浅埋高铁隧道下穿建筑群钻爆法开挖设计与优化

贺伟奇HE Wei-qi

（中铁十七局集团第三工程有限公司，石家庄 050000）

0 引言

目前，隧道开挖常采用钻爆法，设计阶段主要考虑地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻眼机具、爆破器材及环境要求等因素，设计内容包括炮眼布置、深度、斜率和数量，装药量和装药结构，起爆方法和爆破顺序等。当高铁隧道穿越城市浅埋地段时，采用钻爆法一方面要严格控制开挖后地表及围岩沉降，另一方面需考虑爆破过程中产生的振动影响，这是不同于山岭隧道钻爆设计的主要区别。《爆破安全规程》（GB6722-2014）中对不同类型建（构）筑物、设施设备等保护对象制定了不同的安全判据和允许标准，如表1 所示[1]。本文以沈白高铁顺城隧道浅埋段为背景进行钻爆法开挖设计，并在此基础上探寻多种有效的减振技术方案，从而保证隧道浅埋段安全快速掘进。

表1 爆破振动安全允许标准

1 工程概况

沈白高铁顺城隧道斜井段里程DK41+630～DK42+300段670m 穿越远洋社区，埋深8.43～12m。隧道临近多座建筑物，地质条件复杂，施工变形、振动控制要求极其严格。经调查，社区内地表建筑物与隧道在平面上的相对位置如图1 所示，在各里程横断面上的相对位置如图2 所示（以DK42+030 里程为例）。通过平面图和横断面图，可以测量计算出建筑物距隧道最小距离，即爆破时应设定的安全爆心距。

图1 浅埋段地表建筑物与隧道相对位置平面图

图2 DK42+030 处隧道与建筑物位置关系横断面图

2 钻爆法开挖设计

2.1 确定最大单段药量

大量工程实践证明，振动速度的峰值主要取决于最大单段药量。由于掏槽爆破夹制作用强，破岩时需要装填更多炸药，因此如何控制掏槽爆破振动成为减振施工的关键。经专家论证，本工程中附近居民的建筑物爆破振动速度不得大于0.5cm/s。计算最大单段药量采用修正的萨道夫斯基公式[2]，见式（1）。

式中，V 为质点振动速度峰值，cm/s；Q 为与振速V 值对应的最大单段起爆药量，kg；R 为测点与爆心的直线距离，m；K1为进尺修正系数，取0.3-1；K2、α 分别为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

本工程中，进尺为1m 左右时，K1取0.3，进尺为2m 左右时，K1取0.5；K2取250；α 取1.8。结合建筑物的安全爆心距和围岩分布情况，划分不同的影响里程段，每一里程段的安全爆心距和围岩级别相同，据此计算允许最大单段药量，见表2。

表2 影响里程段划分及最大单段药量控制表

2.2 爆破参数设计

爆破参数按如下原则设计：整体遵循光面爆破的原理，采用毫秒延时微振控制爆破技术，严格控制最大单段药量，同时在振动允许的情况下，尽量选择合适的进尺以保证进度。以K41+750～K42+050 为例，本里程段为Ⅴ级围岩，安全距离为20m，结合表2 确定爆破参数如下：

采用三台阶法开挖，上台阶保证每循环进尺2 榀拱架（1.2m），最大单段药量不超过1.9kg；上台阶爆破后，中、下台阶与建筑物之间形成空气隔振槽，一定程度上减弱了爆破振动的传播，可以增加循环进尺为3 榀拱架（1.8m），单孔药量随之增加。同时进尺增加，K1取值增大，一定程度上又要减少单段药量。综合分析，确定中、下台阶最大单段药量不超过1.6kg。采用数码雷管起爆网路，雷管段位和同时起爆孔数严格按照图3 的标识要求，其他爆破参数见表3。

图3 V 级围岩三台阶法控爆设计图（安全距离为20m）（单位：cm）

表3 Ⅴ级围岩三台阶法（安全距离为20m）爆破参数表

2.3 装药结构、堵塞和起爆网路

使用ϕ32mm 的2#岩石乳化炸药进行爆破，掏槽孔、辅助孔、底孔采用连续不耦合装药结构，周边孔采用间隔不耦合装药结构，起爆雷管均置于炮孔底部。炮孔填塞采用稍湿含细砂黄粘土，需分层捣固密实。周边眼在孔口进行堵塞，长度不小于20cm。上台阶按照掏槽眼-辅助眼-压顶眼-内圈眼-抬炮眼-底板眼-周边眼-底脚眼的顺序连接起爆网路，中、下台阶按照第一排、第二排炮眼-内圈眼-底板眼-周边眼-底脚眼的顺序连接起爆网路。

3 钻爆法方案优化

3.1 预裂爆破

采用预裂爆破在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝，能够有效地缓冲、反射开挖爆破的振动波，降低周边建筑物的振动峰值。有富余的振速安全储备时，可以增大主爆区单段药量，提高循环进尺，降低起爆网路的复杂程度。但是，采用预裂爆破周边眼只有一个临空面，受夹制作用强，需要通过增大孔径和装药量、减小孔间距保证裂缝贯穿炮孔，此时炮孔周边围岩易受到破坏，开挖轮廓面的平整光滑度不如光面爆破[3]。另外提高了炸药单耗，经济效益欠佳。因此，以降振为主要目的时，综合考虑其他因素，选用预裂爆破是一种有效的方法。

3.2 环缝取芯

与预裂爆破方法的原理相同，采用钻机沿上台阶轮廓线以相临圆方式进行环缝取芯，形成连续隔振槽道。相较于贯穿裂隙，降振作用明显，能够保证开挖轮廓面平整度。但是本方法增加了一道工序和多台钻孔设备，延长了循环耗时，提高了施工成本。

3.3 钻爆法+悬臂式掘进机联合开挖法

悬臂式掘进机是隧道工程中常见的开挖机械，通过切削刀盘上的滚刀对岩面形成滚动挤压进行破岩，可以有效地避免振动影响，但是应用在硬岩中具有开挖速度慢、施工成本高等缺点。因此可作为辅助的方法，配合钻爆法进行降振开挖。

根据悬臂式掘进机开挖断面比例，可分为图4 所示的三种方法：a.上台阶全断面机械开挖法；b.上台阶轮廓机械开挖法；c.上台阶导洞机械开挖法，其余部分仍采用钻爆法开挖。

图4 钻爆法+悬臂式掘进机联合开挖法

上台阶全断面机械开挖法和轮廓机械开挖法形成大面积的隔振空间，阻断了爆破振动的直线传播路径，延长了传播距离，同时能够消耗一定的爆破能量，降振作用最为明显。上台阶导洞机械开挖法采用悬臂式掘进机对掌子面核心岩土进行掏槽，一方面消除了上台阶掏槽爆破引起的振动，另一方面为辅助眼爆破提供了更大的临空面，可以降低其单孔装药量从而达到减振的目的[4]。

4 结论与建议

以沈白项目顺城隧道浅埋段下穿多座建筑物为工程背景，通过设计研究得出以下结论与建议。

①采用钻爆法开挖时，掏槽眼的设计是隧道减振控制的关键，通过合理的计算方法和经验推导得出最大单段药量，并以此进行光面爆破参数设计是基本的、有效的方法，设计过程应兼顾建筑物的振动安全和合理的开挖进尺。②以降振为目的的爆破方案设计，除了减少最大单段药量，也可以采用预裂爆破、环缝取芯、上台阶轮廓机械开挖的方法，在主爆区与保护对象之间形成不同宽度的隔振带起到降振作用。另外采用机械开挖掏槽区从而消除掏槽爆破环节也是一种有效的方法。施工过程中可结合项目特点综合应用，进一步保证周边建筑物的安全。③爆破施工过程中，应根据现场振动监测的分析结果，综合考虑安全、进度、成本等因素，及时调整爆破参数和降振方法。