馬運(yùn)新　傅鶴林　李朋　黃齊兵

摘要：草籽崗隧道臨近既有杭深鐵路大山腦隧道，此為該隧道工程爆破施工的難點(diǎn)。文章分析了隧道爆破對(duì)近接既有運(yùn)營(yíng)隧道的影響，提出彈性區(qū)的振動(dòng)波是對(duì)既有隧道造成損傷的主要原因，并提出了針對(duì)性的施工方案。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件;隧道近接;爆破;監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U455.6

0 引言

鉆爆法由于具有工序簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，在地下工程施工中被廣泛應(yīng)用。但是，該法也給距爆炸源一定范圍內(nèi)已開(kāi)挖地下工程的安全和穩(wěn)定帶來(lái)了重大影響[1]。

李興華等[2]采用波函數(shù)展開(kāi)法，推導(dǎo)了無(wú)限巖石介質(zhì)中爆破地震波作用下隧道圍巖動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)的表達(dá)式;葉培旭等[3]結(jié)合南山下隧洞下穿溫?？瓦\(yùn)專線錢倉(cāng)山隧道工程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了近距離交叉隧洞爆破施工對(duì)既有隧道的振動(dòng)影響，發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)洞先行預(yù)留光面爆破，導(dǎo)洞爆破掏槽眼、周邊眼及底板眼分開(kāi)起爆，控制最大段裝藥量等措施，可有效地降低爆破振動(dòng)影響，控制其對(duì)近接隧道的影響;王新宇等[4]為保證既有線的安全運(yùn)營(yíng)，采用ANSYS LS-DYNA軟件建立了隧道的有限元模型，結(jié)合既有線振動(dòng)速度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用質(zhì)點(diǎn)振速判據(jù)評(píng)估了下穿隧道爆破施工時(shí)既有線結(jié)構(gòu)的安全性，保障了下穿隧道施工時(shí)既有隧道的運(yùn)營(yíng)安全;文獻(xiàn)[5-7]通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)對(duì)圍巖在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[8-12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)工作和數(shù)據(jù)反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化了具體洞段的鉆爆參數(shù)及工藝，確保了隧洞安全順利穿越敏感區(qū)域。

本文依托G228陸埠互通及S319丈亭互通草籽崗隧道工程，在重難點(diǎn)施工分析基礎(chǔ)上研究隧道爆破對(duì)近接既有運(yùn)營(yíng)隧道的影響，并給出相應(yīng)的施工方案，為近接既有隧道爆破施工提供指導(dǎo)與借鑒。

1 項(xiàng)目概況

G228陸埠互通及S319丈亭互通工程位于浙江省慈溪市、余姚市境內(nèi)，線路在余姚市丈亭鎮(zhèn)梅溪村南部需對(duì)草籽崗隧道進(jìn)行穿越。該隧道最大埋深為130 m，為雙向六車道，公路等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h。該隧道左右洞分離，左洞和右洞均>1 000 m，為分離式長(zhǎng)隧道。隧道設(shè)置表如表1所示。

草籽崗隧道左線全長(zhǎng)為1 130 m（起止里程為ZK25+840～ZK26+970），其中Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)135 m，Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)405 m，Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)590 m;右線全長(zhǎng)為1 180 m（起止里程為YK25+800～YK26+980），其中Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)130 m，Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)485 m，Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)565 m。進(jìn)口端明洞長(zhǎng)約10 m，左右雙洞洞門(mén)均采用端墻式洞門(mén);出口端明洞長(zhǎng)約20 m，左右雙洞洞門(mén)均采用削竹式洞門(mén)。隧道單洞行車道為3×3.75 m，單洞建筑限界總寬度為14 m，凈高為5 m。隧道圍巖分級(jí)如表2所示。

由表2可知：草籽崗隧道左洞圍巖以Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)為主，其中Ⅲ級(jí)圍巖約占50%，Ⅴ級(jí)圍巖最少，圍巖工程性質(zhì)較好;右洞以Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖為主，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度相當(dāng)，Ⅴ級(jí)圍巖最少，圍巖工程性質(zhì)較好。在Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖處，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，并及時(shí)襯砌;在溝谷、構(gòu)造作用處及兩側(cè)附近，地下水富集，隧道開(kāi)挖易產(chǎn)生滲水、淋水等問(wèn)題，建議加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)。

2 難點(diǎn)分析

雖然隧道路線走廊帶內(nèi)未見(jiàn)對(duì)路線方案選擇有重大影響的不良地質(zhì)作用，總體適宜項(xiàng)目建設(shè)，但草籽崗隧道臨近既有杭深鐵路大山腦隧道，此為該工程的難點(diǎn)。草籽崗隧道出口端與大腦山隧道水平相距大約965 m，而進(jìn)口端距大山腦隧道較近，水平相距大約50 m。

新建勝陸公路東西分幅，均以路塹跨越杭深鐵路大山腦隧道，再接新建草籽崗隧道。東幅中心線對(duì)應(yīng)鐵路里程大致為杭深下行線K275+027處，交角約55.2°;西幅中心線對(duì)應(yīng)鐵路里程大致為杭深下行線K274+985處，交角約54.8°。公路設(shè)計(jì)路面與鐵路隧道洞頂垂直距離>31 m。新建草籽崗隧道小里程方向洞口距離既有杭深鐵路大山腦隧道水平距離最近處約50 m（實(shí)際>50 m）。隧道Ⅴ級(jí)圍巖段爆破區(qū)域距離既有鐵路最近處約50 m（實(shí)際>50 m）;隧道Ⅳ級(jí)圍巖段爆破區(qū)域距離既有鐵路最近處約150 m（實(shí)際>150 m）;隧道Ⅲ級(jí)圍巖段爆破區(qū)域距離既有鐵路最近處約200 m（實(shí)際>200 m）。詳細(xì)平面關(guān)系如圖1所示。

3 爆破分析

炸藥爆炸過(guò)程相當(dāng)之復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，由于用來(lái)裝藥的炮孔空間狹小，待雷管引爆炸藥后，沖擊荷載由之產(chǎn)生并相當(dāng)巨大，瞬間作用于炮孔的孔壁之上，隨之周圍土體將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，進(jìn)一步加快爆破振動(dòng)波在土體中的傳播速度。與此同時(shí)，巖土體由于彈性不強(qiáng)，在沖擊荷載下，孔洞周圍的巖土體將產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，變?yōu)樗槭w粒，進(jìn)而形成破碎區(qū)。另一方面，周圍土體對(duì)破碎區(qū)具有一定的約束作用，因此破碎區(qū)的范圍一般較小，然而大部分的振動(dòng)能量都消耗于該處，振動(dòng)波的應(yīng)力大小急劇減小，且能量減小后的振動(dòng)波繼續(xù)向周圍巖土體傳播。盡管振動(dòng)波能量大幅降低不足以對(duì)巖土體產(chǎn)生破壞，但仍然會(huì)使得巖土體產(chǎn)生非彈性變形，進(jìn)而形成裂縫區(qū)。此時(shí)振動(dòng)能量波雖然繼續(xù)減小，但是減少量變小且減少速率變低，一般裂縫區(qū)范圍會(huì)大于破碎區(qū)范圍。隨著傳播距離的不斷增大，振動(dòng)波的能量也不斷減小，此時(shí)巖土體只會(huì)產(chǎn)生小范圍的彈性運(yùn)動(dòng)，并不會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生任何破壞，此區(qū)域稱之為彈性區(qū)。彈性區(qū)的范圍遠(yuǎn)大于破碎區(qū)及裂縫區(qū)，且一般來(lái)講彈性區(qū)的振動(dòng)波是對(duì)既有隧道造成損傷的主要原因[14]。爆破振動(dòng)波影響區(qū)域如圖2所示。

4 施工方案

鑒于上述情況，建立隧道施工方案如下。

草籽崗隧道進(jìn)口在與杭深鐵路隧道結(jié)構(gòu)外緣水平距離50 m范圍內(nèi)根據(jù)相關(guān)要求不得采取爆破施工;水平距離50 ～1 000 m洞身開(kāi)挖采用機(jī)械開(kāi)挖+微弱爆破時(shí)，應(yīng)采用風(fēng)鉆打設(shè)炮眼，單次爆破炸藥用量不得>30 kg，懸臂挖機(jī)配合進(jìn)行開(kāi)挖;隧道距離出洞還有45 m時(shí)采用機(jī)械開(kāi)挖方式掘進(jìn)，保障臨近鐵路隧道的運(yùn)行安全。隧道開(kāi)挖方法分段說(shuō)明如圖3所示。

根據(jù)爆破區(qū)域周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等相關(guān)要求，并結(jié)合本工程所處的爆破地理位置和環(huán)境的總體考量，針對(duì)工程開(kāi)挖特點(diǎn)和環(huán)境條件，對(duì)于不同類型和不同巖體采用如下方法開(kāi)挖：

（1）隧道掘進(jìn)采用單向掘進(jìn)開(kāi)挖，自大里程向小里程方向推進(jìn)（距離杭深鐵路附近的進(jìn)口段后挖）。在距出洞口約15 m時(shí)，先掘進(jìn)1.8 m×1.8 m小斷面，然后再?gòu)倪M(jìn)洞口開(kāi)挖。

（2）隧道進(jìn)口明洞采取露天淺孔松動(dòng)爆破，臺(tái)階高度為1～5 m。

（3）隧道洞身Ⅲ級(jí)圍巖斷面寬度為16.25 m，高度為9.58 m，面積為123.24 m2，采用全斷面法開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺為2.7 m，隧道洞身Ⅲ級(jí)圍巖段緊急停車帶采用臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺為2.7 m。

（4）隧道洞身Ⅳ級(jí)圍巖斷面寬度為16.61 m，高度為9.67 m，面積為147.64 m2，采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m。

（5）隧道洞身Ⅴ級(jí)圍巖斷面寬度為16.95 m，高度為10.33 m，面積為158.89 m2。一般深埋段采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺為0.9 m;洞口段、全風(fēng)化富水破碎帶Ⅴ級(jí)圍巖采用中隔壁（CD）法開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺為0.9 m。

（6）隧道人行橫洞面積為8.31 m2，采用全斷面開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m;車行橫洞面積為47.51 m2，采用臺(tái)階法開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺為2.7 m。

根據(jù)工程施工特點(diǎn)，按照外部施工各個(gè)階段的工期安排，對(duì)杭深鐵路的監(jiān)測(cè)頻率為：在施工開(kāi)始之后的每次爆破時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[15]。當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)預(yù)警值時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知施工單位調(diào)整爆破參數(shù)，以最大可能地避免爆破振動(dòng)超過(guò)相應(yīng)的安全允許值，保證運(yùn)營(yíng)隧道的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以G228陸埠互通及S319丈亭互通草籽崗隧道為依托工程，從地形地貌、地質(zhì)條件、水文條件等方面分析了隧道爆破對(duì)近接既有運(yùn)營(yíng)隧道的影響。結(jié)果表明，爆破振動(dòng)波影響區(qū)域分為彈性區(qū)、裂縫區(qū)及破碎區(qū)，其中彈性區(qū)的振動(dòng)波是對(duì)既有隧道造成損傷的最主要原因。同時(shí)，給出了相應(yīng)的施工方法及監(jiān)測(cè)方法，為該工程的安全提供了保障，可為其他類似工程提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：

馬運(yùn)新（1985—），工程師，研究方向：隧道技術(shù)管理;

傅鶴林（1965—），博士，教授，研究方向：隧道技術(shù);

李 朋（1989—），工程師，研究方向：施工技術(shù)管理;

黃齊兵（1997—），碩士，研究方向：隧道技術(shù)。