山西大同山隧道爆破设计与施工

山西大同山隧道爆破设计与施工

平山隧道是山西省大同至三山旅游道路上唯一的隧道。隧道始建于1969年,由于受到当时条件的限制,洞内只对Ⅲ类围岩进行了衬砌,而70%的为裸露围岩,洞内渗水严重,无排水、通风、照明设施,因隧道现有状况严重阻碍了旅游业的发展,所以亟待改建。隧道全长552m,为山岭重丘区二级公路二车道隧道,设计宽度8.5m,净高5m。隧道大地构造位置位于北岳恒山大断裂南侧400m。隧道洞身距恒山水库大坝70m,距国家级重点文物保护对象已有1500年历史的悬空寺也仅有100m,且洞身右侧为悬崖峭壁,壁边又有多处危石,崖底是水库库区和悬空寺管理场所,所以爆破对于恒山隧道的施工成了重中之重。1研制保护、爆破方案项目部成立以项目经理为组长的文物、环境保护领导小组,针对施工现场的特殊性,制定出切实可行的保护方案以及对恒山水库、悬空寺震动影响的监测及炮点药量控制方案,在开工前应会同恒山水库管理局及山西地震震害研究所共同研制保护措施、爆破方案。在隧道洞内及山体多处进行地震及地形变化的监控量测,责成专人每天负责观察并记录变化数据,分成各相关部门的纵横上、下的联防网络,以确保施工期间大坝及悬空寺的安全不受影响。2监测仪器设备应根据国家规定,聘请专职人员进行检测,并配备相应的仪器设备:监测仪器使用中国科学院武汉岩土力学研究所生产的RSM-16HE动测仪,记录仪使用笔记本电脑,传感器为中国地震局哈尔滨工程学院研究所生产的891-Ⅱ型拾震器。3监测方法在实施爆破之前,首先要进行多次地震效应的监测和实验,以确保恒山水库大坝和悬空寺的安全性。3.1爆破后局部震动用同类型号的传感器分别布设于爆破点不同距离的观测点,记录采集爆破时产生的震动时程波形曲线,在时域分析处理中,可求得不同距离的震动量,即质点震动速度。3.2离炮点爆破的确定根据爆破实验所确定的不同距离的振动速度,结合爆破点(隧道)与恒山水库、悬空寺的实际距离,计算出微差爆破时最大一段的炸药量,以确定恒山水库大坝、悬空寺的安全性。该隧道开挖爆破属既有隧道扩建,爆破时不需要掏槽眼,其爆破震动比相同断面和地质的新建隧道要小得多,这给水库大坝和悬空寺文物保护带来了先天优势。因此在弱爆破的前提下,尽可能多用人工或机械开挖。3.3确定爆破时炮点点最大炮点的爆破量在实施爆破之前,首先取得恒山水库大坝、悬空寺未受爆破影响的自振周期和频率,然后根据爆破实验结果,确定实施爆破时炮点最大炸药量。对恒山水库大坝、悬空寺进行不同距离的地震效应,根据测试记录系统对采集的震动时程波形曲线进行时域处理,求得质点震动速度,给出恒山水库大坝、悬空寺的安全距离,以确保其不受损坏。3.4爆破频率的确定1)根据爆破方法、药量、距离、地质状况等因素,确定爆破最大振幅、频率,使其满足安全保护所要求的数据;2)监测爆破时地面的震动影响,宜在铅垂方向及相正交两个水平方向(其中一方向为爆破点方向)上同时测定;3)监测爆破震动值的空间衰减情况时,至少应设3个测点。4爆破材料的起爆在施工工艺上采用弱爆破的方式:短进尺、密布眼、少装药,以减弱爆破时对山体与大坝的震动,同时在爆破材料上采取的措施为:1)采用毫秒雷管微差顺序起爆,采取周边眼同段雷管起爆时差,边爆破边产生临空面,尽可能减少起爆震动威力;2)周边眼宜用小直径药卷(=20mm);3)采用低爆速炸药,优先使用3号岩石硝铵炸药及其2号岩石硝铵炸药。5悬空寺地震影响实验与监测计划5.1最大爆破药量确定通过对恒山隧道实验爆破的爆破震动效应研究,得出该地区爆破地震安全距离公式中的场地系数和衰减系数,最终给出隧道各爆破点的最大爆破药量。由于该工程地形、地质条件比较复杂,爆破震动效应可能存在异常情况,因此有必要对日后正常爆破作业进行实地监测,并根据监测结果及时调整爆破作业方案。5.2悬空寺地面振动的速度确定古建筑大部分修筑年代较长,尤其是悬空寺距今已有1500年的历史,抗震能力很差,很难与现在的建筑物比较,因此不好参照其它建筑物或构造物的安全标准。由此可见,确定悬空寺地面质点的安全震动速度对本次工作来说是比较重要的。为了合理地确定悬空寺地面质点的安全震动速度,拟采用历史地震法和实际测试法进行综合确定。1)历史地震法。有地震监测以来,悬空寺遭遇了1989年大同～阳高6.1级地震,1991年大同～阳高5.8级地震,1999年大同～阳高5.5级地震,以及1999年应县4.3级地震,这四次地震对悬空寺的影响烈度均在4度以上,但都未对悬空寺造成任何破坏,因此认为4度影响爆破不会对悬空寺造成任何破坏,但考虑到多次爆破作用的累计效应,安全标准降为3度较为合适。2)实际测试法。通过对多次爆破效应进行测试以及对悬空寺的客观调查,找到一个安全的速度值。综合分析两种方法的结果,最终确定悬空寺地面质点的安全震动速度。6实验及监测速度测试由于本次确定悬空寺地面质点的安全震动物理量及速度,因此在实验及监测过程中测试物理量及地面质点震动速度,测试三个方向,即横向、径向和竖向。6.1爆破安全实验首先根据爆破安全规程中8.2.2条爆破安全距离表2给出的典型场地系数以及前面确定的悬空寺地面质点震动的安全速度计算出不同距离的实验药量。考虑到与后爆破作业条件的一致性,拟定在隧道两头进行爆破实验。除按计算得到的药量进行两次实验外,还对隧道两头按理论计算的1/3药量、1/2药量计算,总共实验6次。每次实验共布设三个测点,各测点与爆破源的距离按指数衰减关系,以保证6次实验18个测点均匀分布在衰减曲线上。6.2隧道爆破质量分析在悬空寺距离爆破源最近的古建筑地面布设一个测点,用来监测隧道施工中每次爆破对悬空寺的震动效应,并根据监测结果与宏观调查及时调整爆破方案。7隧道开挖爆破前排除危石恒山隧道进口右侧上方10m处有块岩石直立开裂,与山体分离严重。裂缝长约8m～10m,裂缝下部宽约3cm～5cm,上部宽约20cm,一旦施爆,引起危石下落,将危及到右下方高压电杆、悬空寺管理局办公服务区及来往游客,故在隧道开挖爆破前须排除此危石。以下为具体处理措施:7.1喷注建立了粘结剂1)岩石裂口内用高标号砂浆填塞,裂缝用高标号砂浆喷注,砂浆配比应添加粘稠剂;2)危石两侧垂直方向上各打3排～4排锚杆,用U型钢筋(型钢)把危石箍住,两头与锚杆焊接,必要时用锚索代替锚杆进行围箍。7.2钢筋网连焊保护网在危石下方打上几排短钢轨,短钢轨用钢筋网连焊形