姜成林
中铁十四局集团第一工程发展有限公司 山东日照 276826
摘要：文章主要是分析了隧道上方土石方开挖控制爆破技术的重要性，同时讲解了其中存在的问题，提出了可行性的解决方案，望能为有关人员提供到一定的参考和帮助。
关键字：隧道；土石开挖控制；爆破技术
1、前言
土石方开挖爆破工程紧邻铁路线隧道上方，其爆破振动效应将直接对隧道稳定产生影响。为确保隧道安全，施工前进行了现场爆破试验。同时，对试验中采取的不同参数条件下的爆破振动效应进行了测试，并依据测试结果对土石方开挖爆破振动效应进行了分析；最后，依据爆破试验与綜合分析結果，为控制孔深和最大单段药量，提出了有效的爆破技术方案，取得了良好的爆破施工效果。
2、公路与既有线平面关系
呈贡42号路（黄马高速呈贡南立交连接线）施工总承包项目上跨南昆客专部分路基石方爆破工程，本项目路线采用整体式路基方式与南昆客专交叉，交叉点桩号为42号路主线以路堑的形式（中心挖方34.96m）上跨南昆客专新莲隧道（设计高差83.175m），主线设计标高距隧道拱顶设计高差为73.7m。
图1:设计公路与既有隧道位置关系图
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3、技术标准
根据《铁路安全管理条例》（国务院令第639号）要求：第四章第三十四条，在铁路线路路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起向外各1000m范围内，以及在铁路隧道上方中心线两侧各1000m范围内，确需从事露天采矿、采石或者爆破作业的，应当与铁路运输企业协商一致，依照有关法律法规的规定报县级以上地方人民政府有关部门批准，采取安全防护措施后方可进行。对爆破1公里范围内的铁路设备设施联系铁路单位进行全面联合排查确认。并对爆破施工对铁路设备设施进行安全评估。
在爆破开挖施工过程中，受爆破地震波的作用，邻近建筑及地下管线会产生动力响应，对于在铁路1000m范围内的爆破工程，应当要分析爆破施工对既有铁路产生的影响以确保既有铁路的运营安全。
拟建呈贡42号路路堑开挖采用爆破法施工，对于爆破振动的影响，主要考虑爆破对南昆客专新莲隧道产生的振动，通过控制钻孔深度和试爆、施工总结的合理的孔网参数、减小爆破规模、采用数码电子雷管逐孔起爆等措施来实现。
为了确保爆区周围人和物的安全，必须将爆破地震的危害严格地控制在允许范围之内。对此，主要采取以下方法控制爆破震动危害采用深孔松动控制爆破，合理布置爆破连接、起爆网路。选用低威力、低爆速的炸药。选用适当的装药结构。实践证明，装药结构对爆破地震效应有明显的影响，装药越分散，地震效应越小。工程实践中，为降低爆破震动通常采用以下几种装药结构:不耦合装药，空气间隔装药，孔底为空气垫层的装药结构。
采用微差爆破技术。微差爆破以毫秒级的时间间隔分批起爆装药，大量的试验硏究表明，在总装药量和其他爆破条件相同的情况下，微差爆破的振速比齐发爆破可降低40％-60％。
采用预裂爆破或开挖减振沟。预裂爆破和开挖减振沟都是使地震波达到裂隙面或沟道时发生反射，以减少透射到被保护物的地震波能量。调整爆破工程传爆方向，以改变与被保护物的方位关系。充分利用地形地质条件，如河流、深沟、渠道、断层等，其都有显著的隔震减震作用。
根据《爆破安全规程》（GB6722-2014）、《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB10313-2019），结合《昆明市呈贡42号路（黄马高速呈贡南立交连接线）上跨昆玉河、南昆客专部分施工图设计涉及铁路隧道安全内容评估报告》（中交铁道设计研究总院有限公司，2019年8月）的评估结论及建议，将爆破振动对南昆客专新莲隧道的最大振速按2cm/s进行控制。隧道振动速度80%作为报警值，具体振速控制指标如下：
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本项目与隧道交叉点处距离已运营的既有铁路隧道拱顶73.7m，由于炸药的爆破产生震动，对既有营运隧道的结构影响较大，并且使得既有隧道比静力状态下更容易遭到破坏。所以如何将爆破对既有隧道结构、围岩的影响减小到最低限度是本专项方案的关键和核心内容。
因此，必须采取控制爆破开挖，结合设计要求，评估报告等，本次爆破设计对既有隧道表面质点振动速度按不超过2cm/s进行设计和施工控制。
4、监控措施
(1)在拟建道路中心线距离爆破中心70m位置左右两侧设置测振地面监测点；
(2)试爆次数根据第一次第三方监测单位的振速进行确定，若远小于控制值2cm/s，则只进行一次，若接近控制值可适当增加试爆、监测次数。
(3)试爆时根据确定的爆破方案、单次最大装药量、起爆顺序在敏感控制点对振速进行监测，进而确定爆破参数的合理性。
(4)试爆施工时由第三方监测单位负责采集数据，若出现监测振速小于报警振速可在保证安全前提下优化爆破设计参数；若出现监测振速大于报警振速时，立即停止作业，由第三方监测公司向工管公司进行报告，以便施工单位及时调整和优化爆破参数。
(5)在减小单次起爆用药量的同时加大控制爆破范围，以确保隧道结构和铁路运输的绝对安全。根据试爆监测结果和试爆后对隧道结构安全状况检测无异常后，施工单位可按爆破方案进行后续正常爆破。
5、施工方式及流程
根据本次爆破区域周边重要构建物保护要求，结合爆破区域周边地形环境、地质条件、人员和机械的配套情况，在不违背延时爆破作用原理的前提下，须做到既确保安全，又有较高的工效，严格控制爆破振动和爆破个别飞散物产生的影响，经过对浅孔爆破法和深孔台阶爆破法比较，深孔台阶爆破法有劳动生产率高、人工劳动强度小、成孔速度快、施钻精准、能够满足高强度开挖要求等优点，同时，采用深孔延时弱松动控制爆破技术和电子数码雷管逐孔起爆技术，能够将爆破振动控制在允许范围，并可减少爆破作业循环，提高劳动生产率，缩短工期。因此主爆区采用深孔延时弱松动控制爆破技术，原则为“密打眼、少装药、多循环、台阶延时弱松动控制爆破”、电子数码雷管延时逐孔起爆、边坡预裂控制爆破方案；为有效保证爆破区域填塞段的大块率，选择交错不同排之间间隔装药，提高装药高度，加大表层岩石破碎。
6、钻爆施工工艺选择
爆破设计→开挖范围大面找平→清面→技术员对钻爆作业人员技术交底→测量放线→布孔→钻孔→清孔→炮孔保护→炮孔质量检查→装药→网路连接→网路检查→起爆→出渣→爆破效果分析→优化钻爆参数→下一循环。
7、爆破器材选择
（1）炸药选择：在本次爆破中，爆破区域主要岩石为石灰岩，为中硬度岩石，爆破时需选择爆速、猛度较为匹配的2号岩石乳化炸药。炸药药卷直径选择70mm。
（2）起爆器材选择
①电子数码雷管
电子数码雷管在安全性、降震性、便捷性方面有着其他起爆雷管不可比拟的优势，在国家大力推广数码电子雷管的大背景下，并且随着电子数码雷管推进使用的时间和使用数量的要求，该项目的露天爆破建议使用数码电子雷管作为首选的起爆器材，实现高精度的、可控的逐孔起爆网络，达到控制爆破振动的目的。
②普通导爆管毫秒雷管
③导爆索
8、路基开挖爆破参数
根据路堑设计开挖的断面及边坡控制情况，按照一次爆破最大单响药量36kg、单次爆破规模500kg进行控制爆破设计。该段位于收费站、匝道加宽与主线的过渡段，上跨南昆客专新莲隧道（设计高差83.175m），主线设计标高距隧道拱顶设计高差为73.7m。每8米一个台阶，并设2米宽的平台。具体方法为风化层和松软岩地段的边坡用人工配合挖掘机清刷，软石和次坚石地段用预留光爆层实施光面爆破或预裂爆破；石方装车用挖掘机，运输用载重自卸汽车。
9、总体施工方案
边坡开挖要求严格按照从上至下的开挖施工顺序逐级开挖，待上级边坡锚固工程全部实施并产生加固作用后（根据实际情况可采用有效可行的临时加固或预加固工程措施）方可进行下级边坡的土石方开挖作业，逐级开挖，逐级加固，直至全部防护工程结束，确保坡体稳定和结构安全。
主线路堑挖方上跨南昆客专，为了确保将施工对铁路的影响降至最低，软石开挖可采用挖掘机先钩松，必要时辅以松动爆破。对于硬质岩石石方应采用光面、预裂爆破，要求配备可锁定炮眼倾角的潜孔钻，以尽量减少或避免爆破施工对岩体结构的破坏作用和影响，同时控制坡面平整度以满足施工规范要求。
爆破的主体方案采用深孔延时弱松动控制爆破技术，原则为“密打眼、少装药、多循环、台阶延时弱松动控制爆破”、电子数码雷管延时逐孔起爆、边坡预裂控制爆破方案。
对于开挖范围大面找平、路基保护层开挖及小范围欠挖修整，辅以浅孔台阶光面控制爆破。
10、路堑开挖爆破参数选择
（1）中深孔台阶爆破参数选择
经过综合比较和考虑，本爆破部位炮孔孔径D取90mm。台阶高度H=6-8米为宜，形成的最终台阶高度为8m。
图2:路堑开挖边坡及台阶示意图
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（2）钻孔超深h
根据工程实践经验，一般采用台阶底盘抵抗线W1或炮孔直径d经验公式计算。
即利用公式h=（0.15～0.35）W1或h=（8～12）d进行计算。根据本工程的实际情况在本工程中可取h=0.5m。
（3）炮孔孔深L
炮孔孔深一般由台阶高度和钻孔超深确定，针对垂直钻孔由公式L=H+h计算，针对倾斜钻孔由公式L=H/sina+h计算(式中a为炮孔倾角)。
本次爆破中，除路堑两边边坡采取倾斜孔外，其余主爆区炮孔均选择采取垂直炮孔。倾斜炮孔倾斜角与路堑最终边坡倾斜角接近同角度52o。然而钻孔角度越小时钻孔效率越低、钻孔成本越高，钻孔的平整度也越低。本次爆破边坡倾斜炮孔钻孔综合考虑钻孔设备及钻孔效率、成本等，选择钻孔的角度为55o-60o。
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（4）底盘抵抗线W1
底盘抵抗线W1指的是台阶坡脚至第一排炮孔的最短距离，底盘抵抗线过大会造成残留根底多，大块率高；过小则会浪费炸药和增加钻孔工作量，同时增加爆破飞石及噪音等有害效应。通常我们采用孔径公式W1=k·d计算。
式中k——系数，一般取25～45。
也可采用每孔装药条件计算公式（巴隆公式）进行验算：
W1=D·√7.85△τ/(mq)
式中：D——炮孔直径，dm(分米)；
△——装药密度，kg/m3；
τ——装药长度系数，一般取τ=0.35～0.65；
q——单位炸药消耗量，kg/m3；
m——炮孔密集系数，通常大于1。
根据上式计算，底盘抵抗线W1一般应选择在2-4m之间，结合本工程实际和药量计算公式验算，选择主爆区底盘抵抗线W1=3.2m左右。
（5）炮孔孔距α
一般采用公式α= m W1计算，炮孔密集系数m选择为1.1。
故本次爆破炮孔孔距选取为：a=3.5m。
（6）炮孔排距b
炮孔排距b指多排炮孔爆破，相邻两排炮孔间的距离，同时它与孔网参数和起爆顺序有关。在给定孔径和单孔负担面积时，由公式b=（S/m）1/2进行计算。在通常情况下，排距b往往等于最小抵抗线W，或者按经验公式为0.8倍孔距。
故本次爆破炮孔排距选取为：b=2.5-2.8m。
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（7）堵塞长度L'
堵塞长度一般由炮孔直径公式计算，即L'=（20～30）d；也可由底盘抵抗线公式L'=（0.7～1.0）W1进行计算。
故本次爆破炮孔堵塞长度选取为：L'=2.5-3m。
（8）单位炸药消耗量q
单位炸药消耗量q一般根据爆破块度尺寸、岩石坚固性、爆破地质条件、自由面条件、炸药种类和施工技术等因素综合确定，设计时参考同类工程经验值进行选取，在施工过程中在进行适量调整。
本次爆破区域岩石主要为石灰岩，岩石属中硬岩，根据岩石坚固性系数，我们暂定单位炸药消耗量为0.35kg/m3。爆破施工前在现场进行爆破实验，并根据爆破效果可对本设计单耗进行适当的调整优化。
（9）最大装药量计算
按8米台阶计算的单孔最大装药量Q1
第一排孔的单孔装药量计算公式按Q1＝q·a·W1·H公式计算,即前排孔药量为：
Q1＝0.35×3.5×3.2×8＝31kg。
考虑前排临空面充分和应增加堵塞长度，故实际装药量可选取为30kg。
在本工程中，为降低爆破震动，保证安全，我们采取数码电子雷管微差延时逐孔起爆，故主爆区（除预裂孔外）最大单响起爆药量为：
Q总＝Q1＝30kg。
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11、边坡预裂控制爆破参数设计
预裂爆破或光面爆破都能够保证开挖面与设计轮廓线一致，超欠挖量小，减少支护投入，降低工程造价，岩面平整，应力分散，减小安全隐患，提高边坡工程质量的效果。但预裂爆破形成的预裂缝隙能对爆破地震波形成反射，即能减小爆破主爆区后方爆破振动的传播，又能阻碍岩石裂隙向保护边坡的传播，进而减小爆破后冲效应的影响，保证边坡稳定，因而本爆破中为有效控制爆破振动，选择使用预裂爆破。
预裂爆破炮孔沿设计开挖界面布置，炮孔倾角与设计边坡坡度一致，炮孔孔底设在同一平面上。
（1）预裂炮孔倾斜角
炮孔倾斜角与路堑最终边坡倾斜角接近同角度52o。然而钻孔角度越小时钻孔效率越低、钻孔成本越高，钻孔的平整度和质量也越低。本次爆破边坡倾斜炮孔钻孔综合考虑钻孔设备及钻孔效率、成本等，选择钻孔角度为55o-60o，并且炮孔底部略微偏向于开挖边坡面，能较为有效的克服底部的夹制作用。
（2）一次开挖层深度（梯段高度）
该工程路堑中心挖方34.96米，需分层开挖，上下层间设2米宽平台。根据钻孔设备及钻孔效率、施工难易程度和质量控制要求等，选择一次开挖层深度为6-8米，分4-5个梯段开挖，路基基部留2-2.5米保护层。保护层开挖爆破采取“浅眼、小药量、多段位、强堵塞、弱松动的控制爆破”，控制基部超挖、欠挖和爆破振动。
（3）炮孔直径D
主爆破区炮孔直径为90mm，其它边角、零星区域辅以小直径炮孔进行爆破修整。
（4）炮孔超深L
预裂炮孔较主爆区炮孔超深1.5米，则预裂炮孔深度为：
L=H/sina+h
即：梯段高度6米，预裂炮孔深度为7.9米；梯段高度8米，预裂炮孔深度为10米。
（5）预裂爆破孔网参数：
参照下列公式计算，并通过施工验证调整优化。
①最小抵抗线：W裂=Kd
式中，K为计算系数，在15-25之间取值，软岩取大值，硬岩取小值，本工程取20，则最小抵抗线为1.8米。
②孔距a：a=mW裂
式中，m为比例系数，在0.6-0.8之间取值，软岩取大值，硬岩取小值，本工程取0.6，则孔距为0.9~1.0米。
③预裂炮孔与相邻主炮孔的距离根据经验取1.5-2.0米。
根据情况，预裂炮孔与相邻主炮孔间距离过大时，在预裂炮孔与相邻主炮孔间加一排2.5-3米深的垂直孔来加强岩石破碎。
（6）预裂爆破炮孔的线装药密度q裂和炮孔装药量Q裂：
参考类似工程数据，结合现场勘查情况，取线装药密度q裂为450g/m，则炮孔装药量Q裂为：
梯段高度6米，预裂炮孔装药量为2.7kg/孔；
梯段高度8米，预裂炮孔装药量为3.6kg/孔。
为有效克服炮孔底部岩石的夹制作用，采取底部加强装药结构。
（7）预裂炮孔向两端的延伸长度：取主爆区炮孔的排间距，即2.5-3.0米。
（8）每循环预裂爆破炮孔数和段起爆药量：
①每循环预裂爆破炮孔数：根据主爆区炮孔情况布置。
②每循环预裂爆破段起爆药量：若预裂炮孔数目多，一次起爆段装药量大，则采取将预裂炮孔实行分段起爆方式(8~10孔一组，组间延时9~15ms)或逐孔起爆（用电子数码雷管），严格控制段起爆药量不超过36kg，确保新莲隧道运营安全。
梯段高度6米，预裂炮孔最大段装药量为27kg；
梯段高度8米，预裂炮孔最大段装药量控制值为36kg。
（9）预裂炮孔的爆破网路设计：本工程的预裂爆破炮孔与主炮孔设计在同一爆破网络中起爆。使用数码电子雷管将主爆区炮孔与预裂爆破炮孔网路并联形成预裂爆破炮孔超前主炮孔起爆时间80-120ms的爆破网络（主爆区炮孔逐孔起爆，预裂爆破炮孔组间延时顺序起爆）用数码电子雷管专用起爆器起爆爆破网路。
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12、装药结构及起爆网络设计
路堑开挖爆破孔位按其区域主要分为以下两种：
（1）主爆区
主爆区炮孔按设计的孔网参数布置，并确保施工质量达到要求。装药结构有两种：①连续不耦合装药结构，如下图图中从右边数第一个、第三个、第五个炮孔；②间断不耦合装药结构，如下图图中从右边数第二个、第四个炮孔，其装药被间隔物分成两段，其主要目的为提高装药高度，减少炮孔表层大块率。
主爆区孔内所有药包均由数码电子雷管引爆，延时时间按照孔间3～8ms每米抵抗线，排间8～15ms抵抗线选取。
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（2预裂区
预裂孔位于主爆区与开挖边界处，其主要目的为超前主爆区75ms以上爆破，装药量少，炮孔底部略加强装药，其能形成预裂缝隙，阻止主爆区裂缝向边坡保护层发展，保证边坡稳定。
装药结构为直径药卷间断30-50cm，均匀捆绑于竹条、导爆索上，竹条等用于捆绑固定药卷位置，导爆索起到引爆的作用。孔内导爆索由起爆雷管联接导爆索引爆，孔外由非电毫秒1段导爆管雷管串联连接。
图6:预裂孔间断不耦合装药结构
(3)爆破规模控制
本项目分两个控制爆破开挖班组及两个机械凿岩班组进行开挖作业施工，根据工程进度要求组织爆破作业循环，在K0+020～K0+040段和K0+140～K0+200段采用控制爆破，每次爆破规模控制使用炸药500kg，则6米孔约30～40个，8米台阶孔约20～30个。
图7:数码电子雷管逐孔起爆爆破网络联接示意图
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13、试爆爆破参数选择
根据现场踏勘和对已知资料的理解，机具及人员进场后在拟开挖段，利用已形成的有利地形进行试爆并进行爆破振动观测，修正钻爆作业参数。
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14、结束语
由上可知，充分的了解和掌握到隧道土石开挖控制爆破技术有着十分重要的作用，有关人员应当全面了解到会影响到其的主要因素，不断探索出科学合理的解决方案，才能有效确保到隧道工程施工的安全稳定性。
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