倒台阶法在近接隧道爆破控制中的应用研究

王连华

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610072)

1 引言

随着我国交通行业迅猛发展，受地形和选线的限制，出现了越来越多的复杂环境隧道工程，如近距离下穿城市建筑群、“零”距离下穿城市地铁、邻近运营既有线隧道等。复杂环境下的隧道爆破施工，必然对周边既有结构物带来振动影响，甚至造成既有结构物的破坏。

国内许多学者已对复杂环境下的爆破控制展开了研究。赵宝珠[1]对大断面隧道近距离下穿建筑地表沉降控制与爆破控制技术展开了研究。袁旭东[2]研究了花岗岩地层中隧道洞口与地铁车站主体结构零距离爆破进洞施工方法。江龙[3]以青岛地铁2号线隧道侧穿加油站为依托工程，通过采用大直径双中空孔减振方法，将振动速度控制在0.5 cm/s内。刘鹤冰等[4]以新双碑隧道为工程依托，对隧道近距离下穿渣滓洞爆破控制技术进行了研究，降低了隧道爆破对渣滓洞的振动影响。周凯[5]以桑植隧道为工程依托，探讨了隧道爆破振动在双洞隧道空间状态下的影响规律，并提出了针对性的振动控制措施。黄雄军[6]提出了大断层注浆段隧道爆破方案和爆破控制参数，确定了炮孔布置及起爆方法。贾明伦[7]对单线浅埋隧道爆破参数进行了优化。张彪[8]对孤石深孔爆破对邻近竖井结构的振动影响进行研究，提出了减振孔和隔离孔等减震措施。傅洪贤等[9]通过对隧道爆破振动进行现场测试，揭示了隧道爆破时围岩振动规律[10]。单仁亮等[11]以隧道下穿铁路为工程实例，研究了雷管段位和炮孔类型对爆破峰值振动速度的影响。龚敏等[12]以莲塘小净距隧道为工程依托，获取了双临空面的单孔波形，解决了第二临空面形成后的波形计算问题。

目前，国内外学者尚未对喀斯特地质条件下隧道邻近既有线隧道爆破施工展开研究。本文以渝怀铁路涪陵至梅江段增建第二线新张坝隧道为工程依托，针对喀斯特地质条件下Ⅲ级及以上围岩爆破施工控制技术展开研究，提出了“倒台阶”隧道爆破施工工法。

2 倒台阶法现场应用研究

2.1 依托工程

渝怀二线新张坝隧道为喀斯特地质条件下新建铁路复线隧道邻近既有线隧道爆破施工工程。隧道属低山地貌，线路由北向南沿秀山河右岸斜坡行进，地形起伏较大，地势陡峭。

新张坝隧道位于重庆市秀山县境内，全长1 520 m，其中Ⅲ级围岩1 285 m、Ⅳ级围岩195 m(含进口明洞10 m)、Ⅴ级围岩30 m。隧道设计为单线隧道，隧道净高6.69 m、净宽5.62 m(含衬砌厚度)。新张坝隧道线路右侧为既有张坝隧道，出口段与既有张坝隧道线间距约31 m，进口段与既有线隧道最小线间距16.94 m，两隧道最小净距11.32 m，且既有隧道部分段落存在病害，必须采取控制爆破开挖，避免既有病害加重，从而影响既有线隧道本身的稳定性和安全性，对既有线运营造成安全隐患，见图1。

图1 新旧隧道位置关系

考虑既有隧道的运营安全，根据《成都铁路局关于研究渝怀二线隧道控爆邻近既有线施工相关事宜的会议纪要》要求，线间距在20～50 m之间隧道洞内采用控爆开挖，爆破对既有结构物的质点振速不大于2.5 cm/s。

2.2 现场爆破最大装药量计算

根据爆破安全规程[10](GB 6722—2014)，延时爆破最大一段药量计算公式为:

式中:Qmax为炸药量，齐发爆破时的总药量，延时爆破时的最大一段药量(kg)；V为保护对象所在地的质点振动安全允许速度(cm/s)，取2.5 cm/s；K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，分别取150和1.6。

隧道爆破均使用2号岩石乳化炸药，掏槽孔和掘进孔采用φ32药卷，连续装药，采用塑料导爆管毫秒雷管孔内延时起爆网路。周边孔间隔装药，采用导爆索起爆，以减小起爆时差。按照对既有隧道最不利振速2.5 cm/s进行不同线间距情况下的爆破控制药量计算，得到控制爆破单段最大药量见表1。

表1 单段最大药量

Ⅲ级围岩线间距小于35 m后，隧道采用全断面法爆破无法满足振动控制要求，需采用台阶法施工，减少一次爆破装药量，降低新建隧道爆破开挖对邻近隧道爆破振动的影响。

3 倒台阶法在隧道中的应用

倒台阶法是台阶法的一种特殊施工方法，其爆破顺序与常规台阶爆破顺序相反。倒台阶法适用于Ⅲ级及以上的围岩，其主要原理是充分利用围岩稳定性，先爆破下台阶，上台阶爆破时充分利用下台阶爆破的临空面，提高爆破效率，减少装药量以降低隧道爆破对邻近建筑物的振动。

3.1 倒台阶法爆破参数

根据线间距不同，倒台阶循环进尺分别采用1.2 m和2.4 m。根据炮眼布置和爆破原则，炮眼布置见图2，限于篇幅，仅列出开挖进尺为2.4 m的爆破参数，如表2所示。

图2 倒台阶炮眼布置(单位:cm)

表2 Ⅲ级围岩进尺2.4 m倒台阶爆破设计参数

当开挖循环进尺2.4 m时，下台阶断面面积为20.8 m2，一次爆破量49.9 m3，一次总装药量50.9 kg，炸药单耗1.0 kg/m3；上台阶开挖断面面积23.41 m2，一次爆破量56.2 m3，一次总装药量30.9 kg，炸药单耗0.55 kg/m3。当开挖进尺1.2 m时，下台阶一次总装药量25.5 kg，炸药单耗1.0 kg/m3，单段最大起爆药量为3.7 kg；上台阶一次总装药量16.5 kg，炸药单耗0.59 kg/m3，单段最大起爆药量为3.08 kg。

根据表1可知，最大控制爆破用药量为12.51 kg。在线间距大于30 m时，可采用进尺2.4 m的倒台阶法开挖，其验算振速为2.08 cm/s；线间距在20～30 m范围内时，可采用进尺1.2 m的台阶法开挖，其验算振速为2.5 cm/s，满足振动控制要求。

3.2 倒台阶法施工工艺

倒台阶法开挖隧道时，利用全断面开挖台架一次性完成掌子面炮眼钻孔。如图3所示，先爆破下台阶，再微台阶倒序爆破上台阶。装药时，将起爆体和炸药按设计要求放置在孔口附近；将炸药轻送至炮孔底部，每装入一定量的药包后，应测量装药长度；装入起爆药包后，严禁强力捣压药包，尤其是起爆药包，防止引起早爆事故。装药时严格按操作规程缓慢逐步进行，并由专人进行检查，同时做好现场记录。

图3 倒台阶法现场施工

下台阶出渣完成，上台阶可马上装药、爆破、出渣，提高施工效率，缩短施工循环时间。

4 现场爆破效果

下台阶掌子面爆破作业之后，除去部分因爆破产生的碎渣，可以使上台阶掌子面土体靠近作业面的前端更多地处于悬空状态，从而使得上台阶掌子面的爆破作业达到更好的效果，隧道爆破效果如图4所示。

图4 隧道爆破效果

采用TC-4850型爆破振动监测仪对爆破施工现场振动波速峰值进行监测。在既有隧道内根据新建隧道爆破作业面对应里程设置流动监测点，其他监测点根据设计及相关规范要求设置。由于既有隧道与新建隧道邻近的迎爆侧边墙振动强度通常大于背爆侧，振动监测点应布置在既有隧道迎爆侧边墙下部，如图5所示。

图5 测点布置及振动监测

现场爆破振速监测结果表明，爆破振速实际监测值较设计稍小，但有0.5 cm/s的波动值，其最大值均在理论计算范围以内，在围岩较破碎时，其爆破振速降低明显。新张坝隧道控制爆破施工对既有隧道病害无影响。现场爆破效果进一步验证了倒台阶法在邻近隧道爆破中的应用，未对既有隧道造成破坏。

5 结论

(1)倒台阶开法工法，充分利用围岩的稳定性，先下台阶爆破，再上台阶起爆。上台阶爆破时充分利用下台阶爆破的临空面，减少装药量，较好地控制施工过程中爆破振动速度，减少隧道施工对既有线运营的影响。

(2)邻近既有线单线隧道倒台阶施工技术切实可靠、施工便捷、耗时短、机械效率高，且对既有结构物影响小，施工安全可靠，为工期提供了良好的保障。

(3)倒台阶控制爆破技术与传统全断面爆破、正台阶施工方法相比，节省了炸药消耗，加快了钻眼和装渣出渣进度，每循环节约作业时间3.5 h，大幅降低施工成本。

(4)通过爆破振速监测验证，爆破设计振速实际监测值最大不超过1.8 cm/s，在围岩较破碎处爆破振速降低明显。倒台阶法控制爆破施工对既有隧道病害无影响。