王  剛

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安，710016)

摘要：高風(fēng)險(xiǎn)黃土隧道施工中，當(dāng)實(shí)際變形量超出設(shè)計(jì)預(yù)留變形量時(shí)，會導(dǎo)致初期支護(hù)侵入二次襯砌空間，當(dāng)發(fā)生侵界時(shí)，必須對侵界部分噴射混凝土及拆除鋼拱架，重新施作初期支護(hù)。文章介紹了南山上隧道施工中運(yùn)用微震爆破技術(shù)，成功拆除了隧道初期支護(hù)體系，運(yùn)用爆破監(jiān)測及監(jiān)控量測手段，驗(yàn)證了微震爆破換拱過程安全可控。運(yùn)用微震爆破技術(shù)節(jié)約了成本，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，加快了進(jìn)度，也為今后類似工程的施工提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：微震爆破技術(shù)；高風(fēng)險(xiǎn)黃土隧道；預(yù)留變形量；侵界；換拱

在隧道工程尤其是高風(fēng)險(xiǎn)黃土隧道工程施工中，經(jīng)常會發(fā)生以噴射混凝土和鋼拱架組成的初期支護(hù)體系侵入二次襯砌空間的現(xiàn)象(以下簡稱侵界)，究其原因，主要為實(shí)際沉降量大大超出設(shè)計(jì)預(yù)留變形量。一旦發(fā)生侵界現(xiàn)象，必須對侵界實(shí)體進(jìn)行拆除，提升鋼拱架至設(shè)計(jì)位置，重新施作初期支護(hù)，通常采取人工用風(fēng)鎬逐塊剝離的拆除方法。采取人工拆換拱方法，不僅進(jìn)度緩慢，安全風(fēng)險(xiǎn)大，而且增加了成本。

鑒于此，擬在南山上隧道侵界段嘗試采用微震爆破技術(shù)進(jìn)行換拱施土。采取微震爆破方法進(jìn)行噴射混凝土及鋼拱架拆除，需要進(jìn)行兩個(gè)方面的控制：爆破產(chǎn)生地震波不能導(dǎo)致鄰近二襯混凝土產(chǎn)生變形和裂縫、不能引發(fā)鄰近洞段的二次沉降，采用微震爆破、爆破監(jiān)測、監(jiān)控量測技術(shù)可以有效地解決這一難題。

l工程概況

南山上隧道位于山西省忻州市和陽曲縣之間，是新建大同至西安客運(yùn)專線鐵路重點(diǎn)隧道之一，也是高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，全長6008m，為單洞雙線隧道，隧道進(jìn)口段DK221+610～DK222+120為第四系新黃土、老黃土。發(fā)生侵界的洞段為DK22l+815～DK22l+855段，該段設(shè)計(jì)襯砌類型為IVb，埋深38～19m，為淺埋區(qū)，左右兩側(cè)地表均為連續(xù)沖溝，土質(zhì)為老黃土，含水率較大，實(shí)測為18．6％，超過界限含水率。設(shè)計(jì)開挖斷面尺寸為14．9m×12．68m，設(shè)計(jì)初期支護(hù)為噴射C30混凝土30cm，鋼拱架122a，問距60cm。設(shè)計(jì)預(yù)留沉降量15cm。

該洞段屬于淺埋洞段，地表穿越深切沖溝一處，含水率偏高，是該段拱部下沉的主要原因；經(jīng)實(shí)測，該段拱部侵界約15～40cm，侵界情況如圖1所示。

2施工方案

2．1施工工藝流程

施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備一換拱臺車就位一臨時(shí)拱架加固一布孔一鉆孔一裝藥一聯(lián)網(wǎng)一監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)一起爆、監(jiān)測一清理拆除混凝土一拆卸拱架一侵界土體擴(kuò)挖一鋼筋網(wǎng)掛設(shè)一重新安裝拱架一監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)一噴射混凝土一等強(qiáng)一拆除臨時(shí)支撐一換拱臺車移位一進(jìn)入下一循環(huán)。

2．2支撐加固

在換拱前，利用換拱臺車每間隔二榀拱架對初期支護(hù)鋼架進(jìn)行臨時(shí)支撐加固，以免在換拱過程中相鄰拱架受力過大而失穩(wěn)。換拱臺車支撐加固方案如圖2所示。施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)每間隔兩榀拱架加一道環(huán)向支撐，并與換拱臺車連接成整體支撐結(jié)構(gòu)。

(2)環(huán)向用I 22工字鋼頂住原拱架，連接處采用I 22工字鋼架設(shè)臨時(shí)豎撐、橫撐，橫豎撐間與環(huán)向拱架焊接牢固。

(3)嚴(yán)格控制每次拆除單元長度，每次只允許拆除兩榀拱架，禁止多榀鋼拱架一次拆除。

(4)支撐結(jié)構(gòu)中心心與換拱臺車重心一致，避免施工中因重心偏位而失穩(wěn)。

(5)環(huán)向臨時(shí)支撐拱應(yīng)與實(shí)際空間半徑一致，避免因臨時(shí)支撐拱架半徑誤差而無法對原拱架形成緊密支撐結(jié)構(gòu)。

(6)橫向、豎向支撐與環(huán)向支撐、臺車間應(yīng)焊接牢固。

(7)換拱臺車應(yīng)有足夠的剛度，并在就位后對行走部分進(jìn)行鎖定。

2．3鉆孔施工

依據(jù)測量實(shí)測斷面確定每一孔位侵界厚度，定出鉆孔平面位置并標(biāo)示鉆孔深度，采用手風(fēng)鉆鉆孔：間排距30cm×30cm，孔深：侵界厚度×2／3，鉆孔方向垂直洞壁，孔徑Ф42mm。鉆孔布置方案如圖3所示。施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)施鉆前準(zhǔn)確布設(shè)孔位，并在每個(gè)孔位標(biāo)示鉆孔深度。

(2)孔位平面誤差不大于5cm。

(3)鉆孔深度為：侵界厚度×2／3，孔深誤差不大于5cm。

(4)鉆孔方向應(yīng)垂直于洞壁，外插角誤差不大于5°。

(5)鉆孔時(shí)遇到噴射混凝土中的鋼筋網(wǎng)無法鉆孔時(shí)，應(yīng)切斷鋼筋網(wǎng)后繼續(xù)施鉆或在旁邊5cm范圍內(nèi)重新選擇鉆孔。

(6)鉆孔深度超深時(shí)，應(yīng)用同標(biāo)號砂漿對超深部分進(jìn)行填充。

(7)鉆孔完成后應(yīng)對孔深進(jìn)行檢查，并用高壓風(fēng)清理孔內(nèi)鉆渣。

(8)炮孔經(jīng)檢查合格后，方可裝藥爆破。

3微震爆破設(shè)計(jì)

3．1基本概念

微震爆破即通常所說的弱爆破，采取超淺孔、密造孔、小藥量、小規(guī)模、多頻次，是以減弱爆破產(chǎn)生的地震波對鄰近建筑物、圍巖的擾動為目的的控制爆破辦式。

3．2爆破設(shè)計(jì)原則

為有效削減爆破振動效應(yīng)，采取分單元拆除、拆除一單元支護(hù)一單元措施，盡可能減少對附近建筑物的擾動，將各項(xiàng)指標(biāo)控制在允許范圍以內(nèi)。

3．3爆破參數(shù)

最小抵抗線(W₀)：裝藥重心到自由面的最短距離，采取孔底裝藥，根據(jù)拆除體厚度，取W₀=30cm。

鉆孔深度（h）：h=W₀=30cm(由于侵界厚度不等，取侵界厚度的2/3～4/5，為了便于施工，統(tǒng)一按30cm選取)。

炮孔間距（a）：a=W₀=30cm。

炮孔排距（b）：b=a=30cm。

淺孔微震爆破藥包單位用藥量（q）：q=0．3kg/m³。

單孔裝藥量（Q₁）：Q₁=kqabh，取k=1．20，Q1=kqabh=1．2×0．3×0．3×0．3×0．3≈0．01kg。

  K為后排藥量均加系數(shù)，這里取1．2。

3．4最大單響藥量Q

已知建筑物允許最大質(zhì)點(diǎn)振動速度和爆破振動允許安全距離，則可按照薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算爆破振動對鄰近新澆筑混凝土的影響：

    v=K(Q^1/3／R)^a

式中，v為建筑物允許最大質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm／s；K、a分別為爆破點(diǎn)至測點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；Q為最大單響藥量，kg；R為爆破振動允許安全距離，m。

通過薩道夫斯基公式變形得出：Q=R³(v/K)^3/a。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，新澆筑混凝土安全質(zhì)點(diǎn)振動速度見表1。

針對本工程，主要參數(shù)選取如下：

根據(jù)本工程地形、地質(zhì)條件，以及隧道工程實(shí)踐，噴射混凝土按硬巖取值，K=100，a=1．5。根據(jù)表1，結(jié)合本工程二次襯砌混凝土澆筑齡期，最大質(zhì)點(diǎn)速度v=2．5cm／s�，F(xiàn)場換拱拆除混凝土部位距最近一處二次襯砌混凝土距離為8m，允許安全距離R=8m。

得出：Q=R³(V/K)^3/a=8³(2．5／100)^3/1．5 =0．32kg。

3．5爆破器材選取

采用防水型乳化炸藥，藥卷直徑Ф25mm，爆速3600mm／s，雷管采用非電毫秒微差雷管，炮孔堵塞采取黏土+細(xì)砂混合后封堵。

3．6起爆網(wǎng)絡(luò)

齊發(fā)同段位炮孔數(shù)量(n)：n=Q／Q₁=0．32／0．01=32孔。

采用同列同段孔外等間隔控制毫秒起爆網(wǎng)路，起爆順序是：先起爆拆除區(qū)中間部位，然后向兩側(cè)逐漸起爆，同列炮孔裝同一段毫秒雷管數(shù)量不得超過32孔，孔外將同一段的毫秒雷管串聯(lián)，電子激發(fā)器起爆，爆破網(wǎng)路如圖4所示。

4爆破監(jiān)測

本工程為隧道內(nèi)拆除爆破，需保護(hù)的周邊建筑物為隧道二次襯砌混凝土。因此，確定建筑物的爆破振動速度不大于2．5cm／s。

4．1監(jiān)測儀器和方法

監(jiān)測采用拾振儀、振動信號自記儀、垂直速度傳感器和計(jì)算機(jī)組成的測試系統(tǒng)。量測過程中振動測試儀自動采集、存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。由于爆破振動效應(yīng)隨著傳播距離的增大逐漸衰減，因此每次測試時(shí)基本上是在離爆破點(diǎn)較近的測點(diǎn)進(jìn)行測試。每次測試結(jié)束后，立即對測試結(jié)果進(jìn)行整理分析，并參照監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整并修正下一次爆破的參數(shù)，保證爆破作業(yè)順利、安全地進(jìn)行。爆破振動監(jiān)測測點(diǎn)的布置主要考慮保護(hù)對象和爆源兩方面，一般采取以跟蹤監(jiān)測為主，在具體的爆破振動監(jiān)測過程中，同一個(gè)測點(diǎn)布設(shè)水平向和豎直向傳感器，傳感器用石膏固定，然后與自記儀相連，當(dāng)爆破振動傳遞到測點(diǎn)時(shí)，自記儀將自動記錄信號。

4．2監(jiān)測點(diǎn)的布置

根據(jù)噴射混凝土拆除爆破與二襯混凝土的位置和距離，在二襯混凝上頂拱及拱腰部位布置3組測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖5所示。

4．3爆破監(jiān)測

隧道二襯(C1通道)：該組測點(diǎn)位于距拆除區(qū)域30m處的隧道二襯混凝土面部位，其最大振速為1．92cm／s。

隧道初期(C2通道)：該組測點(diǎn)位于距拆除區(qū)域30m處的隧道初支混凝土面部位，其最大振速為1．68cm／s。

由圖6可以看出，振動曲線有7個(gè)變化點(diǎn)，爆破分7段進(jìn)行，最大振速出現(xiàn)在第一段上，即最大振速對應(yīng)時(shí)刻為中間拉槽爆破時(shí)刻，所以應(yīng)控制中間拉槽部位的最大裝藥量。

4．4監(jiān)測結(jié)果分析

由表2中數(shù)據(jù)可知，目前采用微振爆破方式產(chǎn)生的振動速度均在設(shè)計(jì)值2．5cm/s以下，符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距離爆破源較近時(shí)爆破振動較大，當(dāng)測點(diǎn)距離爆破點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)爆破振動速度較小；當(dāng)齊發(fā)藥量較大時(shí)爆破振動較大，當(dāng)齊發(fā)藥量較小時(shí)爆破振動速度較小。因此，當(dāng)實(shí)施微震爆破拆除混凝土作業(yè)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥量和裝藥工藝，降低爆破振動速度，確保二襯混凝土和初支混凝土的安全。

5監(jiān)控量測

采用“微振爆破換拱”工法換拱施工期間，分別在DK221+800、DK221+835、DK22l+870部位布設(shè)了量測斷面，對地表沉降進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，并對隧道段拱頂沉降、周邊收斂動態(tài)數(shù)值進(jìn)行采集。

地表沉降監(jiān)測結(jié)果顯示，換拱期間地表最大沉降量為3mm，發(fā)生洞段在隧道換拱拆除段，發(fā)生時(shí)段為換拱施工期，換拱結(jié)束后地表沉降趨于穩(wěn)定，發(fā)生在換拱區(qū)域的地表沉降時(shí)態(tài)曲線如圖7所示。

隧道收斂觀測結(jié)果顯示，最大值為2．4mm，發(fā)生在隧道換拱區(qū)域。

拱頂下沉監(jiān)測結(jié)果顯示，最大沉降值為6．5mm，發(fā)生在隧道換拱區(qū)域，拱頂沉降時(shí)態(tài)曲線如圖8所示。

結(jié)果表明：換拱施工全過程處于安全、穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài)，換拱區(qū)鄰近區(qū)域未發(fā)生明顯變形。

6效益分析

將鋼拱架混凝土拆除由機(jī)械或人工拆除法優(yōu)化為微震爆破拆除法，避免了機(jī)械或人工拆除時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，解決了近距離拆除爆破對鄰近建筑物混凝土保護(hù)的難題，削減了爆破地震效應(yīng)對建筑物的損害，提高了拆除初期支護(hù)體系的安全性和可靠性，節(jié)約了大量人力物力投入，進(jìn)而節(jié)約了工程成本，縮短了工程建設(shè)工期。高風(fēng)險(xiǎn)黃土隧道微震爆破換拱法的成功，為以后類似工程提供了可靠的決策依據(jù)和技術(shù)指標(biāo)，新穎的工法技術(shù)將促進(jìn)地下工程施工技術(shù)的進(jìn)步，社會效益和環(huán)境效益明顯。

采取微震爆破方法與同類拆除混凝土換拱方法相比，由于安全性高、工程進(jìn)度快、干擾因素少，發(fā)揮了工法的優(yōu)越性，節(jié)約了大量工程費(fèi)用的投入。將3個(gè)月的拆除混凝土換拱工期縮短為15d，為工程施工進(jìn)度贏得了2．5個(gè)月的寶貴時(shí)間，另外由于施工方法的優(yōu)化，節(jié)約了工程成本近80萬元，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

7結(jié)語

隧道施工中采用微震爆破技術(shù)，成功拆除了隧道初期支護(hù)體系，運(yùn)用爆破監(jiān)測及監(jiān)控量測手段，驗(yàn)證了微震爆破換拱過程安全可控。采用微震爆破換拱節(jié)約了成本，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，加快了進(jìn)度，也為今后類似工程的施工提供了借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

[1]汪旭光，于亞倫．關(guān)于爆破振動安全判據(jù)的幾個(gè)問題[J]．工程爆破，2001，7(2)：88～92．

[2]張正宇，等．現(xiàn)代水利水電工程爆破[M]．北京：中國水利水電出版社，2002．

[3]言志信，王永和，江平，等．爆破地震測試及建筑結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2003，22(11)：1907～1911．

摘自《中國爆破新進(jìn)展》