矿山法隧道下穿既有建筑物爆破施工控制技术研究

摘要：介绍了新建宁波至舟山铁路线金塘海底隧道以及其北仑陆域矿山法隧道段工程概况、周边环境和工程难点，制定了包括开挖方法、开挖顺序和开挖注意事项等在内的隧道开挖方案，从炮孔布置断面及参数、爆破振动速度安全校核、装药结构与填塞、起爆网路及爆破顺序等方面对爆破施工进行了设计，施工效果说明采用三台阶法爆破开挖方案是可行的。

关键词：矿山法；隧道爆破施工；控制技术；三台阶法；安全振动速度

0" "引言

隧道工程是交通设施建设的重要环节，采用矿山法施工具有工序简单、成本小等优点，被广泛应用于隧道工程。但是矿山法施工对周边环境影响较大，应提前设计好爆破参数，尽可能减小爆破带来的不利影响。

近年来，采用矿山法进行隧道施工已逐渐成为研究热点之一，不少学者对此开展了一系列的研究。石连松等[1]依托南关岭镇-南关岭站区间，采用上下台阶法开挖，提出了配置大孔径减震孔、掏槽部位尽量下移等措施。蒋丽等[2]基于LM算法改进的BP算法，建立了多因素神经网络模型，用以预测爆破施工引起的振动响应。朱利明等[3]依托南京古建筑鼓楼背景，通过有限元软件建立数值模型，分析了地铁四号线爆破施工引起的既有建筑的振动响应，并结合试验结果，验证了施工方案的可行性。

时晓强等[4]基于新建隧道下穿已有步行街的工程背景，设计了合理的装药结构和爆破参数，优化了起爆网路，监测了地表振动响应；谢兴博等[5]以浅埋地铁隧道矿山法掘进施工为背景，针对工程特点，提出了优化方案，设计了延期起爆的松动爆破方法和合理爆破参数体系。

王仁涛等[6]依托青岛地铁3号线背景，分析了地下水丰富等特点，开展了专项爆破振动控制设计，分析了合理布置炮孔间排距、炸药量、优化爆破网路等方案，有效控制了爆破引起的振动效应。本文以金塘海底隧道北仑陆域段隧道为背景，分析了工程难点，设计了施工方案和爆破参数。

1" "工程概况

1.1" "工程概况

新建宁波至舟山铁路线金塘海底隧道总长度为16.180km，为单洞、双线隧道，是该铁路线最长的隧道。YZSG-2工区包含隧道8.557km，其中北仑陆域矿山法隧道长度为3.617km，盾构段海底隧道4.940km。双车道斜井1座（640m）、疏散通道1座（113.61m）。铺设CRTS双块式无砟轨道道床长度为16.77km，无砟轨道精调长度为16.77km。

北仑陆域矿山法隧道施工范围起点桩号为DK14+533，终点桩号为DK18+150，最大埋深约为250m。该矿山法隧道共有两种断面类型，其中里程DK14+533～DK18+090设计高度为8.68m，净宽为12.2m，轨面以上断面有效面积约92.09m2；里程DK18+090～DK18+150设计高度为12.995m，净宽为12.82m，轨面以上断面有效面积约92.07m2。本文主要研究金塘海底隧道北仑陆域矿山法段隧道、斜井及疏散通道的爆破开挖施工。

1.2" "周边环境

金塘海底隧道北仑陆域矿山法隧道段的西南侧距离厂房最近约100m，距离110kV高压铁塔约220m，距泰山西路约180m，厂房内没有需重点保护的精密仪器设备；东南面距离厂房最近约100m；西北面明暗交接处距离约60m有一处110kV高压铁塔塔基；西侧距离约120m有厂房。

矿山法隧道洞身段K16+100和DK16+200里程分别下穿在建黄山西路隧道左右线，其净距离分别为15.1m和17m；DK15+342里程下穿已废弃的林家大山灰管隧道，其垂直距离约3.9m；K15+291里程与甬沪宁原油管道的最近距离为70m。

1.3" "工程难点

金塘海底隧道北仑陆域矿山法隧道段的开挖断面较大，北仑侧的进口位于丘陵缓坡的坡腰，其埋深浅，穿越残坡积、强～中风化熔结凝灰岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩为散体状-碎裂状结构；隧道穿过断裂带，节理裂隙发育地质条件复杂；隧道严格按“早预报、预加固、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、快衬砌”的原则组织施工。

金塘海底隧道北仑侧的进口西南侧及DK14+659里程西侧，分别有110kV高压铁塔塔基，进洞口周围有多处厂房，隧道位置的山上有高压线路穿过，施工时应严格控制爆破药量，控制爆破振动速度在2.0cm/s以内。

洞身里程DK15+342、DK16+100、DK16+200等处，分别下穿废弃林家大山灰管隧道和在建黄山西路隧道左右线。在该里程段爆破施工时应严格控制爆破振动速度。在该里程段下穿点前后100m爆破施工时应进行爆破振动检测。对黄山西路隧道爆破振动速度需控制在5.0cm/s以内，对林家大山隧道需控制在2.0cm/s以内。北仑斜井洞口有大量厂房及高压铁塔，爆破时应严格控制爆破振动速度，主线隧道下穿北仑斜井施工时，交叉点前后50m内采用弱爆破，控制爆破振动速度在5.0cm/s以内。

2" "隧道开挖方案

2.1" "开挖方法

矿山法隧道段下穿黄山西路隧道左、右线DK16+075～DK16+125、DK16+175～DK16+225的Ⅲ级围岩里程采用三台阶法施工。下穿废弃林家大山隧道DK15+327～DK15+357里程，采用机械开挖方法；DK15+287～DK15+327、DK15+357～DK15+397的Ⅲ级围岩里程采用三台阶法施工。

洞壁周边布置光面爆破孔，根据不同地质岩性的实际需要布设合适的孔数，周边孔一般要向洞壁方向倾斜10cm左右，以便形成平整的轮廓面。爆破器材选用2#岩石乳化炸药，药卷直径为Ф32mm；雷管选用数码电子雷管。

2.2" "开挖顺序

隧道开挖支护顺序为：开挖上半断面→施作上半断面初期支护→开挖下半断面→施作下半断面初期支护→施作仰拱→铺设防排水层→模筑二次衬砌。

2.3" "开挖注意事项

一是每循环进尺控制在2m左右，各工序平行作业；二是暗洞爆破需采用控制爆破，严格控制炮眼深度和装药量；三是开挖前应先进行I型Φ42小导管超前预支护；四是分台阶开挖后，需立即喷射混凝土，并做好初期支护；五是下台阶开挖时，应在先开挖喷射混凝土的强度达到设计要求后，再进行另一部分开挖；六是仰拱二次衬砌混凝土的浇筑宜紧跟初期支护；七是当开挖形成全断面时，及时完成全断面初期支护闭合。

3" "爆破施工的设计

3.1" "炮孔布置断面及参数

3.1.1" "炮孔布置断面

金塘海底隧道北仑陆域矿山法隧道段为中等复杂Ⅲ级围岩，采用三台阶法爆破掘进施工。三台阶法隧道断面炮孔布置断面如图1所示。

3.1.2" "炮孔布置参数

三台阶法隧道炮孔布置参数如表1所示，掏槽用小直径中空直孔布置参数如图2所示。

3.2" "爆破振动速度安全校核

海底隧道穿越既有构建筑物时，应对其进行爆破振动速度安全校核。萨道夫斯基公式给出的安全振动速度最大允许值的计算方法如下：

式中：v为安全振动速度最大允许值，单位为cm/s；k为地质特征相关系数，无量纲；Q为单次爆破最大段药量，单位为kg；R为爆源与观测点的直线距离，单位为m；α为地质特征相关衰减指数，无量纲。

该矿山法隧道段围岩强度以Ⅲ级为主，属于中硬及软岩石，故复核时值取200，值取1.7。振动速度安全校核计算结果如表2所示。从表2中可以看出，既有构建筑物的振动速度均在控制范围之内。

3.3" "装药结构与填塞

3.3.1" "周边孔装药结构

周边孔采用普通Φ32药卷间隔装药。由于隧道地质情况十分复杂，存在岩性不良或塌方地段，具体装药要视现场情况研究决定。对工况复杂的位置可在原来的基础上增加辅助孔、周边孔数量，并采用特殊装药结构、减少装药量等方法及时调整爆破施工工艺。

要严格控制进尺，紧跟作业面初期支护快速衬砌，多打孔、少装药、放小炮，保证断面规整，为初期支护创造条件。及时进行初期支护是消除塌方的重要手段，强支护是预防塌方的主要措施，施工中利用小导管注浆、长管棚、格栅拱等进行强支护，对岩性不良或塌方地段进行处理。周边孔不耦合装药结构示意如图3所示。

3.3.2" "其他炮孔装药结构

掏槽孔、辅助孔及底孔，采用连续装药结构。连续装药结构示意如图4所示。

3.3.3" "堵塞长度

堵塞材料采用炮泥（砂：土：水=3：1：1）。堵塞的作用是使炸药在受约束条件下充分爆破，提高炸药能量利用率。堵塞质量要求密实，不能有空隙和间断。根据炮孔位置和作用不同，炮孔的堵塞长度有所不同。

3.4" "起爆网路及爆破顺序

3.4.1" "起爆网路

隧道中、下部台阶孔内雷管采用数码电子雷管，灵活设置延期时间，自上而下逐排起爆，每发电子雷管卡扣紧扣在母线上，采用爆破专用发爆器起爆。在实际施工过程中对延期时间不断优化调整。

3.4.2" "爆破顺序

隧道下穿黄山西路左、右线起爆顺序为：DK16+075～DK16+125里程、DK16+175～DK16+225里程；隧道下穿废弃林家大山隧道起爆顺序为：DK15+287～K15+327里程，DK15+357～DK15+397里程。采用单孔起爆方式，使用数码电子雷管灵活设置延期时间。

4" "结束语

本文以金塘海底隧道北仑陆域矿山法隧道段金塘海底隧道Ⅲ级围岩区段矿山法施工为依托，提出了三台阶法施工工艺，设计了爆破参数。车站主体爆破施工遵循“早预报、预加固、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、快衬砌”的原则，有利于减少装药量并提升炮孔利用率。基于萨道夫斯基公式验算，周边构建筑物的振动速度均未超过控制值，说明本文设计的施工方案和爆破参数合理。

参考文献

[1]" 石连松，高文学，王林台.地铁隧道浅埋段下穿砖混结构房屋爆破振动控制研究[J].北京理工大学学报，2018，38（12）：1237-1243.

[2]" 蒋丽，黄华东，王先义，等.基于LM-BP算法的隧道爆破振动灾害预测的应用[J].隧道建设，2016（5）：525-530.

[3]" 朱利明，吴志强，邢世玲，等.隧道爆破开挖施工对古建筑振动速度的影响[J].建筑结构，2019，49（10）：26-29.

[4]" 时晓强，雷振，刘幸，等，城市浅埋隧道下穿密集建筑群控制爆破技术[J].科学技术与工程，2019，19（2）：223-227.

[5]" 谢兴博，王希之，唐启超.城市复杂环境下浅埋地铁隧道掘进爆破[J].爆破，2014，31（3）：91-95.

[6]" 王仁涛，王成虎，江英豪，等.青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价[J].爆破，2015（3）：139-145.