小净距邻近营业线隧道爆破施工研究.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 1 7 年3 月 爆破 B L A S T 矾G V 0 1 ．3 4N O ．1 M a r ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 7 ．0 1 ．0 1 1 小净距邻近营业线隧道爆破施工研究术 袁红所1 ，张家铭1 ，董宇2 ，迟东冉2 1 ．中国地质大学 武汉 工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．山东正元建设工程有限责任公司，济南2 5 0 1 0 0 摘要成渝高铁新中梁山隧道与既有营业线交叉段竖向净距仅为2 ．7m ，为顺利完成隧道建设，对既有 营业线路隧道利用“天窗”期采用1 2 0 b 型钢进行加固，并运用“三次钻进法”完成了钢拱架脚底螺栓和锁脚 锚杆的安装。根据围岩情况隧道采用机械开挖和非爆法加控制爆破法进行施工，通过计算采用低爆速2 号 岩石乳化炸药进行爆破，使得最大爆破振速、拱顶沉降值、水平收敛值均在规范允许变化范围内。 关键词 隧道爆破；营业线；小净距 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 7 0 1 0 0 5 7 0 4 R e s e a r c ho fT u n n e lB l a s t i n gC o n s t r u c t i o nA d j a c e n tt oB u s i n e s sL i n e Y U A NH o n g S U 0 1 ，Z H A N GJ i a m i n 9 1 ，D O N GY u 2 ，C H ID o n g r a n 2 1 ．F a c u h yo fE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； 2 ．S h a n d o n gZ h e n g y u a nC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n gC oL t d ，J i n a n2 5 0 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n t e r s e c t i o nv e r t i c a l i n t e r v a lb e t w e e nZ h o n g l i a n gM o u n t a i nt u n n e lo fC h e n g d u e h o n g q i n gh i g h - s p e e dr a i l w a ya n de x i s t i n gb u s i n e s sl i n et u n n e li so n l y2 ．7m ．I no r d e rt op e r f o r mt h et u n n e lc o n s t r u c t i o ns u c c e s s f u l l y ，t h er e i n f o r c e m e n tt oe x i s t i n gb u s i n e s sl i n et u n n e lw a sa p p l i e dd u r i n gt h ei d l ep e r i o dw i t h1 2 0 bs t e e lb yu s i n gt h e t h r e e d r i l l i n gm e t h o di nt h ei n s t a l l a t i o no ff o o tb o l ta n df e e t - l o c kb o l t ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n g r o c k ．t h em e c h a n i c a le x c a v a t i o nw i t hc o n t r o l l e db l a s t i n gm e t h o dw a su s e d ，a n dt h eN o ．2e m u l s i o ne x p l o s i v e 访t 1 1l o w d e t o n a t i o nv e l o c i t yw a sc h o s e na sb l a s t i n gs o u r c e ，f i n a l l y ，t h em a x i m u mb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t y ，t h ev a u l ts u b s i d e n c ea n dt h eh o r i z o n t a lc o n v e r g e n c ev a l u e sa r ea l lc o n t r o l l e dw i t h i nt h ep e r m i s s i b l er a n g e ． K e yw o r d s t u n n e lb l a s t i n g ；b u s i n e s sl i n e ；a d j a c e n tt u n n e l 随着我国高铁建设规模的不断发展，新建高铁线 路与原有线路的合并交叉等情况变得越来越普遍，新 建高铁隧道下穿既有营业线隧道的工程案例也不断 增多。而在隧道下穿施工中将不可避免的造成对地 层的扰动，进而导致既有营业线隧道的沉降变形，对 铁路隧道的施工和原有隧道的安全造成不利影响，如 隧道的施工开挖处理不当，严重时将会引起较大的安 收稿日期2 0 1 6 1 2 0 2 作者简介袁红所 1 9 9 2 一 ，男，汉族，中国地质大学 武汉 工程学 院地质工程2 0 1 4 级硕士研究生， E m a i l 2 8 4 8 6 9 2 6 3 3 q q - c o m o 通讯作者张家铭 1 9 7 6 一 ，男，汉族，中国地质大学 武汉 工程学 院副教授、博士，主要从事岩矿爆破研究， E m a i l 5 6 4 8 4 4 6 4 6 q q ．t o m 。 基金项目国家自然科学基金 4 1 0 0 2 1 0 4 全事故和经济损失H j 。因此，科学的制定隧道的开挖 方法与相关参数，以减轻由于施工引起的既有隧道变 形，确保营业线铁路隧道的正常使用。 现阶段隧道常用的开挖方法为钻爆法，在开挖 过程中根据工程要求和爆破条件，对爆破参数进行 精心设计，合理采用施工与防护技术措施严格控制 爆炸能释放过程和介质破碎过程，以达到预期的爆 破效果，将爆破范围、破碎程度、倒塌范围以及爆破 危害等控制在规定范围内心J 。以成渝新中梁山隧 道为背景，对小净距下穿既有营业线铁路隧道工程 进行控制爆破开挖设计，达到按期完成隧道开挖建 设和既有隧道的安全，为以后相关案列提供指导 作用。 万方数据 5 8爆破2 0 1 7 年3 月 1工程概况 新中梁山隧道位于重庆市中梁山山脉中部，属 嘉陵江、长江侵蚀河谷发育的低山丘陵地区。穿越 地层岩性主要为泥岩、泥岩夹砂岩、白云岩、灰岩夹 石膏、盐溶角砾岩等，节理发育，岩体破碎。自西向 东横穿观音峡背斜，背斜轴部为测区地下水的分水 岭，其两侧形成两个独立的地下水体系。地下水补 给来源主要为大气降水，含水层多为易溶蚀的碳酸 盐岩，地表多成槽谷凹地，岩溶发育。新中梁山隧道 为成渝铁路客运专线的控制性工程，采用左右线分 修，左线长4 1 2 4m ，右线长4 1 1 9m ，隧道线间距在 1 9 ～6 5m 之间，最大覆盖层厚2 7 0m ，最小覆盖层厚 4 ．7m 。隧道多次穿越煤窑采空区和岩溶富水地段， 局部地段赋存低瓦斯和天然气，且围岩破碎，Ⅳ、V 级围岩占8 8 ％，地质复杂、多变；出口浅埋段上部为 居民聚集区，施工环境非常复杂，初设批复为极高风 险隧道。 新建隧道与既有铁路、公路隧道小间距立交多 层次上跨或下穿，形成地下立交网络，隧道八处上跨 六处下穿既有或在建隧道 如图1 所示 。文中所 研究开挖隧道与营业线铁路隧道竖向最小净间距为 2 ．7I T I 。施工期间不仅要保证隧道在规定时间内按 期完成建设还要不影响营业线隧道的安全使用，开 挖方式和爆破参数的选取是该工程的难点，同时也 是确保营业线隧道安全的关键 图1新建隧道空间相瓦关系示意图 F i g ．1 T h es p a c er e l a t i o n s h i po fn e wt u n n e l 2 施工方法简介 根据现场情况，为了在规定工期内完成隧道的 建设同时确保既有营业线隧道的安全，新建隧道交 叉段施工振速应控制在2c m ／s 以内，为此交叉点前 后各4 0m 采用德国艾卡特E R 2 0 0 0 1 型横向铣挖机 进行机械开挖，临近机械开挖3 0m 范围采用非爆法 加控制爆破法施工。 隧道进行非爆法加控制爆破法施工时，需先对其 进行大管棚超前支护，之后采用台阶法进行开挖。其 中上台阶采用非爆加控爆法开挖 如图2 所示 ，开挖 高度为6 ．4n l ，掏槽部分采用德国艾卡特E R 2 0 0 0 1 型 横向铣挖机进行铣挖，下台阶开挖高度为2 ．71 1 1 ，采用 控制爆破施工。上下台阶错开距离为2 0I T I ，严格按 照爆破安全规程G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 4 控制装药量，为确 保爆破振速控制在2c m ／s 以内，减小对既有隧道结 构的震动破坏，具体采取以下措施 图2 非爆与控制爆破组合开挖示意图 单位m F i g ．2 T h ee x c a v a t i o ns c h e m a t i cp l o to fm e c h a n i c a l e x c a v a t i o nw i t hc o n t r o lb l a s t i n gm e t h o d u n i t m ①开挖采用微振控制爆破技术，周边采用光面、 预裂爆破，控制开挖轮廓和缓冲爆破强度。 ②采用减振楔形掏槽形式和多段大间隔微差爆 破，避免爆破应力波峰值叠加∞J 。 ③建立防震孑L 带，沿靠近既有线一侧开挖轮廓 线钻设不装药的空孔，建立应力波的反射界面或隔 振屏障。 ④加强炮孔堵塞，充分利用炸药爆炸能量，减少 单孔耗药量，减低爆破振动。 ⑤采用乳化炸药，电雷管起爆，毫秒雷管引爆， 塑料导爆管传爆。所有装药炮眼采用炮泥堵塞，周 边眼堵塞长度不小于3 0i m ，其它炮孔按装药长度 全部堵塞。 2 ．1 既有隧道的加固 受工期控制影响，决定利用“天窗”时间封锁襄 渝线西永站至四所区间进行既有隧道加固施工。采 用1 2 0 b 型钢钢架对既有线段衬砌进行临时加固，钢 架间距0 ．4i n ，钢架纵向采西2 5 钢筋连接，钢筋环 向间距0 ．6m ；锚杆锚固，隧道拱部铺设1 ．5m m 厚 万方数据 第3 4 卷第1 期 袁红所，张家铭，董宇，等小净距邻近营业线隧道爆破施工研究 5 9 钢板，防止既有衬砌因新线隧道施工掉块，影响既有 线安全。1 2 0 b 型钢钢架架设完毕之后需采用M 3 0 地脚螺栓和咖3 2 自进式中空锚杆 加涨壳锚头 锁 脚锚杆对其进行加固。施工中发现既有中梁山隧道 净空内宽在5 ～5 ．1 5m 之间，作业平台宽度为3 m ， 由此推算Y T 一2 8 型凿岩机钻眼的操作宽度只有 4 ．0m ，而锁脚锚杆设计长度为3 ．5m ，无法满足凿 岩机安装上3 ．5m 锁脚锚杆一次钻进的要求。经研 究决定采用“三次钻进法”解决操作空间问题，即第 一次用Y T 一2 8 型凿岩机加3m 钻杆提前钻进2m 孔 深，第二次利用凿岩机加4m 钻杆继续钻进至设计 深度3 ．5m ，第三次利用凿岩机安装上3 ．5m 自进 式中空锚杆 加涨壳锚头 钻孔至设计深度，顺利解 决了安装锁脚锚杆时操作空间不足的问题。打设锁 脚锚杆如图3 所示。 图3 现场打设锁脚锚杆 F i g ．3 T h ef i e l do fi n s t a l lf e e t l o c kb l o t 2 ．2 爆破参数选取 为达到减振要求，选用爆速低、猛度低、密度小 的炸药，同时还要求炸药的波阻抗与岩石的波阻抗 尽可能相匹配M 』，从而提高爆破的安全可靠性，准 确的控制飞石、地层振动和声响，使之在规定范围 内。新建隧道围岩为砂岩，根据文献[ 5 ，6 ] 可知砂 岩的密度为2g ／c m 3 ，波速2 6 0 0m ／s ，计算可得岩石 波阻抗为5 2 0 0 。 o r 6 p c v 2 6 0 0 2 ” 5 2 0 0 v 式中o r 。为岩石动应力，P a ；p 为岩石密度，g ／c m 3 ；c 为纵波传播速度，m ／s ；秽为质点速度，m ／s 。比值_ p c 被称为岩石的波阻抗。 该岩石与炸药较好的匹配系数为0 ．8 ～1 ．7 之 问，与之相匹配的炸药波阻抗为4 1 6 0 ～8 8 4 0 ，炸药 密度1 ．0 5 ～1 ．2 5 9 ／e m 3 ，炸药爆速为3 9 6 3 ～ 7 0 7 2m ／s 。根据以上数据控制爆破段选用2 号岩石 乳化炸药，爆速3 2 0 0 ～5 0 0 0m ／s 较为满足设计要求。 在爆破开挖前先对所选参数进行试验试爆，并 通过测试数据分析得到爆破振动衰减系数K 1 1 0 ～1 3 0 ，“ 1 ．7 ，以掏槽7 段为例，最大单段爆破 药量为2 ．7 蝇，按距离1 0 ．9 ，进行计算得。刈 V K fE R1 一1 2 0 f 黑省。17 1 ．6 2c m ／。 ＼, T Q ／ ＼, 7 2 ．7 ， 该数值小于2c m ／s ，在安全控制指标范围内。 r 台阶机械开挖现场及铣挖机如图4 所示一 图4} 台阶机械J F 挖现场情况及铣挖机 F i g ．4 ‘r h ef i e l dm e c h a n i c a le x c a v a t i o nu p p e rt h et u n n e la n dm i l l i n gd r i v e r s 3 隧道变形监测结果 隧道开挖期问通过对隧道设置沉降及收敛变形 监测点来实时掌握隧道的情况1 ，以便及时发现问 题并解决。隧道任一断面均设置一个拱顶沉降观测 点四个收敛监测点，监测点布置如图5 所示。 为确保隧道的顺利施工与既有营业线的安全， 在施工期间采用人工监测并及时采集处理监测数 据，了解隧道的变形情况，施工期间数据监测采集频 率为2 次／d ，其余时间1 次／d 。通过对监测数据进 行处理换算出隧道的拱顶沉降速度与沉降总值以及 收敛总值与速度。图6 、图7 为隧道交叉段一断面 监测数据变形图。 由图6 可知交叉段隧道采用机械开挖不仅控制 了围岩振动速率，而且对围岩的扰动减小到了最小， 使得围岩的拱顶沉降累计值为8 ．2 9m m ，隧道水平 万方数据 6 0爆破2 0 1 7 年3 月 收敛累计值为8 ．6 1m m ，监测结果显示隧道的变形 值在规范规定的允许范围之内。隧道采用非爆法加 控制爆破法及机械开挖的施工方法不仅保证了修建 进度也确保了邻近既有营业线的使用安全。 初期支护直径6 ～1 0m m 钢筋 1 3 5 。挂钩 外露5 ～1 0c m 图5洞内拱顶下沉及水平收敛测点布置及埋设方法示意图 单位m F i g ．5 T h et e s tp o i n ta r r a n g e m e n ts c h e m a t i cp l o to fv a u l td i s p l a c e m e n ta n dr o c kc o n v e r g e n c e u n i t m 吕 暑 咖1 世 避 亡 Ⅲ1 1 5 彳- - 1 ●’ g 吕一 赵一 谰一 呦l 逝一 避一 矗一 ∞o 。o _ n n h H n l nr 、口_ _ m n Ⅲ∞∞o 。o H n ”r 、口H m ”n 昏_ _ n l n Q 毯0 高高高高高≤≤≤≤≤掣翟g 一、 g 警肇高忒高高高≤≤≤≤≤g 警g 州f _ x l t “ q 刊“NC - q H 刊州NNNc - q t x lC - q N N 日期 月一日日期 月一日 拱顶沉降累计曲线 拱顶沉降速度曲线 图6 交叉段隧道拱顶沉降数据曲线图 F i g ．6 T h eV a u l ts u b s i d e n c ed a t ap l o to ft u n n e l f t 一 ● g 一 暑 一 赵 蚓一 疆一 擎 斗一 4 结论 以新中梁山隧道与既有襄渝线中梁山隧道交叉 段为例，通过对现场情况的分析了解，采用机械开挖 与非爆法加控制爆破法施工顺利完成了交叉段隧道 的建设，同时保证了既有线路的营业安全。具体结 论如下 1 通过对隧道围岩的分析及理论计算，考虑 炸药与岩石的匹配性，最终采用2 号岩石乳化炸药 对隧道进行爆破，很好的控制了爆破振动速率与爆 破效果。 2 利用“天窗”时间封锁襄渝线西永站至四所 区间对既有隧道采用1 2 0 b 型钢立柱进行加固施工， 保证了施工工期，增加具有隧道的刚度，使得其变形 在营业线安全使用范围内。 下转第9 3 页 o o 之o 4 o 巧。以曲 o o 之o 4 o “o 矗曲 0Ⅲ，唧强擎蠹躐 万方数据 第3 4 卷第1 期李江华，叶义成，姚囝，等缓倾斜薄中厚矿床浅孔落矿对围岩爆破损伤的数值模拟研究 9 3 上接第6 0 页 3 采用“三次钻进法”解决了对既有隧道安装 地脚螺栓和锁脚锚杆空间不足的问题，使得既有隧 道的加固在规定时间内顺利完成。 4 施工期间采用人工监测采集隧道变形数 据，并及时处理反馈隧道状况，使得隧道得以快速安 全的完成建设。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]张宇辉．铁路隧道下穿高速公路匝道沉降分析[ J ] ．黑 龙江交通科技，2 0 1 5 ，2 6 0 1 0 1 0 1 ．1 0 3 ． [ 1 ] Z H A N GY u h u i ．S e t t l e m e n ta n a l y s i so fr a i l w a yt u n n e lu n d e r p a s sf r e e w a yr a m p [ J ] ．C o m m u n i c a t i o n sS c i e n c ea n d T e c h n o l o g yH e i l o n g j i a n g ，2 0 1 5 ，2 6 0 1 0 1 0 1 1 0 3 ． i n C h i n e s e [ 2 ＼石扬钊，叶军永，朱云涛．浅埋公路隧道下穿既有铁路 线路基施工技术及控制措施[ J ] ．施工技术，2 0 1 5 ， 6 4 4 1 7 4 1 7 6 ． [ 2 ] S H IY a n g z h a o ，Y EJ u n y o n g ，Z H UY u n t a o ．C o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ya n dc o n t r o lm e a s u r e so fan e wt u n n e lc o n s t r u c t i o nu n d e rt h ee x i s t i n gr a i l w a ys u b g r a d e [ J ] ．C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y ，2 0 1 5 ，6 4 4 1 7 4 1 7 6 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 李业学，范建辉，李铮．岩体节理对应力波传播规律 影响的研究进展[ J ] ．湖北文理学院学报，2 0 1 5 ， 3 6 1 1 1 0 1 4 ． [ 3 ] u Y e x u e ，F A N GJ i a n h u i ，L IZ h e n g ．R e s e a r c hp r o g r e s s o fi n f l u e n c eo fr o c kj o i n to np r o p a g a t i o nr u l e o fs t r e s s w a v e [ J ] ．J o u r n a lo fH u b e iU n i v e r s i t yo fA r t sa n dS c i e n c e ，2 0 1 5 ，3 6 1 1 1 0 1 4 ． i nC h i n e s e [ 4 ]罗伟涛，万翔，周建国．炸药与岩石的波阻抗匹配理 论与应用[ J ] ．城市建设理论研究，2 0 1 2 2 0 2 2 - 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