大断面黄土隧道近距离爆破控制效果分析.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2020. 02. 009 大断面黄土隧道近距离爆破控制效果分析 ❋ 赵志刚① 张文喆① 王 伟①② 方 俊① 冯德定①③ 杨 林①④ ①中交第二航务工程局有限公司湖北武汉,430040 ②交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心湖北武汉,430040 ③长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室湖北武汉,430040 ④中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司北京,100088 [摘 要] 为防止超大断面黄土隧道开挖爆破对既有隧道中人、车通行安全的影响,提出合理的爆破施工参数及 控制技术。 新建二庄科隧道工程,其最大开挖断面达到 136. 08 m2,存在断面大、周边环境复杂、对爆破施工技术要 求高等技术难点。 综合考虑现场条件及工程经验,对双侧壁导坑法光面爆破施工技术进行详细设计,通过以大化 小、优化施工工序、细化爆破施工参数、加固既有隧道衬砌结构等方法,有效地避免了爆破振动对既有隧道的影响, 既有隧道迎爆侧振速峰值仅为 4. 20 cm/ s,远小于规范允许值,且爆破效果也满足光面爆破质量控制要求,从而确 保了大断面隧道施工安全及既有隧道的通行安全。 因此,该隧道爆破控制技术及参数可为类似大断面隧道爆破施 工控制提供参考。 [关键词] 爆破设计;黄土隧道;大断面;爆破控制效果;加固技术 [分类号] U455. 6 Control Effect of Closed Distance Blasting in Large Section Loess Tunnel ZHAO Zhigang①, ZHANG Wenzhe①, WANG Wei①②, FANG Jun①, FENG Deding①③,YANG Lin①④ ① CCCC Second Harbour Engineering Co. , Ltd. （Hubei Wuhan, 430040） ② Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure （Hubei Wuhan, 430040） ③ Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology for Transportation Industry （Hubei Wuhan, 430040） ④ CCCC Highway Bridges National Engineering Research Center Co. , Ltd. （Beijing, 100088） [ABSTRACT] In order to prevent the impact of excavation blasting on the traffic safety of adjacent existing tunnels in the super-large section loess tunnel, reasonable blasting construction parameters and control technology were proposed. In new Erzhuangke Tunnel, the maximum excavation section reaches 136. 08 m2, there is a large section and complicated sur- rounding environment and it requires high technical difficulties for blasting construction. Considering the site conditions and engineering experience, the smooth blasting of two side-wall-pilot construction technology was designed. Through the mea- sures of converting large section to small section, optimizing construction procedure, detailing design of blasting construc- tion parameters and strengthening the lining structure of existing tunnel, the impact of blasting vibration on existing tunnel effectively reduced. The maximum vibration velocity peak of the front side of existing tunnel is only 4. 20 cm/ s, which is far less than the allowable value of code. The blasting effect also meets the requirements of smooth blasting quality control. So it ensures the safety of super-large section tunnel construction and the traffic of existing tunnels. Therefore, the blasting control technology and parameters of the tunnel can provide reference for the blasting control to similar super-large section tunnels. [KEYWORDS] blasting design; loess tunnel; large section; blasting control effect; strengthening technology 第 49 卷 第 2 期 爆 破 器 材 Vol. 49 No. 2 2020 年 4 月 Explosive Materials Apr. 2020 ❋ 收稿日期2019-08-16 基金项目中国交通建设集团有限公司科技研发项目（HT-A-2018-006） 第一作者赵志刚（1984 - ）,男,工程师,主要从事隧道与地下工程方面施工管理工作。 E-mail942611273＠ qq. com 通信作者王伟（1991 - ）,男,硕士,助理工程师,主要从事隧道与地下工程方面设计工作。 E-mailwangw2018＠ foxmail. com 万方数据 引言 随着交通量的不断增大,现有设计标准已不能 满足交通运输和经济发展的需求;因此,大断面公路 隧道日益增多。 山岭地区公路隧道的开挖方式主要 为钻爆法。 然而,采用何种爆破技术提高爆破效率, 如何进行爆破设计及控制,直接影响着隧道工程的 施工进度、施工质量及施工安全。 其中,光面爆破利 用合理的炮孔布置及有效的控制爆破技术,达到成 型规整、围岩扰动小、成本低、施工进度快等优点,被 广泛应用于隧道爆破开挖中。 关于隧道爆破方面的 研究比较多。 熊炎林等[1]通过数值模拟和现场测 试手段研究了水平岩地层隧道周边眼聚能装药结构 的爆破成型效果;费鸿禄等[2]通过理论计算及声波 测试法研究爆破载荷作用下隧道围岩裂隙扩展范 围;还有学者研究了爆破施工对既有隧道的影响分 析[3-4];文献[5-7]中,通过现场试验对连拱隧道衬砌 结构进行了安全评估,并给出了爆破施工工序优化 建议;文献[8-10]中,通过光面爆破参数的优化、新 工艺的采用等,改善了隧道光面爆破效果。 综上所述,有关大断面爆破参数设计及控制技 术相关的研究已经取得了不少成果,但是针对复杂 地质环境条件下的单向三车道加人行横道的超大断 面近距离爆破施工控制的研究相对较少,对爆破参 数设计要求更加严格。 鉴于此,依托新建超大断面 隧道工程,对爆破参数及施工工序进行设计研究,减 小爆破振动强度,进而确保施工及既有隧道的通行 安全。 1 工程概况及技术难点 新建二庄科隧道位于陕西省延安市,与既有二 庄科隧道近似平行。 既有隧道全长 640 m,新建隧 道全长 630 m,属于中长隧道,最大埋深 145 m。 其 中,新建隧道主洞采用承载力较好的单心圆曲墙式 衬砌断面,主洞拱圈段断面半径为 8. 85 m,内轮廓 宽度为16. 34 m,高度为 10. 45 m,最大开挖断面面 积为 136. 08 m2（ 100 m2）,属于超大断面隧道。 新建隧道考虑远期的快速化改造,采用城市主干道 单向三车道加人行横通道的标准进行设计,设计行 车速度为 50 km/ h。 隧址出露及钻探揭示的地层由 新到老依次为第四系（Ｑ） 和侏罗系下统延安组 （J1y）,详细地层描述如下上伏第四系马兰黄土和 离石黄土,主要为浅黄色,稍湿,质地疏松,垂直节理 及大孔隙发育;下伏强风化泥质砂岩、中风化泥质砂 岩,泥质结构,层状构造,隧道洞身围岩主要由强-中 风化砂、泥岩组成。 围岩级别为Ⅴ级,其中 S-Va 段 长 170 m,S-Vb 段长 200 m,S-Vc 段长 180 m,S-Vd 段长 60 m,局部稳定性较差,爆破开挖控制不当或 支护不及时可能产生大的坍塌。 该扩建隧道施工过程中的主要技术难点是隧 道进、出口段仰坡坡度较缓,自然坡角 25 65,该 段仰坡上部发育一小型崩塌体,在连续降雨、爆破施 工扰动的情况下可能会再次复活,对隧道进口段洞 身稳定性影响大;另外,既有隧道与新建隧道之间净 距为 21 38 m,车流量大,约在 500 m 范围内有其 他建筑,周边环境复杂,为确保来往行人和车辆的安 全,对爆破控制技术提出了严格要求。 由于该隧道 岩性变化比较大,隧道开挖断面也很大,应根据岩性 变化随时调整爆破方案和爆破参数,以达到良好的 爆破控制效果。 2 隧道掘进爆破参数设计 2. 1 炮孔参数确定 隧道出口进洞采用双侧壁导坑法,左、右导坑掌 子面的纵向间距控制在 1 2 倍洞径之间,V 级围岩 中采用微振光面爆破技术,尽可能地减少超欠挖以 减轻对围岩的扰动和破坏。 而隧道掘进爆破效果的 影响因素很多,通常应用相关理论计算并结合工程 类比法确定各参数的合理范围,然后根据爆破效果 加以调整。 2. 1. 1 循环进尺 开挖循环进尺直接影响隧道施工工期,为保证 按期完工,应根据要求的月进度来计算循环进尺,其 计算公式为 l L n1 24 n η η1。 （1） 式中l 为钻孔深度（循环进尺）,m;L 为月进尺深 度,m,根据工程要求平均进度为 60 m/ 月;n1为每 个循环需要的时间,h;n 为每月掘进工作时间,平均 每月取 25 d;η 为炮眼利用率,一般取 0. 8 0. 9;η1 为循环率,一般取 80％ 90％。 综合考虑地质条 件,经过计算,初步确定 S-Va 和 S-Vb 围岩段开挖循 环进尺为 1. 3 m。 2. 1. 2 不耦合装药系数 施工经验表明[11],装药不耦合系数 λ 由岩体物 理力学性质和炸药性能共同决定,一般 λ 1. 0 352020 年 4 月 大断面黄土隧道近距离爆破控制效果分析 赵志刚,等 万方数据 2. 0。 根据现场实际情况,最终确定装药不耦合系数 为1. 3。 因此装药直径为 dc db λ 。（2） 式中db、dc为炮孔直径和装药直径,mm。 采用手持 式风钻钻孔,钻孔直径为 42 mm,即装药直径选用规 格为⌀32 mm。 2. 1. 3 周边眼设计 当孔内最大静压力高于岩体极限抗拉强度,而 低于岩体的极限抗压强度时,才能在周边炮眼之间 形成贯通裂隙,保证开挖面的平整光滑。 如图 1 所 示,周边眼间距满足式（3） E≤[σc] [σt] db Kidb。（3） 式中E 为周边眼间距,mm;[σc]为岩体的极限抗压 强度,Pa;[σt]为岩体的极限抗拉强度,Pa;Ki为孔 距系数,Ki [σc] / [σt],与岩体的抗拉、抗压强度 有关,一般取 Ki10 16。 图 1 周边孔设计间距 Fig. 1 Designed spacing of peripheral holes 由式（3）可知,当炮眼直径为 42 mm 时,周边眼 间距 E 400 600 mm;最小抵抗线 W E/ （0. 8 1. 0） （1. 00 1. 25） E,所以 W 一般应取600 700 mm。 周边孔用线装药密度来计算装药量,线装药密 度取 0. 1 0. 2 kg/ m,单孔装药量为 0. 15l 0. 195 kg ,取为 0. 2 kg。 2. 1. 4 辅助孔设计 辅助孔即为扩槽孔。 根据工程经验[11],辅助孔 间距取 0. 8 1. 0 m,辅助孔之间排距取 0. 7 0. 9 m,单耗一般取 1. 0 1. 5 kg/ m3。 由于该隧道岩石 比较松软,取线装药密度为 0. 5 1. 0 kg/ m,当隧道 围岩比较坚硬时可逐步增大。 2. 1. 5 掏槽孔设计 隧道掏槽孔的形式有垂直掏槽孔、倾斜掏槽孔、 混合掏槽孔 3 种。 其中,垂直掏槽孔垂直于工作面 布置,方式简单,可同时实现多钻机同时作业,适合 于双侧壁导坑法爆破中、小断面。 如图 2 所示,以中 心炮孔为圆心、R 0. 3 m 为半径画圆。 在垂直两条 直径上钻4个掏槽孔,间距为0. 6 m,掏槽孔需要比 图 2 掏槽孔的布置（单位m） Fig. 2 Layout of cutting holes （unit m） 循环进尺加深 0. 3 m,在其外侧多布置 4 个扩槽孔, 孔间距为 1. 0 m。 2. 2 爆破炮孔布置 对双侧壁导坑法施工按照规范要求,通常将其 断面分成 7 部分,分别为左侧上部分断面I、左侧下 部分断面Ⅱ、右侧上部断面I、右侧下部断面Ⅱ、中 间上部断面Ⅲ、中间中部断面Ⅳ及中间下部断面Ⅴ, 其中左、右侧上部和左、右侧下部断面炮孔位置及参 数相同。 图 3 为每部分断面的炮孔布置情况。 为保 证初期支护与隧道开挖紧密结合,确定 S-Va 级围岩 段上部开挖循环进尺为 1. 3 m（即 2 榀拱架间距）, 周边孔彼此平行,且以小角度向外倾斜 3 5;掏 槽孔孔深为 1. 5 m。 图 3 爆破炮孔的布置 Fig. 3 Arrangement of blasting holes 此外,不同颜色的炮孔各代表不同类型的炮孔, 不同类型炮孔之间采用微差延时起爆,相邻雷管段 别之间的延时时差为 50 ms;颜色相同的炮孔爆破 参数及装药量也相同,采用同段位雷管连接,同时起 爆,最大段起爆药量为 12. 80 kg。 爆破参数及装药 量等详细情况如表 1 所示。 3 隧道掘进爆破施工设计 3. 1 装药结构 辅助孔和掏槽孔均采用连续不耦合装药结构, 光面爆破时周边孔采用间隔不耦合装药结构。 由于 45 爆 破 器 材 第 49 卷第 2 期 万方数据 表 1 隧道爆破参数 Tab. 1 Blasting parameters of the tunnel 断面炮孔名称 雷管 段别 孔间距/ m 排距/ m 孔深/ m 线装药密度/ （kgm -1） 单孔装药量/ kg 单段装药量/ kg 总药量/ kg I、I 掏槽孔10. 30. 31. 50. 671. 00 （5 节）4. 00 扩槽孔31. 01. 01. 30. 670. 80 （4 节）3. 20 辅助孔 1＃50. 80. 81. 30. 460. 60 （3 节）4. 20 辅助孔 2＃70. 80. 71. 30. 670. 80 （4 节）12. 80 底板孔90. 70. 71. 30. 380. 60 （3 节）3. 50 周边孔 1＃110. 50. 71. 30. 150. 20 （1 节）3. 00 周边孔 2＃130. 70. 71. 30. 671. 00 （5 节）7. 00 37. 70 Ⅱ、Ⅱ 缓冲孔11. 00. 81. 30. 670. 80 （4 节）8. 00 辅助孔 1＃31. 00. 81. 30. 460. 60 （3 节）2. 50 辅助孔 2＃51. 00. 71. 30. 460. 60 （3 节）2. 50 辅助孔 3＃71. 00. 71. 30. 460. 60 （3 节）2. 50 周边孔 1＃90. 60. 71. 30. 150. 20 （1 节）2. 80 周边孔 2＃110. 71. 01. 30. 230. 40 （2 节）1. 80 20. 10 Ⅲ 掏槽孔10. 30. 31. 50. 671. 00 （5 节）4. 00 扩槽孔31. 01. 01. 30. 670. 80 （4 节）3. 20 辅助孔 1＃50. 80. 81. 30. 670. 80 （4 节）10. 80 辅助孔 2＃70. 80. 81. 30. 670. 80 （4 节）12. 00 底板孔90. 60. 71. 30. 460. 60 （3 节）3. 60 周边孔110. 50. 71. 30. 150. 20 （1 节）2. 40 36. 00 Ⅳ 辅助孔 1＃10. 80. 81. 30. 310. 40 （2 节）2. 00 辅助孔 2＃30. 80. 81. 30. 310. 40 （2 节）1. 60 辅助孔 3＃50. 80. 81. 30. 310. 40 （2 节）2. 00 辅助孔 4＃70. 80. 81. 30. 310. 40 （2 节）1. 60 辅助孔 5＃90. 80. 81. 30. 310. 40 （2 节）2. 40 9. 60 Ⅴ 缓冲孔10. 80. 81. 30. 150. 20 （1 节）1. 20 辅助孔 1＃30. 80. 81. 30. 310. 40 （2 节）2. 00 辅助孔 2＃50. 80. 81. 30. 310. 40 （2 节）2. 80 周边孔70. 60. 71. 30. 150. 20 （1 节）1. 80 7. 80 周边孔比较浅,单孔装药量比较小,也可以采用空气 柱装药结构,即把药卷捆绑在导爆索或雷管上,放入 炮孔的中部偏下位置,孔口采用炮泥堵塞 20 40 cm,剩余部分不装填堵塞物,药卷上、下均为空气 柱,具体如图 4 所示。 3. 2 爆破网路连接 爆破网路连接如图 5 所示。 为了提高光面爆破 效果,减小爆破振动对周边结构的影响,采用毫秒微 差延时导爆管起爆。 每部分断面一次爆破时,按照 起爆顺序分别装入多段毫秒雷管起爆,起爆顺序为 掏槽孔→辅助孔→崩落孔→周边孔,由内向外逐层 爆破,分别用于每个分部爆破开挖。 将分组炮孔的 导爆管各自集中成束捆绑在一起,用一发（或多发） 雷管引爆,形成簇连网路。 该种连接网路简单方便, 多用于较密集深孔爆破或孔间微差延时起爆网路连 接中。 3. 3 施工工序 在采用双侧壁导坑法施工时,将一个大断面转 换成几个小断面,分部开挖,合理地优化各部分施工 工序,选取靠近既有隧道一侧的导洞（断面I）先行 开挖,再开挖后行导洞和中间导洞,这样可以自然形 成一条减振带,有效地降低爆破振动的有害效应。 4 爆破效果及影响分析 4. 1 振动强度 为了验证爆破方案的合理性,控制新建隧道爆 破对既有隧道人、车通行安全的影响,采用TC-4850 型爆破测振仪对既有隧道进行爆破振动测试。爆破 振 动测点布置如图6所示。为不影响正常通车,当 552020 年 4 月 大断面黄土隧道近距离爆破控制效果分析 赵志刚,等 万方数据 图 4 装药结构 Fig. 4 Charge structure 图 5 爆破网路连接 Fig. 5 Blasting network connection 图 6 爆破振动监测点的布置 Fig. 6 Layout of blasting vibration monitoring points 每部分断面开挖到测试断面时,在爆破源同断面的 迎爆侧和背爆侧既有隧道人行道上安装 2 个振速传 感器,测试点距离爆心距离约为 1. 2D 2. 5D（D 为 开挖断面宽度）,其中传感器水平径向 X 对准爆破 中心,Y 为水平切向,Z 为垂向。 由于每部分断面爆 破时产生的爆破振动存在较大差异,因此选取了 5 个断面,共进行 35 次现场测试。 4. 1. 1 振速整体分布 由图 7 可知,新建隧道掘进爆破对既有隧道迎 爆侧振动的影响明显大于背爆侧,约为背爆侧振速 峰值的 3 6 倍,说明既有隧道中空气对应力波具有 衰减作用;因此,只需选取其中迎爆侧振速峰值的最 大监测结果进行分析。 在炮孔布置、装药量及爆破 方式相同的条件下,爆破开挖导洞断面I、Ⅱ部分 时,右侧导洞断面I、Ⅱ 部分已经开挖完成,形成 良好的隔振空间且爆心距增大;因此,应力波的衰减 较快,导致左侧导洞断面爆破振速普遍比右侧导洞 断面的小。 而在中导洞断面Ⅲ、Ⅳ、V 爆破时,由于 左、右导洞爆破时创造良好的临空面,减少爆破时岩 石的夹制作用,有效地降低了爆破振动效应;因此, 相同爆破条件下,中导洞下部的施工安全度大于其 他导洞的施工安全度,新建隧道爆破中导洞下部断 面施工中,可适度地增大装药量及开挖进深,提高施 工进度。 图 7 爆破振速峰值分布 Fig. 7 Peak distribution of blasting vibration velocity 4. 1. 2 典型振速 由图 8 可知,监测点的各向振速时程曲线具有 很好的一致性,均由不同变化区段组成,分别代表了 不同时间段微差延时起爆的振动特征。 其中,最大 值为水平径向振动速度 4. 20 cm/ s（X 方向）;垂向 振速次之,为 2. 40 cm/ s（Z 方向）;水平切向振速最 小,为 0. 96 cm/ s（Y 方向）。 说明既有隧道迎爆侧 主要受到爆炸应力波的垂直入射作用;隧道主要受 到爆炸压应力和反射拉应力作用。 而振速峰值均发 生在 0. 221 0. 270 s 之间,即出现在辅助孔同段雷 管起爆时,也说明了辅助孔单段装药量最大,引起的 65 爆 破 器 材 第 49 卷第 2 期 万方数据 （a）X 方向 （b）Y 方向 （c）Z 方向 图 8 爆破振速时程曲线 Fig. 8 Time history curves of blasting vibration velocity 爆破振动强度也最大。 此外,既有隧道内的爆破主 振频率比较大,主要分布在 100 200 Hz 之间;因 此,爆破振动不会引起邻近隧道结构的共振,结构的 损伤主要受振动速度的影响。 采用该爆破方案时, 爆破最大振速峰值满足爆破安全规程 [12] 中规定 的爆破振动速度控制在 12 15 cm/ s 之间的要求; 因此,该爆破方案不会对既有隧道造成损坏或影响。 4. 2 爆破效果 如图 9 所示,隧道爆破后,围岩稳定性好,未出 现掉块或坍塌现象;炮孔利用率高,残留炮孔半孔率 达到 93. 5％;隧道开挖轮廓光滑圆顺,无需二次凿 除或修整;爆破石渣块度小,且较均匀,完全符合装 渣要求;大大地缩减了额外施工工作量,保证了施工 进度。 4. 3 预加固效果 由于新建二庄科隧道与既有隧道的间距过小, 为了防止新建隧道在施工时对既有隧道产生影响, 确保既有隧道的通行安全,在新建隧道施工前对既 有隧道采取了临时加固措施。 既有隧道二次衬砌采 （a）周边眼半孔痕 （b）石渣块度均匀 图 9 爆破效果 Fig. 9 Blasting outcome 用背拱加固,钢支撑由 I18 型工字钢组成,钢支撑的 间距为 2. 0 m,每个单元之间采用螺栓连接,钢拱架 与既有隧道二次衬砌表面紧贴,纵向连接筋环向间 距为1. 0 m,与钢支撑之间采用焊接牢固,确保整体 的稳定性良好,加固效果如图 10 所示。 既有隧道衬 砌表面无明显开裂现象,隧道开挖爆破时不影响正 常通行。 图 10 既有隧道衬砌加固 Fig. 10 Reinforcement of existing tunnel lining 5 结论 1）将大断面转化成小断面爆破,优化施工工 序,靠近既有隧道侧导洞先行,形成隔振临空面,可 有效降低爆破振动对既有衬砌的影响,既有隧道迎 爆侧振速峰值明显大于背爆侧,约为背爆侧的 3 6 倍;因此,施工中应加强对迎爆侧的振动监测。 2）采用控制开挖循环进尺、提出合理的爆破施 工参数及掏槽结构形式、微差延时爆破等技术措施, 合理减小单段装药量,使得爆破振速控制在规范允 许范围内,且爆破效果满足光面爆破质量控制要求, 极大地提高了施工效率,可为类似近距隧道爆破施 工参数计算提供参考。 3）对既有隧道采取主动防护加固技术,增加临 时背拱,不仅提高了隧道整体稳定性,而且增加了行 人和车辆通行的安全感。 752020 年 4 月 大断面黄土隧道近距离爆破控制效果分析 赵志刚,等 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