浅埋硬岩隧道下穿既有高速公路及天桥的阶梯式控制爆破施工工法

浅埋硬岩隧道下穿既有高速公路及天桥的阶梯式控制爆破施工工法1.前言随着我国隧道工程施工比例的加大，与既有高速、结构物相交的情况时有发生，目前多采用机械开挖的方式进行掌子面掘进，但此方法一般适用于城市地铁或软弱围岩地层施工，如遇到硬岩、大断面隧道时，此方法工效极低，此时就需要在洞内进行控制爆破的方式进行开挖作业，但现有施工方法多用于城市地铁施工，其断面较小，围岩一般较差，无法直接应用于高速铁路在硬岩隧道中的洞身开挖。在这种情况下，提出一种可适用于大断面硬岩隧道开挖的控制爆破施工方法迫在眉睫。2.工法特点本次硬岩隧道下穿既有高速及其天桥的控制爆破方法目的在于提供一种适用于隧道下穿既有线路或结构物（上跨区段施工原理一致，不做重复计算）的大断面硬岩低振速的阶梯式装药及其起爆的施工工艺，用以解决下穿既有结构物时机械开挖难度大，常规爆破方式振速控制难、控制爆破开挖轮廓线欠挖的问题。采用本工法施工根据隧道全断面埋深的变化进行逐孔炸药量动态调整，以求达到单次起爆无欠挖的作业效果。也可以通过调整逐孔装药量，减小多个孔位爆破振动波的叠加，从而降低传递到地表结构物的振速，通过理论计算可以提前进行爆破振速的预测，提前发现风险再次调整逐孔装药量及毫秒延迟梯度。本工法可以解决硬岩隧道在浅埋条件下下穿既有结构物时振速、振动频率保护不当的问题。采用本工法有以下几方面特点：2.1预估风险“浅埋硬岩隧道下穿既有高速公路及天桥的阶梯式控制爆破施工工法”，采用理论计算地震波的方式，动态调整单孔装药量，预先发现风险源，将爆破开挖的风险降低。2.2高安全性在动态调整过程中，爆破效果逐渐理想，通过下穿高速及天桥段80m的开挖作业积累经验，基本消除掌子面严重掏心的问题。由于周边眼药量进行了阶梯式计算，拱顶围岩一般弱于拱脚围岩，传统爆破方式中周边眼药量无精确计算，一般进行统一取值，而采用阶梯式控制爆破可以精确计算不同埋深的周边眼装药量，可以良好的控制超挖情况，轮廓线欠挖基本消除，超挖量控制在5～10cm（该段硬岩隧道设计标准为15-17cm），减少了修欠的时间，缩短围岩裸露无支护的时长，同时上方结构物爆破振动速度经过监测均小于2cm/s，地面结构物沉降小于10mm，保证了能够安全开挖通过下穿段。2.3高效性“浅埋硬岩隧道下穿既有高速公路及天桥的阶梯式控制爆破施工工法”依托于控制爆破理论，其理论进尺可达到1.2～1.5m/d，振速最大值为1.8cm/s，对比机械开挖的0.6m/d在进尺速度方面提高了100%～150%，对比普通矿山法爆破振速降低了300%以上。3.适用范围本工法适用于下穿既有线路或结构物，对沉降标准要求极高的长距离硬岩隧道爆破开挖施工。4.工艺原理通过现场实测爆破漏斗半径r，结合爆破作用指数公式对围岩抵抗线W进行修正，使其比值为1.0，这样可以通过标准抛掷爆破漏斗模型来确定断面最小抵抗矩W，进而通过经验公式推导出炸药线装药密度q。结合萨道夫斯基公式对围岩岩性K、α值的修正，计算出隧道下穿结构物埋深最小处装药量，并根据不同位置炮眼的种类和布置形式，进行动态修正单孔装药量，进行“阶梯式装药”及“阶梯式雷管编码”，以达到应力波波峰不再互相叠加，同时可以满足隧道开挖进尺的需要。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程图5.1-1施工工艺流程图5.2施工操作要点5.2.1施工准备在隧道掌子面处，取岩石进行物理参数分析，确定围岩单轴极限抗压强度R=110MPa，将改参数作为后续计算中的常量同时根据公式查表获得相应的计算参数。进行一次试爆，找出标准抛掷爆破漏斗形的炮坑，测量其半径r=0.4m。5.2.2公式计算阶梯装药量首先根据爆破作用指数公式可得式中：r——标准抛掷爆破漏斗半径，m；W——最小抵抗线，m；由试爆可得出结果，W=0.4m。同时为达到控制振速的效果，对辅助孔及周边孔采用松动爆破漏斗模型，即n≤0.75，设辅助孔及周边孔的最小抵抗线W=0.6m，以备后期计算使用。其次根据条形药包药量计算公式式中：Q——条形药包装药量，kg；L——条形药包长度，m；q——炸药线装药密度，kg/m；K——单位用药量，kg/m3；W——最小抵抗线，m；fc(n)——中国铁道科学研究院建议取值为查表可得K=1.4kg/m3，由此可以计算出炸药线装药密度q=0.224kg/m。具备一定的理论计算结果后，将隧道断面按埋深进行阶梯划分，划分示意图如下：图5.2-1装药梯度划分示意图根据各梯度对应的埋深，结合萨道夫斯基公式以及修正后的岩性K=200，α=1.8，计算各梯度装药量：——爆破振速，cm/s，本案控制为2cm/s；——围岩岩性修正值，本案K=200，α=1.8；——最大单响装药量，kg；——爆破点距结构物距离（本案取埋深），m根据公式计算不同埋深最大装药量Q取值如下表：表5.2.2-1不同埋深最大装药量阶梯表序号埋深（m）最大单孔装药量（kg）最大孔深（m）备注18.70.3051.3629.30.3731.67311.10.6342.83412.20.8433.76513.81.2205.45614.61.4456.45715.41.6957.57围岩强度高，经过物理性能试验后确定为花岗岩，节理不发育，无裂隙水，因此考虑单次进尺1.2m，各个阶梯的最大孔深均可满足进尺标准，结合前文得出的炸药线装药密度q值，排布控制爆破炮孔及其单孔装药量如下图：图5.2-2炮眼打设断面图图5.2-3炮眼打设平面图本施工工法采用楔形掏槽进行爆破，楔形掏槽的关键施工要点如下：楔形掏槽孔倾斜角度(掏槽角)与岩性和隧道断面有关，本工法中采用三排掏槽眼，角度为45°、50°、60°,上下排距为40cm；大断面隧道采用楔形掏槽时，适当加大了第一级掏槽孔之间的水平距离，缩小掏槽角；楔形掏槽炮孔深度均不超过2m，每孔装药不超过4节；炮孔口采用专用炮泥填塞，填塞长度为40cm；楔形掏槽使用毫秒延时爆破，每级掏槽孔尽量同时起爆。装药理论计算至此完成，现场施工过程中参照此图进行炸药、雷管的安装组网。5.2.3爆破过程爆破前根据5.2.2计算的炮孔间距、深度对掌子面进行放样，将炮孔位置标注清晰。炸药雷管进场后，由专业持证人员对照每日的爆破设计图进行雷管延迟设定，为防止设置错误，现场至少配备3名持证爆破员，分别扫码设置掏槽眼（含底板眼）、辅助眼和周边眼的雷管。本工法适用于硬岩、中硬岩等岩石完整性较好的岩体，有利于爆破轮廓线的形成。爆破前对计算炮孔位置进行测量放样，标注好炮孔点位，同时派有执业资格的技术人员对炮孔深度、角度、单孔装药量以及雷管延迟编码进行逐一核查，下穿既有高速公路时，相对传统方法减小了爆破抵抗线数值，减小了线装药密度，对围岩扰动也较小，有利于光面形成。施工控制要点如下：为适用硬岩断面开挖，选择低密度、低爆速的专用光面爆破炸药；采用不耦合装药，不耦合系数在1.25≤D≤2.0范围内；线装药密度合理，防止过大或过小；不耦合间隔装药采用起爆线连接，防止装药太集中，确保填塞质量；采用齐发爆破，因需要控制振速，齐发数量不小于5发，大段位雷管延时时间设置为10ms。雷管延迟设置时遵照“精细爆破”的理念,定量化、精细化设计雷管延迟数，在装药组网过程中增加雷管分段数，将传统的雷管起爆延迟50ms调整为10ms，同时组网为同一序列的雷管之间延迟设置为2ms，以达到事实上的阶梯式逐孔爆破。此方法施工中，最大单响药量不超过1.2kg，较同断面近似围岩强度的传统隧道掘进爆破减少88%以上，此种阶梯式控制爆破方法可以减少同时起爆的炸药量，降低应力波的波峰叠加，并通过地表振速监测设备进行振速、频率的分析，具体控制爆破参数如下表：表5.2.3-1下穿既有高速及其天桥控制爆破参数表序号炮孔名称大段位延迟（ms）炮眼数量（个）炮孔深度（m）单孔装药量（kg）总药量（kg）备注1掏槽眼110121.2~20.67.22掏槽眼21081.2~20.7563掏槽眼31081.2~20.97.24掏槽眼41061.2~21.056.35辅助眼110121.50.67.26辅助眼210121.50.67.27辅助眼3（边墙）10121.50.67.2共同组网8辅助眼3（拱顶）1081.50.453.69辅助眼4（边墙）10141.50.68.4共同组网10辅助眼4（拱顶）10131.50.33.911辅助眼5（边墙）10141.50.68.4共同组网12辅助眼5（拱顶）10181.50.35.413辅助眼6（边墙）10161.50.69.6共同组网14辅助眼6（拱顶）10261.50.37.815周边眼（边墙）10221.60.613.2共同组网16周边眼（拱顶）10381.60.259.517底板眼11061.61.056.3与掏槽眼1组网18底板眼21081.61.058.4与辅助眼2组网19底板眼31041.61.054.2与周边眼组网20合计/257//137本工程爆破开挖各炮孔起爆顺序为：掏槽眼→辅助眼→周边眼，底板眼起爆随其对应竖向辅助眼同时进行，由里向外逐层起爆。为了保证后起爆的网路不被先起爆的炸断，采用孔内数码雷管组成起爆网路，确保网路安全。5.2.4振速评估表5.2-4-1爆破振动安全允许标准序号保护对象类别安全允许振速/cm·s-1＜10Hz10～50Hz50～100Hz1土窑洞、土坯房、毛石房屋0.5～1.00.7～1.21.1～1.52一般砖房、非抗振的大型砖块建筑物2.0～2.52.3～2.82.7～3.03钢筋混凝土结构房屋3.0～4.03.5～4.54.2～5.04一般古建筑与古迹0.1～0.30.2～0.40.3～0.55水工隧道7～156交通隧道10～207矿山巷道15～308水电站及发电中心控制室设备0.5查阅表5.2.4-1中规定的安全允许振速指标，对高速公路取值一般参照第二项标准，结合埋深、地质等因素，综合考虑之下，取振速为限值进行振速分析。爆破前安排专业人员，携带TC-4850-3型爆破测振仪进入结构物受影响界内，通过RTK放样确定隧道掌子面正上方位置，将仪器粘贴于结构物表面，其测振单元的X、Y轴分别对应应力波的横纵波，起爆前通过无线对讲进行洞内外联络，测振后实时读取数据并记录，对其波形以及数值进行软件拆解分析，针对性调整不同段位雷管起爆的炸药量。由于振速测量频次高，数据较多，本文仅列出隧道天桥墩身正下方范围内的9天测振数据，统计如下表：表5.2-4-2下穿既有高速及其天桥振动频率及振速监测实测表序号爆破时间测点半波主频（Hz）通道X（cm/s）半波主频（Hz）通道Y（cm/s）半波主频（Hz）通道Z（Hz）1高速及天桥测点234562023-05-06分析表5.2.4-1中的数据可得，振速峰值在2023年5月6日，为1.84cm/s，Z轴表示的是振动在垂直于振动方向的方向（隧道横向），该日隧道掌子面位于桥墩正下方，符合理论依据及计算结果，同时根据前文振速限值取，实测值1.84cm/s＜2cm/s，符合安全技术规范要求。5.2.5沉降观测隧道开挖安全主要体现在拱顶沉降值和地表沉降值，规范和设计图纸中对此作出了明确规定，要求如下：高速公路及其天桥累计沉降值不超过10mm；隧道初期支护极限相对位移值（U0）不超过0.2m距开挖面15.5m（一倍开挖跨度）以内，位移允许值（U1B）取0.65U0，距开挖面31m（两倍开挖跨度）以内，位移允许值（U2B）取0.9U0。实测位移值在区间内时，可正常施工，超出此范围即需要加强监控量测，必要时可以暂停施工并采取相应工程对策。测量人员采用徕卡全站仪、激光水准仪对隧道洞内、地表及天桥进行沉降观测，在下穿段施工完毕后，累计沉降数值如下表：表5.2-5-1下穿既有高速及其天桥段洞内及地表沉降观测表序号测点编号初始值（m）本次测量数值（m）累计沉降量（mm）备注1地表-1104.9710104.96337.7地表高程采用激光水准仪测量，其值为相对标高2地表-2104.2374104.23621.23地表-3104.2019104.20001.94地表-4104.1212104.11832.95地表-5104.7050104.69886.26地表-6103.9434103.94112.37地表-7103.8709103.86822.78拱顶-1143.3012143.29288.49拱顶-2143.3422143.34091.310拱顶-3143.4984143.49681.6将上述表格数据与设计及技术规范要求指标进行对比，累计沉降值未超过设计及技术规范要求，符合规定，保证了施工安全，避免了下穿阶段可能发生的垮塌、开裂、不均匀沉降等易发事故，圆满完成了下穿高速及其天桥的开挖施工任务。

6.材料与设备表6-1控制爆破所用机械清单序号设备名称型号规格数量国别产地制造年份用于施工部位1RTK华测X121中国2021地表放样2挖掘机卡特CAT320DL2美国2021出渣3铲车LNG502山东2021出渣4全站仪徕卡TSP601德国2021测量放样5自卸车30T4中国2018出渣6测振仪TC-4850-31中国2022振速测量表6-2控制爆破小组人员表序号职务岗位人数分工1组长项目经理1统筹资源、协调外部2副组长项目总工1技术方案编制3副组长项目副经理1组织现场生产4组员技术员4技术方案执行5测量测量员2隧道内测量6振速监测监测员2结构物监测7合计117.质量控制7.1主要控制技术标准《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2020）；《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》(TB10753-2018)； 《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q∕CR9604-2015）；《铁路工程测量规范》（TB10101—2018）《爆破安全规程》（GB6722-2014）；7.2质量控制措施1建立健全质量体系管理机构，管理人员按职责分工做好质量管理工作。施工前由技术负责任人向全体管理人员进行技术交底。然后由技术员、施工员、测量员、质检员、及实验员严格按照施工图纸设计及规范要求制定相应的质量控制目标。每个工种、每道工序施工前组织技术交底，不交底不能施工。2炮孔打设过程中，技术人员持本日炮孔打设图表进行现场监管，纠正工人炮孔打设角度、深度以及装药组网过程中不符合方案的行为，并形成详细记录。3起爆后，立刻完成通风、排险工作，需对爆破轮廓线、掌子面里程进行3D扫描，由项目总工带领技术团队结合爆破振速进行分析，确定下一循环炮孔打设图表，并对工人完成交底。8.安全措施8.1安全控制标准《施工现场机械设备检查技术规范》

（JGJ160-2016）；《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2012）；《施工现场临时用电安全技术规程》（JGJ46-2018）；《爆破安全规程》（GB6722-2014）；8.2主要安全风险分析安全风险包括各种机械设备操作安全、机械伤害、物体打击、爆破火工品使用安全等方面。8.3保证措施1落实安全生产责任制，实施责任管理。接受当地政府、业主和工程师对安全工作的管理与指导。2建立各级人员安全生产责任制度，明确各级人员的安全责任，抓制度落实，抓责任落实，定期检查安全责任落实情况，严格奖惩制度。3爆破火工品申领、装卸、使用、退库（销毁）需要严格执行国家《爆破安全规程》相关条款，由具备执业资格的人员进行全过程的监督和记录。4实施全员承担安全生产责任，建立安全生产责任制，做到一环不漏，各职能部门，人员的安全责任做到横向到边，人人负责。5一切从事生产管理与操作人员，依照其从事的生产内容分别通过企业及施工项目经理部的安全检查，取得安全操作认可证，持证上岗。6特种作业人员，除经企业安全审查，还需按规定参加安全操作考核，取得监察部门核发的《安全操作合格证》，坚持“持证上岗”。7开展安全教育与培训，增强现场施工人员的安全生产意识，提高安全知识，减少人为失误。8做到工程技术与安全技术结合为统一体，作业按标准化实施，安全控制要有力，控制要到位，存在差距要及时消除。9施工现场的危险区域设立危险警示标志。10严禁酒后作业，严禁非司机人员开车。11每天施工前要对机械设备进行安全检查，交接班要填写安全记录，如出现安全事故，及时履行报告手续。9.环保措施9.1执行标准《中华人民共和国环境保护法》（2014年最新修订）（978-7-5093-5354-7）；《建筑施工现场环境与卫生标准》（JGJ146-2013）；《建筑施工场界噪声排放标准》（GB12523－2011）；9.2文明施工管理形象现场布局合理，环境整洁，物流有序，标识醒目，达到“一通、二无、三整齐、四清洁、五不漏”。一通：交通平整畅通，交通标志明显；二无：无头(无木材头、无钢筋头、无焊接头、无钢材头)，无底(无砂底、无碎石底、无砂浆底、无垃圾废土底)；三整齐：钢材、水泥、砂石料等材料按规格、型号、品种堆放整齐；构件堆码整齐；机械设备、车辆摆置整齐；四清洁：施工现场清洁，环境道路清洁，机具设备清洁，现场办公室，休息室、库房内外清洁；五不漏：不漏油、不漏水、不漏风、不漏气、不漏电。9.3文明施工管理制度建立创建“文明工地”领导小组，全面开展创建文明工地活动。做到：