邻近营业线铁路隧道小净距工程中的控爆技术

江浩

（金台铁路有限责任公司，浙江 台州 318000）

0 引言

目前，我国在铁路建设领域已经走在了世界前列，铁路网覆盖范围越来越广。很多新修建的铁路会出现与既有铁路在设计时交叉等情况，所以新建铁路在进行爆破施工时不可避免地对既有铁路造成影响，使既有铁路的运营面临较高风险。为此，必须采取相应的技术措施来控制爆破振动[1]，以减少对既有铁路的影响。

1 工程概况

林家岙隧道位于浙江省台州市境内，隧道进、出口位置与村道形成交叉。隧道起讫里程为K470+063—K474+996，全长4 933m，主要为单线电气化无砟轨道铁路隧道。该隧道附近有一条正在营业的黄毛山隧道，其中扩建既有平导180m，林家岙隧道进、出口与黄毛山隧道的间距分别为35m、36.5m。为确保黄毛山隧道的运营安全，在林家岙隧道爆破施工时必须使用控爆技术。

2 平导开挖顺序与总体爆破施工方案

2.1 平导扩挖总体原则与控制要点

（1）常规开挖段扩挖至5.0m（宽）×6.0m（高）。平导扩挖断面的宽度约为5m，高度约为6m。首先必须保证断面尺寸准确无误，其次在新建隧道侧展开挖掘，既有隧道侧务必保持完整。在开挖的整个过程中，应保持平导的稳定性能和确保隧道安全。

（2） 已施作二次衬砌段扩挖至5m （宽） ×6m（高）。铁路施工结束后，可以将平导视为应急通道投入应用。

从实际测量结果来看，隧道既有平导衬砌段主要衬砌为混凝土衬砌，厚度最低为20cm，最高为60cm。爆破衬砌断面分布情况较为复杂，呈现不规则分布，局部岩体炮孔位置无法精确定位，如左右和顶部岩体炮孔的位置。断面主要分为比较规则和不规则两部分。前种情况下，左侧与右侧需要爆破的距离基本保持相同，没有过大差距；后种情况下，左侧比原有的设计位置超出了1.23m。

从上述分析可以发现：选择最具代表性的两个断面进行优化设计，并根据实际情况调整过渡段。应严格按照衬砌洞段设计要求和有关施工规范开展施工，遵循“先衬砌后围岩”“先光面后预裂”的顺序实施爆破。在充分确保“断面尺寸”的基础上，尽力使左侧与右侧开挖宽度均衡，保证既有铁路与二线正洞的安全性。在这一准则下，可以保证平导本身以及既有与新建隧道的安全。

2.2 平导常规扩挖爆破方案

平导顶部保持不动，只对平导左侧与右侧进行扩挖，但左右两侧扩挖的厚度比较浅，基本保持在30cm以下，所以适合斜向钻眼爆破法。该方法的特点是便于施工且速度较快。通过了解本工程地形地质的规律与特点，采用“浅孔与爆破控制相结合”完成平导常规段的爆破作业，规范开展作业，保证爆破的安全性，强化爆破效果。如果需要二次破碎大块岩石以满足运输标准，则可以实施二次爆破。

2.3 平导衬砌段扩挖爆破方案

衬砌洞段爆破时主要有如下四个注意事项：第一，平导衬砌是首先需要爆破的部分，平导衬砌主要是素混凝土衬砌，厚度最低为20cm，最高为60cm；第二，原初支结构肯定会遭到破坏；第三，开挖的宽度为5m、长度为6m；第四，软弱围岩稳定性较差，存在较高的坍塌风险。因此，爆破方案总体如下：

（1）开展右侧预裂爆破。右侧进行装药与起爆设计，注意不能影响右侧既有路线的运营安全，并在此基础上明确预裂炮孔分段和最大段装药量。

（2）进行衬砌爆破。爆破时以隧道轴为主向打入水平炮眼。

（3）进行围岩段爆破。以衬砌与预计开挖线距离为参照，确定左侧与后侧的位置以及其到洞顶的炮眼位置，爆破最好分段进行。

（4）进行左侧光面爆破。在设计时充分考虑装药与起爆情况。

3 常规洞段平导控制爆破设计

3.1 控制爆破参数确定

综合考虑岩石性质，把握岩石的种类、特性及结构，并开展爆破试验，确定目标爆破参数。必要情况下，需在局部地域采用预裂控制爆破技术实施爆破[2-3]。

（1）钻孔直径。因为利用了浅孔凿岩装备，孔径最低为36mm，最高为42mm，药卷直径大多数情况下维持在32mm左右。

（2）炮孔长度按式（1）计算：

式（1）中：L1为炮孔长度（m）；L为单次进尺（m）；h为爆破厚度（m）。

（3）单耗q与单孔装药量Q。单位岩体炸药消耗量会受到诸多因素的影响，如断面情况、炸药性质等。且单位岩体炸药消耗量的科学与否不仅会影响炮眼的使用效率，还会影响岩石破碎块度。线装药密度q密为0.25kg/m，则：

式（2）Q= 0.4kg。

（4）孔距和排距。在布置孔距时，务必依据平导轮廓线进行详细布置。布置的均匀性非常重要，排距情况也相同。换言之，孔距a要与孔深L孔保持彼此对应的关系，a与L孔的数值均为1.5m。

3.2 炮孔布置

布置炮孔的初始位置为距离底板20cm 处，炮孔一共有7排，每排的距离约为0.5m；每排炮孔的布置不随机，而是按照实际情况展开。炮孔布置具体如图1 所示。图1仅对部分炮孔进行了标识，其他炮孔的布置形式基本保持一致。

图1 炮孔布置

3.3 炮孔装药及填塞结构

一般情况下，爆破施工按照设计药量具体开展，从现场爆破经验出发，根据岩石的种类、特点、结构等，在保证填塞密度符合要求的前提下，可以合理调整炮孔的装药量。从孔口到孔底连续柱状装药，不能出现中断的情况。

3.4 爆破微差间隔时间及起爆网络设计

（1）微差间隔时间。根据爆破微差间隔和起爆网络确定爆破顺序，起爆顺序为：首先起爆两侧墙下，其次起爆拱肩。

（2）起爆网络设计。该项目主要通过毫秒电雷管等设备进行排间微差松动控制爆破，并根据实际控制最大段装药量来分段，分别取ms1、ms3、ms5 和ms7等段。

4 衬砌洞段平导控制爆破方案

4.1 控制爆破参数确定

在设计爆破参数时，设计人员应综合考虑影响爆破施工因素，对衬砌、围岩、左侧光面、右侧预裂等因素进行科学分析。

4.1.1 衬砌爆破参数

衬砌爆破的重点是炸碎素混凝土，特别要注意K471+052—K471+990 段，因为平导左边的衬砌已经在轮廓线位置之外，所以这段衬砌始终保持不变，仅对右侧部分进行扩挖。同时，需要及时关注右侧部分围岩变形情况，避免围岩变形影响既有线路的稳定性。

（1）钻孔直径。因为利用了浅孔凿岩设备，孔径最低值为36mm，最高值为42mm，药卷直径为32mm。

（2）炮孔深度和超深。根据式（3）计算：

式（3）中：La为炮孔的深度（m）；L0为单次爆破进尺（m）；Lc为超深（m）。

超深最低取炮孔深度的10%，最高取炮孔深度的15%。

（3）其他参数。素混凝土衬砌厚度最低为20cm，最高为60cm，厚度δ=40cm。

炮孔个数n=10个。

（4）炸药单耗：qa=0.5kg/m3。

（5）单孔药量：

式（4）中：qa为炸药单耗（kg/m3）；V为进尺爆落岩石的体积（m3）。

（6）总药量：

式（5）中：n为炮孔数量（个）。

4.1.2 围岩扩挖爆破参数

在设计爆破参数时，应充分考虑岩石的种类、特点、结构。不得随意调整爆破参数，应开展爆破试验，并根据试验结果调整参数。

（1）钻孔直径。由于选择的是浅孔凿岩设备，孔径最小36mm，最大42mm，药卷直径为32mm。

（2）炮孔深度和超深与衬砌相同。

（3）其他参数。孔距a=0.8～1.0m，排距b=0.8m。

考虑造爆破时无法精准确定待爆破围岩岩体和轮廓线的距离，所以要灵活设置孔距和排距，孔距和排距设置为最小0.8m，最大1.0m。

（4）炸药单耗：qb=0.6kg/m3。

（5）单孔装药量：Qb=1.344kg，取1.4kg。

（6）根据装药系数核校装药量：线装药系数取值0.5，装药长度为：

式（6）中：L2为炮孔深度（m）。

因此Qb= 1.75× 100 ÷ 20 × 0.2 = 1.75kg，最终确定Qb=1.8kg。

4.1.3 左侧光面爆破参数

（1）炮孔参数。平导设计的围岩等级为Ⅳ级，破碎性高。因而在设计炮孔时应合理调整周边炮眼的眼间距，控制爆破轮廓，严格按照开挖规范完成开挖作业，预防超欠挖。断面值为45cm。光爆孔装药不耦合系数r=D÷d。其中，D为炮孔直径，取42mm；d为药卷直径，取25mm。经计算r=1.68。光面爆破采用不耦合间隔装药结构，反向起爆。

（1） 线装药密度：qc=0.2kg/m。炮孔长度：Lc=3.5m。

（2）单孔装药量：

（3）光面孔数目：中心线左侧所有光面孔总数为20。

4.1.4 右侧预裂爆破参数

右侧围岩段采用光面控制爆破，并加强预裂爆破的控制，避免爆破作业影响既有铁路，引发质量安全事故。具体参数如下：

（1） 线装药密度：qd=0.2kg/m。炮孔长度：Ld=3.5m。

（2）单孔装药量：

（3）炮孔数目：中心线条右侧采用预裂爆破施工技术，预制爆破炮孔总数为21。

4.2 炮孔布置

4.2.1 规则断面爆破炮孔布置规则断面爆破炮孔布置如图2所示。

图2 规则炮孔布置（单位：m）

4.2.2 不规则断面爆破炮孔布置

不规则断面爆破炮孔布置如图3所示。

图3 不规则炮孔布置（单位：m）

根据图3 可知，左侧底部到超墙的一段不处于设计轮廓线位置，从目前平导既存的轮廓线出发考量，左侧与后侧基本保持不动，不断向上部扩充，直至扩充到设计轮廓线位置。

4.3 炮孔装药及填塞结构

爆破作业时要严格按照设计的具体总量进行。首先保证填塞的高度满足要求，其次合理调整装药量。预裂爆孔时要充分考虑孔的实际长度，在导爆索上绑药包并将其下放至孔底，孔底塞入1m 左右的填塞物，从而形成爆破药卷。

4.4 爆破微差间隔时间及起爆网络设计

4.4.1 微差间隔时间确定

主炮孔起爆前先进行预裂爆破，两项之间有一定的时间微差，以保证形成人造断层，微差一般保持在50ms 以上。微差主要根据两方面的影响因素确定：第一，受岩石硬度的影响，质地比较松软的岩石微差时间较长，质地比较硬厚的岩石微差时间较短；第二，受孔网参数距离大小的影响。严格管控微差间隔时间，从而提升开槽爆破的质量，并减少爆炸对隧道产生的影响。考虑主爆孔和预裂炮孔的排间距离很小，所以微差的间隔时间设置为25～50ms。

4.4.2 起爆网络设计

本工程主要利用毫秒电雷管等设备进行排间微差松动控制爆破。安装顺序为预裂爆孔→主爆孔→光面爆破孔。

5 爆破安全评估与控制

5.1 常规洞段爆破振动速度及其安全分析

5.1.1 爆破振动速度计算

科学计算爆破振动速度，采用萨道夫斯基控制爆破振动速度公式进行计算：

式（9）中：V为振动速度最大值；K为地质系数；Q为起爆中的最大用药量（kg/m3）；R为以最大一段起爆量的分布中心为参照，到附近被保护物的距离（m）；α为地震波衰减指数。

5.1.2 Ⅱ级围岩段

《爆破安全规程》（GB 6722—2014）对爆破安全进行了全面界定，交通隧道允许振动的速度不能低于10cm/s，不能高于15cm/s。按照具体规定，振动允许的速度保持在2.5cm/s。在本工程中，单孔最大用药量约为0.2kg。如果采取排间起爆的形式，最大段的装药量约为1kg，将距离设定为20m，具体公式如下：

5.1.3 Ⅲ～Ⅴ级围岩段

本工程的单孔最大药量约为0.2kg，若采用排间起爆的形式，最大段的装药量约为1kg，将距离设定为20m。则有：

从上述的具体计算可以发现，爆破振动速度为1.14cm/s，在2.5cm/s的安全允许范围之内，不会对既有隧道造成影响。

5.2 衬砌洞段爆破振动速度及其安全分析

根据爆破方案，预裂孔先响，每一段的装药量约为1.6kg，每一段主要布置了2 个爆破孔眼。

5.2.1 Ⅱ级围岩段

根据萨道夫斯基控制爆破振动速度公式，将路基设定为20m，则有：

5.2.2 Ⅲ～Ⅴ级围岩段

将距离设定为20m，则有：

从上述具体计算可以发现，爆破振动速度为1.50cm/s，低于2.5cm/s的最大安全允许范围，不会对既有隧道的结构造成影响。

6 结语

当前，我国铁路建设规模越来越大、路网越来越密，已经居于世界前列。在此过程中，不可避免地存在新建铁路与既有铁路直接交叉的情况，且这种情况存在增多的趋势。因此在隧道施工时会对地层产生扰动，进而影响铁路隧道施工和既有线的安全。本文基于林家岙隧道工程，确定了平导开挖顺序与总体爆破施工方案，并优化设计常规洞段和衬砌洞段平导爆破控制方案，加强爆破安全评估与控制，达到了控制营业线小净距施工安全风险的效果，对既有铁路的干扰小，为同类工程的爆破施工提供了一种可靠的爆破模式。