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爆破控制在邻近既有线隧道施工技术管理

发表时间：2021/6/8 来源：《基层建设》2021年第6期作者：汪晟旭

[导读] 摘要：隧道爆破施工时会产生有害效应，即爆破时引起的振动对既有线隧道产生的有害影响，通过对既有隧道内结构位移、爆破振动，结构应力、轨道几何状态及异物侵限等进行实时监测，了解各建构筑物及设备安全性，基于爆破振动自动监测系统对监控量测和信息反馈，进行爆破参数优化设计调整，指导隧道的爆破施工。确保新建隧道爆破施工过程中营业线的安全。

        中铁一局集团第二工程有限公司
        摘要：隧道爆破施工时会产生有害效应，即爆破时引起的振动对既有线隧道产生的有害影响，通过对既有隧道内结构位移、爆破振动，结构应力、轨道几何状态及异物侵限等进行实时监测，了解各建构筑物及设备安全性，基于爆破振动自动监测系统对监控量测和信息反馈，进行爆破参数优化设计调整，指导隧道的爆破施工。确保新建隧道爆破施工过程中营业线的安全。
        关键词：控制爆破设计；方案安评论证；爆破器材选型；安全监测
        （Abstract：the harmful effect will be produced in tunnel blasting construction，that is，the harmful effect of vibration caused by blasting on existing tunnel.Through real-time monitoring of structural displacement，blasting vibration，structural stress，track geometry and foreign body invasion limit of existing tunnel，the safety of each construction structure and equipment is understood.Ensure the safety of the business line during the blasting construction of the new tunnel.）
        （Key words：Safety Evaluation of Control Blasting Design and Demonstration of Safety Monitoring Blasting Equipment Selection）
        1.工程概况
        左上金隧道位于浙江省义乌市大陈镇金都村附近，止于义乌市鹤田村附近，起讫里程为DK183+325～DK187+755（对应既有沪昆铁路营业线里程为K300+242～K304+681），隧道全长4430m，隧道最大埋深约145m，隧道衬砌内轮廓轨面以上有效面积为53.16m2。本隧道与既有沪昆铁路上金隧道并行，进口与营业线上行线距离为37.3m，出口与营业线上行线距离为37.4m，洞口段采用机械开挖，暗洞采用控制爆破开挖，开挖总方量为33.68万立方米。
        2.隧道不同地质围岩开挖控制爆破设计
        左上金隧道围岩主要为Ⅲ、Ⅳ级围岩，进出口10m采用机械开挖施工，隧道Ⅲ级围岩（全长2515m）段采用台阶法，设计距离既有线38.3m～50m上台阶每循环进尺0.6m，下台阶每循环进尺0.8m，起爆规模为20.72kg，最大单段药量2.6kg。距离既有线50m～80m上台阶每循环进尺1.0m，下台阶每循环进尺1.5m，起爆规模为39.4kg，最大单段药量5.6kg，距离既有线80m～107.5m每循环进尺1.5m，起爆规模为50kg，最大单段药量8.8kg。隧道Ⅳ级围岩段（全长1115m）采用三台阶法，距离既有线37.7m～50m范围每循环进尺0.6m，起爆规模为16.72kg，最大单段药量3.24kg；距离既有线50m～108.7m范围每循环进尺1.0m，起爆规模为29.2kg，最大单段药量3.6kg。
        2.1 隧道Ⅲ级围岩台阶法开挖爆破设计
        施工工艺流程：隧道Ⅲ级围岩全长2515m，采用台阶法，Ⅲ级围岩爆破区段与既有上金隧道距离范围为：38.3m～107.5m，每循环长进尺为1.5m；短进尺为0.6m，每次爆破规模控制在总装药量89.4kg（1.5m进尺，上台阶50kg，下台阶39.4kg）、40.48kg（0.6m进尺，上台阶20.72kg，下台阶19.76kg）以内，最大单段药量控制在8.8kg（1.5m进尺）、3.3kg（0.6m进尺）以内。爆破器材选用2#岩石乳化炸药，药卷直径为Ф32mm；雷管选用非电毫秒导爆管雷管，Ⅲ级围岩台阶法控制爆破施工如下图。

        本设计采用通常的布孔方法，掏槽孔位于断面中下位置，采用直孔掏槽。掏槽孔应超深0.2～0.3m。周边孔（包括底孔）的孔口位置距断面轮廓边线0.05～0.1m，其孔底落在轮廓边线外0.05～0.1m处。Ⅲ级围岩爆破时，上台阶和下台阶分次先后起爆。
        2.2 隧道Ⅳ级围岩三台阶法开挖爆破设计
        施工工艺流程：隧道Ⅳ级围岩全长1115m，采用三台阶法，Ⅳ级围岩段拟采用三台阶施工法施工。根据爆破振动控指标1cm/s，设计距离既有线37.7m～50m范围每循环进尺0.6m，最大单段药量3.24kg。距离既有线50m～108.7m范围每循环进尺1.0m，最大单段药量3.6kg。爆破器材选用2#岩石乳化炸药，药卷直径为Ф32mm；雷管选用非电毫秒导爆管雷管，Ⅳ级围岩台阶法控制爆破施工如下图。

        本设计采用通常的布孔方法，掏槽孔位于断面中下位置，采用直孔掏槽。掏槽孔应超深0.2～0.3m。周边孔（包括底孔）的孔口位置距断面轮廓边线0.05～0.1m，其孔底落在轮廓边线外0.05～0.1m处。Ⅳ级围岩爆破时，上台阶和下台阶分次先后起爆。
        3.控制爆破施工流程
        3.1 邻营隧道控制爆破施工要求
        根据上海局集团有限公司邻近营业线施工相关管理办法规定以及左上金隧道邻营爆破施工审查会会议纪要，左上金隧道开挖控制爆破对既有上金隧道爆破振动速度控制在1cm/s内，首次试爆期间，要在对应的最近沪昆正线封锁、邻线列车间隙条件下进行试爆作业，通过试爆小结后的爆破作业可在天窗点外进行，并尽量安排在列车运行间隔进行。
        3.2 邻营隧道控制爆破施工流程
        邻近沪昆铁路上金隧道控制爆破施工流程图

        4.邻营隧道控制爆破安全监测
        4.1 隧道构筑物爆破振速监测
        构筑物振速控制允许值参考《铁路工程爆破振动安全技术规范》（TB10313-2019），针对隧道、桥梁、路基和接触网等防护对象给出了安全允许标准，如表6所示，图纸设计值为2cm/s，经过安全评估论证，考虑沪昆铁路上金隧道建成通车于2006年，且隧道内病害较多，控制爆破振速允许值为≤1cm/s。
        铁路工程爆破振动安全允许标准

        4.2 控制措施
        4.2.1 爆破设计控制
        根据爆破点距离既有隧道间距、围岩情况以及构筑物位置最大允许振动速度，根据萨道夫斯基质点峰值振动速度衰减公式（见式4-1），反算出最大单段装药量，确保爆破振动速度满足要求。
                  （4-1）
        式中：
        V为质点峰值振动速度，单位为cm/s；
        R为爆源距测点距离，单位为m；
        Q为单响装药量，单位为kg；
        K是与爆区中心至计算保护对象间场地有关的系数；
        α是与爆区中心至计算保护对象间的地质条件有关的指数；
        系数K，α可按照表7或现场试验确定。
        爆区不同岩性的K、α值

        4.2.2 建立数值模型进行模拟分析
        隧道爆破振动数值分析工具采用ANSYS-LsDyna显示动力学计算分析软件，采取的计算方法是Language算法，通过建立岩体模型，在重力环境下，对开挖的隧道爆破位置施加爆破冲击荷载，通过计算得到邻近隧道的混凝土衬砌的动力响应情况。
        通过数值模拟计算，找出爆破对既有隧道的应力重分布情况，确保振速满足要求。
        4.2.3 自动化监测振速系统
        为确保沪昆线、杭长高铁正常运营，本次爆破振动自动监测系统，通过传感器线缆将测点连接至TC-4850N（或L20-N）无线网络测振仪。测振仪可以设定阈值，如若振动幅值超过所设阈值，警报将会触发，所设定的邮箱也会收到相应的邮件。测振仪通过移动通讯TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000等联网，使其能够发送邮件。TC-4850N（或L20-N）无线网络测振仪可使用可充电锂电池供电，实时监控电池电量，及时更换以保证电源不断；也可直接接220V交流电供电，具体供电形式根据现场布设条件确定。
        4.3 监测频率
        隧道监测频率

        注：1）现场监测应采用定时观测与跟踪观察相结合的方法进行；
        2）监测频率可根据监测数据变化大小进行适当调整；
        3）监测数据有突变时，监测频率应加密。
        5.结语
        采用周密的组织方法，合理的施工顺序，科学的管理方法，严谨的施工控制技术，先进的监测手段后，目前左上金隧道共爆破作业380次，所测振速最大为0.91cm/s，既有构筑物处振动速度均未超过1cm/s，满足管理要求。每次试爆结束后，杭州工务段、电务段、供电段、维管段、通信段配合人员上道对既有沪昆铁路上金隧道设备进行检查，既有设备均完好无损，对既有线运营无任何影响。
        由此可以看出左上金隧道邻营控制爆破达到了设计要求，经过监测各项控制指标达到要求的标准，可以知道其他邻近营业线隧道爆破施工，为同类工程提供了一定的基础经验。
        参考文献：
        [1]新建金甬铁路设计图纸等设计文件；
        [2]《中华人民共和国安全生产法》（主席令第13号）；
        [3]《爆破安全规程》（GB6722-2014）；
        [4]《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB 10313-2019）；
        [5]《中国铁路上海局集团有限公司营业线施工安全管理实施细则》（上铁运〔2019〕129号）；