新苔井山隧道平行近接爆破设计及施工研究.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.009 新苔井山隧道平行近接爆破设计及施工研究 韩髙升 中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063 摘 要福平铁路新苔井山隧道大部分段落与既有隧道平行近接，右线至既有隧道最小净距为8 m,隧道 主要为V、1V级围岩。依据现场地质条件采用四步短台阶法光面爆破技术和循环进尺0.8 m的掘进方案，同 时对掘进工作面临近既有隧道的前后一定距离进行爆破振动、边墙位移等实时监测。实践证明对既有隧道 工点采用3 c m/s的振动控制标准安全可行,在近接施工造成的既有隧道围岩应力重分布影响下既有隧道位 移变形也在安全范围内，若在实时监测条件下振动控制阈值仍有放宽的余地，可以提高掘进速度。 关键词平行近接隧道；爆破设计；短台阶法施工；边墙位移监测 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202002 - 0048 - 05 Blasting Desig n and Co nstructio n o f Adjacent Parallel Blasting in New Taijing shan Tunnel HAN Gao-sheng Chin a Ra il wa y Siyua n Sur vey a n d Design Gr o up Co Lt d, Wuha n 430063, Chin a Abstract Mo st p a r t o f New Ta ijin gsha n t un n el in Fup in g Ra il wa y is p a r a l l el a n d a dja c en t t o t he ex ist in g t un n el s. The min imum n et dist a n c e o f t he r ight l in e t o t he ex ist in g t un n el is 8 met er s, a n d t he sur r o un din g r o c k c l a ss is V o r IV. Smo o t h ba st in g wit h fo ur -st ep sho r t ben c h met ho d c o n st r uc t io n is a p p l ied a c c o r din g t o t he geo l o gic a l c o n di t io n s ,a n d t he c ut p er r o un d is 0. 8 met er . Mea n whil e, t he r ea l t ime bl a st in g vibr a t io n a n d side wa l l disp l a c emen t in a dja c en t t un n el a r e mo n it o r ed. It is p r o ved t ha t it is sa fe a n d fea sibl e when vibr a t io n vel o c it y in ex ist in g t un n el is l ess t ha n 3 c m/s. Mea n whil e, t he t un n el disp l a c emen t defo r ma t io n in duc ed by sur r o un din g r o c k st r ess r edist r ibut io n dur in g c o n st r uc t io n is a l so wit hin sa fe r a n ge. Tun n el a dva n c e sp eed c a n be imp r o ved when vibr a t io n t hr esho l d dur in g r ea l t ime mo n it o r in g is r el a x ed. Key wo rds a dja c en t p a r a l l el t un n el; bl a st in g design ； mo n it o r in g 新建结构物邻近既有结构物施工，可能对既有 结构物产生不利影响的工程称为近接工程,有关近 接工程的施工称为近接施工。与隧道及地下工程有 关的近接工程施工称为和隧道及地下工程近接 施工。 近年来许多学者针对近接隧道工程影响范围以 及近接隧道爆破影响分析开展了大量研究。日本在 收稿日期2020-01 -11 作者简介韩高升1976 -，男，高级工程师，E-ma il 1968549923 q q . c o m。 sho r t ben c h met ho d c o n st r uc t io n ； side wa l l disp l a c emen t 总结日本地铁实践的基础上，提出了近接隧道施工 影响范围分类，将相互影响范围分为无影响范围、要 注意的影响范围和必须采取措施的范围三个区域来 考虑。 仇文革提出了近接施工的有关定义，并以弹塑 性理论为基础，综合运用隧道力学、岩土力学及既有 结构健全度理论阐明了地下工程近接施工的力学原 理,指出近接施工的影响范围是局部的，新建工程施 工引起的围岩应力再次重分布是产生近接施工影响 第37卷第2期韩高升新苔井山隧道平行近接爆破设计及施工研究49 的根源⑴。王明年等建立了能全面反映盾构隧道 掘进全过程的三维模拟方法，并采用摩尔-库仑屈服 准则对盾构隧道重叠段进行了横向近接分区，同时 采用位移变化速率准则对盾构隧道重叠段进行了纵 向近接分区。万飞等运用有限元分析软件MIDAS- GTS进行三维模型数值分析,对比明挖暗埋法和暗 挖法新建隧道施工时既有隧道的变形及内力变化规 律，对既有隧道的安全性进行评价。秦辉辉对小曲 线叠落式隧道施工的关键技术进行了系统研究⑵。 崔光耀利用反应位移理论的基本原理，建立了隧道 洞口浅埋段纵向和断裂粘滑隧道抗震设计计算方 法,通过动力时程法对其进行了检验。针对断裂粘 滑隧道的震害特点,对采用减震缝或减震层的六种 减震方式进行了静力错动模型试验研究⑶。刘小 果、刘康、王璞、吴波、和林立宏等学者利用数值模 拟、理论分析和现场实测相结合的方法，研究了接近 爆破对邻近建构筑物振动效应的影响。钟冬望等结 合在建的贵昆线六盘水至沾益段增建n线扒挪块隧 道开挖工程，采用动力有限元程序建立了三维模型， 对贵昆线狮子口隧道混凝土衬砌的质点振动速度以 及应力分布情况进行了计算冲］。为分析在建的石 长铁路增建二线汪家山隧道爆破施工对邻近既有隧 道结构安全的影响，杨光运用ANSYS瞬态动力学方 法，分析隧道拱顶有裂缝缺陷的衬砌结构在爆破荷 载冲击作用下的动态反应，获得存在不同深度裂缝 缺陷的衬砌在不同爆破荷载冲击速度下的应力分布 规律和容许安全系数。 新建隧道的开挖是个动态施工过程,必须掌握 全过程的变化规律，才能进行好设计与施工。目前 的理论分析主要考虑近接施工的空间位置和工法, 还应考虑时间效应，并采用理论计算和实时监测来 分析邻近既有隧道的受力与变形。另外，对于邻近 既有隧道的安全阈值如何给予界定是一值得探讨的 课题。 福平铁路新苔井山隧道与既有铁路苔井山隧道 近接，为保证新建隧道和既有隧道的施工与运营安 全,基于现场地质条件及与隧道近接情况，提出了合 理的近接爆破设计、近接施工方案和安全控制阈值, 并通过现场试验进行了验证。 1工程概况 新苔井山左线隧道起讫里程XLDKO 970 XLDK3 213,全长2.243 k m。右线隧道起讫里程 SLDKO 967 SLDK3 260,全长 2. 293 k m。新建 隧道线路与既有沿海铁路联络线并行,左右线隧道 分布在既有线两侧，夹既有苔井山隧道,大部分段落 平行近接。右线至既有隧道最小净距为8 m,左线 最小净距为25.8m。新苔井山左、右线隧道近接示 意图见图1。 图1隧道近接示意图 Fig. 1 Sc hema t ic dia gr a m o f t un n el p r o x imit y 新苔井山左线 /平潭方向 福州方向 DK00 既有苔井山隧道双线 新苔井山右线 隧道大部分为浅埋隧道，进口段约500 m采用 矿山法爆破施工,该段隧道处于花岗岩地层中，褐黄 色肉红色，全强风化，节理裂隙发育;地下水主 要为孔隙潜水，较发育。围岩等级为IV V级。 2隧道近接掘进工法及爆破参数 2.1近接隧道施工工法近接隧道施工工法 在兼顾围岩条件及控爆规模的情况下,暗挖施 工主要采用短台阶法。 IV级围岩采用短台阶法光面爆破开挖，循环进 尺0. 8 m,挂网支护。V级围岩洞口段30 m采用短 台阶法人工配合机械开挖，循环进尺0.7 m,其余区 段采用小药量松动爆破，循环进尺0. 8 m,I18工字 钢拱架，间距80 c m。 短台阶法施工工序 1 开挖顶部台阶，施作超前支护及洞身结构 的初期支护。 2 上台阶施工至适当距离后3 5 m，开挖 中部台阶,施作洞身结构的初期支护。 3 中台阶施工至适当距离后10-20 m,开 挖下台阶，施做洞身结构的初期支护。 4 开挖仰拱，初期支护后，灌注仰拱。 5 利用衬砌模板台车,一次性灌筑二次衬砌 拱墙衬砌一次施作 2.2近接隧道爆破参数近接隧道爆破参数 新苔井山隧道现场主要为V、W级围岩，以临近 既有隧道振动控制标准3 c m/s进行爆破设计。以 V级围岩为例，设计如下 V级围岩开挖断面B x H 853 c m x 1061 c m, 采用四级短台阶法光面爆破施工，循环进尺0.8 m。 第一级断面炮孔数计算 N 3.3 府 1 式中N为炮孔数目，个;F为岩石坚固性系数, 平均取/ 10 ；s为巷道掘进断面面积,s 9.1 n 。 50爆破2020年6月 代入式（1）计算结果N 32个,光面爆破增加 26,得N 41个，按此布置炮孔。 掏槽孔布置在上半断面正中间偏下,采用倾斜 两级掏槽。槽孔共8个，一级掏槽孔4个,孔口距 80 c m,孔底距20 c m,孔深为0.55 m,孔长0.63 m, 角度均为62。；二级掏槽孔4个,孔口距40 c m,孔底 距30 c m,孔深1.0 m,孔长1.2 m,角度为57。。辅 助孔8个,光面孔15个，底孔10个，共41个，孔深 均为0. 9 m,单耗按1.5 k g/n ,孔间距0. 5 m,在靠 近营业线侧设置减震孔（空孔），周边少50减震孔 6个，掏槽少110减震孔3个。 光面孔线装药密度取0.25 - 0.28 k g/m,单孔药 量0.2 k g。爆破参数见第_台阶开挖爆破参数表1。 表1第一台阶爆破参数表 Table 1 Parameters o f the first step blasting 孔称孔数/个孔深/in单孔药量/k g 孔距/m药量/k g 一级掏槽孔40.550.500.82.00 二级掏槽孔41.000. 801.63.20 辅助孔40.900.480.81.92 辅助孔40.900.480.81.92 光面孔150.900.200.53.00 底孔100.900.500.75.00 50周边减震孔65.00/0.3/ 110周边减震孔310.00/// 合计5017.04 第一断面开挖后，按设计要求进行及时支护。 在第一断面开挖、支护完成推进35 m后进行第二 台阶开挖。形成正台阶开挖，其参数为孔径。 40 42 mm,孔深厶0.8 m,第二台阶开挖比第一断 面增加了一个自由面，因此，炮孔数及单耗均可减 少，按台阶布孔，排距取0.65 m,孔距0.8 m,单耗取 q 0.4 k g/m3 ；光面孔距取0.5 m,光面孔14个，线 装药密度p 0.25 -0.28 k g/m。在靠近营业线侧 设置减震孔（空孔），周边e 50减震孔7个。 第二台阶开挖后，按设计要求进行及时支护。 在第二台阶开挖、支护完成推进10 20 m后进行三 台阶开挖,其参数为孔径D 40 42 mm,孔深Z 0. 8 m,按台阶布孔排距取0. 6 m,孔距0.8m,单耗 取g 0.4 k g/m3;光面孔距取0. 5 m,光面孔12个， 线装药密度p 0. 25 -0. 28 k g/m。在靠近营业线 侧设置建减震孔（空孔），周边“ 50减震孔6个。 第三台阶开挖后,按设计要求进行及时支护。 在第三台阶开挖、支护完成推进35 m后进行仰拱 开挖。其参数为孔径D 40 42 mm,孔深L 0.8 m,按台阶布孔,排距取0.6 m,孔距0.8 m,单耗 取g0.6 k g/m3；在靠近营业线侧设置减震孔（空 孔），周边少50减震孔2个。总体爆破炮孔布置图 见图2。 2.3装药结构及起爆网路装药结构及起爆网路 隧道掏槽孔、辅助孔和周边光面孔按设计装入 不同段别非电毫秒雷管进行网路联接装药，除周边 光面孔外都采用连续装药结构。 图2 V级围岩炮孔布置示意图（单位c m） Fig. 2 La yo ut dia gr a m o f bo r eho l e fo r t he V c l a ss sur r o un din g r o c k（un itc m） 起爆网路采用非电导爆管毫秒雷管，每台阶炮 孔起爆顺序与雷管段别如图2所示,用一把抓的方 第37卷第2期韩高升新苔井山隧道平行近接爆破设计及施工研究51 式,孔外用1段雷管联网。采用LS-2型脉冲高压起 爆器起爆。 3近接隧道施工监测 3.1爆破振动监测爆破振动监测 在新建隧道爆破施工期间,在既有隧道内临近开 挖断面里程前后100 m的隧道两侧侧壁布置爆破振 动监测仪共计10台，对振动进行监测。施工期间，每 炮均测，在隧道外爆破振动监测室内接收数据。 3.2边墙位移监测边墙位移监测 在隧道施工过程中，监控量测新建隧道施工对 既有隧道的影响是其中重要的一部分，而既有隧道 周边位移是监控量测中的必测项目。通常情况下， 周边位移的量测采用收敛计进行水平收敛量测。由 于收敛点都布置在拱顶、拱腰位置,量测时需架设平 台或梯子进行工作,实际操作既不安全也不方便,有 时甚至不能进行工作。采用全站仪免棱镜测距技术 能很好地解决这些问题，但由于进出既有线作业时 间全部在夜间，要在很有限的时间段内进行全站仪 的测量作业是比较困难的，综合考虑,边墙位移监测 工作采用激光测距仪完成,激光测距仪一经安装,通 电条件下即可在很短的时间内完成测量作业。 测量仪器选用In sight -60激光测距传感器，传 感器布设断面如图3所示,安装位置如图4所示。 洞口里程 无LDK0970掘进方向新苔井山隧道左线 新苔井山隧道右线 3 B断正 1断面 洞口里程 凉 SLDK965掘进方向z ，既有苔井山隧道 开始监测掌子面对应 里程5W幻孔80.5 1 1 图3激光测距仪布设断面单位m Fig. 3 The set t in g sec t io n o f t he l a ser r a n gefin der un it m 激光测距仪 图4激光测距仪布设位置单位m Fig. 4 Lo c a t io n o l a ser r a n gefin der un it m 将激光测距传感器固定在支架上，照准测点,避 免移动。随着施工的进行，定时记录传感器读数。 3.3监测结果及分析监测结果及分析 爆破振动方面，在按控制爆破设计进行爆破开 挖施工中，既有隧道的振动均未超过3 c m/s的控制 值,大部分在2 c m/s以内。 通过为期1个月的监测,得到近接隧道开挖过 程中既有隧道边墙净空随时间的位移变化量，整理 0 5 10 15 20 25 30 监测时间/d 如图5。 11.14「 11.13 11.12 11.11 g 11.10 S 11.09 T-d断面第一次 K 11.08 - T-B断面第一次 11.07 - /断面第二次 11.06 . T-B断面第二次 11.05 11.04 图5边墙位移监测随时间变化趋势图 Fig. 5 The t r en d o f disp l a c emen t mo n it o r in g o f side wa l l wit h t ime 位移监测数据反映，在近接隧道施工1 3 d后 既有隧道出现一个较小的位移量0. 1 0.4 mm, 随着时间的发展位移量逐渐增大，但位移的增长的 趋势逐渐放缓，一般一周后位移量基本不再变化。 综合整体监测结果来看，新建隧道施工对既有隧道 边墙位移量的影响较小，且位移量发展较快的时间 段为新建隧道施工的初期。第二次测量结果同第一 次测量结果基本相同，既有隧道隧道边墙几乎没有 位移或有一个很小的位移量。 通过对既有苔井山隧道的监测分析可得，在按 控制爆破设计的施工爆破开挖中，既有隧道爆破振 动值均未达到3 c m/s ,在此条件下,近接隧道施工 对既有隧道的影响较小;边墙位移量发展较快的时 间段为新建隧道施工的初期，均小于阈值。综合监 测数据可以推断既有隧道受新建隧道的开挖影响很 小，未对其安全造成影响。 4结语 隧道近接设计及施工中,科学合理确定爆破的 振动控制标准，是保证近接施工中临近建构筑物安 全的关键。在以往多条铁路工程实践中，采用5 52爆破2020年6月 2 c m/s的标准。爆破振动在结构上一方面是对围 岩及结构即时的不利影响，另一方面是对既有结构 已有或潜在缺陷进一步激发劣化发展的影响。对于 前者，目前工程实践控制标准是可行的，参照爆破 安全规程中的参数还有进一步放宽的空间；对于 后者,则应进一步结合近接影响建筑物的具体情况 考虑，同时对既有铁路隧道，还应考虑运营设备的抗 振能力。在福平铁路隧道施工中，多个临近既有隧 道工点均采用3 c m/s的振动控制标准，实践证明是 安全可行的，尚留有较大的安全空间。 在既定爆破控制振动标准条件下,研究控制爆 破技术，针对性进行爆破施工设计是实现控制近接 隧道施工不利影响的关键。 近接爆破施工中,对新建及近接隧道布置施工 监测体系，对施工安全控制及指导调整施工是必须 且有效的。 近接施工条件下,结合铁路管理特点,合理安排 爆破开挖施工组织,加大关键控制工序的资源配置, 提高天窗时间隧道的爆破施工效率是提高整个临近 施工效率的关键。 参考文献参考文献References [1] 仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究 [D],成都西南交通大学,2003. 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Cha n gsha Cen t r a l So ut h Un iver sit y ,2011. in Chi n ese 英文编辑柯波 j 科技沁女网絡首茨小知积 I i \ 网络首发On l in e Fir st Publ ish,就是被录用论文在纸质刊物出版前,先以网络出版形式刊 j 发出来，读者可以在文章所在网页阅览、下载和打印。网络首发与纸质版具有同等效力,可减少 i 出版时滞，使作者的首发权得到及时确认,以促进科研成果快速传播。 i