。

4 施工方案

鉴于上述情况，建立隧道施工方案如下。

草籽岗隧道进口在与杭深铁路隧道结构外缘水平距离50 m范围内根据相关要求不得采取爆破施工;水平距离50 ～1 000 m洞身开挖采用机械开挖+微弱爆破时，应采用风钻打设炮眼，单次爆破炸药用量不得>30 kg，悬臂挖机配合进行开挖;隧道距离出洞还有45 m时采用机械开挖方式掘进，保障临近铁路隧道的运行安全。隧道开挖方法分段说明如图3所示。

根据爆破区域周边环境、地质条件等相关要求，并结合本工程所处的爆破地理位置和环境的总体考量，针对工程开挖特点和环境条件，对于不同类型和不同岩体采用如下方法开挖：

（1）隧道掘进采用单向掘进开挖，自大里程向小里程方向推进（距离杭深铁路附近的进口段后挖）。在距出洞口约15 m时，先掘进1.8 m×1.8 m小断面，然后再从进洞口开挖。

（2）隧道进口明洞采取露天浅孔松动爆破，台阶高度为1～5 m。

（3）隧道洞身Ⅲ级围岩断面宽度为16.25 m，高度为9.58 m，面积为123.24 m2，采用全断面法开挖，每循环进尺为2.7 m，隧道洞身Ⅲ级围岩段紧急停车带采用台阶法进行开挖，每循环进尺为2.7 m。

（4）隧道洞身Ⅳ级围岩断面宽度为16.61 m，高度为9.67 m，面积为147.64 m2，采用上下台阶法开挖，每循环进尺为1.6 m。

（5）隧道洞身Ⅴ级围岩断面宽度为16.95 m，高度为10.33 m，面积为158.89 m2。一般深埋段采用環形开挖留核心土法开挖，每循环进尺为0.9 m;洞口段、全风化富水破碎带Ⅴ级围岩采用中隔壁（CD）法开挖，循环进尺为0.9 m。

（6）隧道人行横洞面积为8.31 m2，采用全断面开挖，每循环进尺为1.6 m;车行横洞面积为47.51 m2，采用台阶法开挖，每循环进尺为2.7 m。

根据工程施工特点，按照外部施工各个阶段的工期安排，对杭深铁路的监测频率为：在施工开始之后的每次爆破时进行监测[15]。当监测值超过预警值时，应及时通知施工单位调整爆破参数，以最大可能地避免爆破振动超过相应的安全允许值，保证运营隧道的安全。

5 结语

本文以G228陆埠互通及S319丈亭互通草籽岗隧道为依托工程，从地形地貌、地质条件、水文条件等方面分析了隧道爆破对近接既有运营隧道的影响。结果表明，爆破振动波影响区域分为弹性区、裂缝区及破碎区，其中弹性区的振动波是对既有隧道造成损伤的最主要原因。同时，给出了相应的施工方法及监测方法，为该工程的安全提供了保障，可为其他类似工程提供参考。

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作者简介：

马运新（1985—），工程师，研究方向：隧道技术管理;

傅鹤林（1965—），博士，教授，研究方向：隧道技术;

李 朋（1989—），工程师，研究方向：施工技术管理;

黄齐兵（1997—），硕士，研究方向：隧道技术。