2016-11-16 11:10:18   責任編輯：崔瑋娜

王  剛

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安，710016)

摘要：高風險黃土隧道施工中，當實際變形量超出設(shè)計預(yù)留變形量時，會導(dǎo)致初期支護侵入二次襯砌空間，當發(fā)生侵界時，必須對侵界部分噴射混凝土及拆除鋼拱架，重新施作初期支護。文章介紹了南山上隧道施工中運用微震爆破技術(shù)，成功拆除了隧道初期支護體系，運用爆破監(jiān)測及監(jiān)控量測手段，驗證了微震爆破換拱過程安全可控。運用微震爆破技術(shù)節(jié)約了成本，降低了安全風險，加快了進度，也為今后類似工程的施工提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：微震爆破技術(shù)；高風險黃土隧道；預(yù)留變形量；侵界；換拱

在隧道工程尤其是高風險黃土隧道工程施工中，經(jīng)常會發(fā)生以噴射混凝土和鋼拱架組成的初期支護體系侵入二次襯砌空間的現(xiàn)象(以下簡稱侵界)，究其原因，主要為實際沉降量大大超出設(shè)計預(yù)留變形量。一旦發(fā)生侵界現(xiàn)象，必須對侵界實體進行拆除，提升鋼拱架至設(shè)計位置，重新施作初期支護，通常采取人工用風鎬逐塊剝離的拆除方法。采取人工拆換拱方法，不僅進度緩慢，安全風險大，而且增加了成本。

鑒于此，擬在南山上隧道侵界段嘗試采用微震爆破技術(shù)進行換拱施土。采取微震爆破方法進行噴射混凝土及鋼拱架拆除，需要進行兩個方面的控制：爆破產(chǎn)生地震波不能導(dǎo)致鄰近二襯混凝土產(chǎn)生變形和裂縫、不能引發(fā)鄰近洞段的二次沉降，采用微震爆破、爆破監(jiān)測、監(jiān)控量測技術(shù)可以有效地解決這一難題。

l工程概況

南山上隧道位于山西省忻州市和陽曲縣之間，是新建大同至西安客運專線鐵路重點隧道之一，也是高風險隧道之一，全長6008m，為單洞雙線隧道，隧道進口段DK221+610～DK222+120為第四系新黃土、老黃土。發(fā)生侵界的洞段為DK22l+815～DK22l+855段，該段設(shè)計襯砌類型為IVb，埋深38～19m，為淺埋區(qū)，左右兩側(cè)地表均為連續(xù)沖溝，土質(zhì)為老黃土，含水率較大，實測為18．6％，超過界限含水率。設(shè)計開挖斷面尺寸為14．9m×12．68m，設(shè)計初期支護為噴射C30混凝土30cm，鋼拱架122a，問距60cm。設(shè)計預(yù)留沉降量15cm。

該洞段屬于淺埋洞段，地表穿越深切沖溝一處，含水率偏高，是該段拱部下沉的主要原因；經(jīng)實測，該段拱部侵界約15～40cm，侵界情況如圖1所示。

2施工方案

2．1施工工藝流程

施工工藝流程為：施工準備一換拱臺車就位一臨時拱架加固一布孔一鉆孔一裝藥一聯(lián)網(wǎng)一監(jiān)測點布設(shè)一起爆、監(jiān)測一清理拆除混凝土一拆卸拱架一侵界土體擴挖一鋼筋網(wǎng)掛設(shè)一重新安裝拱架一監(jiān)測點埋設(shè)一噴射混凝土一等強一拆除臨時支撐一換拱臺車移位一進入下一循環(huán)。

2．2支撐加固

在換拱前，利用換拱臺車每間隔二榀拱架對初期支護鋼架進行臨時支撐加固，以免在換拱過程中相鄰拱架受力過大而失穩(wěn)。換拱臺車支撐加固方案如圖2所示。施工中應(yīng)注意以下幾點：

(1)每間隔兩榀拱架加一道環(huán)向支撐，并與換拱臺車連接成整體支撐結(jié)構(gòu)。

(2)環(huán)向用I 22工字鋼頂住原拱架，連接處采用I 22工字鋼架設(shè)臨時豎撐、橫撐，橫豎撐間與環(huán)向拱架焊接牢固。

(3)嚴格控制每次拆除單元長度，每次只允許拆除兩榀拱架，禁止多榀鋼拱架一次拆除。

(4)支撐結(jié)構(gòu)中心心與換拱臺車重心一致，避免施工中因重心偏位而失穩(wěn)。

(5)環(huán)向臨時支撐拱應(yīng)與實際空間半徑一致，避免因臨時支撐拱架半徑誤差而無法對原拱架形成緊密支撐結(jié)構(gòu)。

(6)橫向、豎向支撐與環(huán)向支撐、臺車間應(yīng)焊接牢固。

(7)換拱臺車應(yīng)有足夠的剛度，并在就位后對行走部分進行鎖定。

2．3鉆孔施工

依據(jù)測量實測斷面確定每一孔位侵界厚度，定出鉆孔平面位置并標示鉆孔深度，采用手風鉆鉆孔：間排距30cm×30cm，孔深：侵界厚度×2／3，鉆孔方向垂直洞壁，孔徑Ф42mm。鉆孔布置方案如圖3所示。施工中應(yīng)注意以下幾點：

(1)施鉆前準確布設(shè)孔位，并在每個孔位標示鉆孔深度。

(2)孔位平面誤差不大于5cm。

(3)鉆孔深度為：侵界厚度×2／3，孔深誤差不大于5cm。

(4)鉆孔方向應(yīng)垂直于洞壁，外插角誤差不大于5°。

(5)鉆孔時遇到噴射混凝土中的鋼筋網(wǎng)無法鉆孔時，應(yīng)切斷鋼筋網(wǎng)后繼續(xù)施鉆或在旁邊5cm范圍內(nèi)重新選擇鉆孔。

(6)鉆孔深度超深時，應(yīng)用同標號砂漿對超深部分進行填充。

(7)鉆孔完成后應(yīng)對孔深進行檢查，并用高壓風清理孔內(nèi)鉆渣。

(8)炮孔經(jīng)檢查合格后，方可裝藥爆破。

3微震爆破設(shè)計

3．1基本概念

微震爆破即通常所說的弱爆破，采取超淺孔、密造孔、小藥量、小規(guī)模、多頻次，是以減弱爆破產(chǎn)生的地震波對鄰近建筑物、圍巖的擾動為目的的控制爆破辦式。

3．2爆破設(shè)計原則

為有效削減爆破振動效應(yīng)，采取分單元拆除、拆除一單元支護一單元措施，盡可能減少對附近建筑物的擾動，將各項指標控制在允許范圍以內(nèi)。

3．3爆破參數(shù)

最小抵抗線(W₀)：裝藥重心到自由面的最短距離，采取孔底裝藥，根據(jù)拆除體厚度，取W₀=30cm。

鉆孔深度（h）：h=W₀=30cm(由于侵界厚度不等，取侵界厚度的2/3～4/5，為了便于施工，統(tǒng)一按30cm選取)。

炮孔間距（a）：a=W₀=30cm。

炮孔排距（b）：b=a=30cm。

淺孔微震爆破藥包單位用藥量（q）：q=0．3kg/m³。

單孔裝藥量（Q₁）：Q₁=kqabh，取k=1．20，Q1=kqabh=1．2×0．3×0．3×0．3×0．3≈0．01kg。

  K為后排藥量均加系數(shù)，這里取1．2。

3．4最大單響藥量Q

已知建筑物允許最大質(zhì)點振動速度和爆破振動允許安全距離，則可按照薩道夫斯基經(jīng)驗公式計算爆破振動對鄰近新澆筑混凝土的影響：

    v=K(Q^1/3／R)^a

式中，v為建筑物允許最大質(zhì)點振動速度，cm／s；K、a分別為爆破點至測點間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；Q為最大單響藥量，kg；R為爆破振動允許安全距離，m。

通過薩道夫斯基公式變形得出：Q=R³(v/K)^3/a。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，新澆筑混凝土安全質(zhì)點振動速度見表1。

針對本工程，主要參數(shù)選取如下：

根據(jù)本工程地形、地質(zhì)條件，以及隧道工程實踐，噴射混凝土按硬巖取值，K=100，a=1．5。根據(jù)表1，結(jié)合本工程二次襯砌混凝土澆筑齡期，最大質(zhì)點速度v=2．5cm／s?，F(xiàn)場換拱拆除混凝土部位距最近一處二次襯砌混凝土距離為8m，允許安全距離R=8m。

得出：Q=R³(V/K)^3/a=8³(2．5／100)^3/1．5 =0．32kg。

3．5爆破器材選取

采用防水型乳化炸藥，藥卷直徑Ф25mm，爆速3600mm／s，雷管采用非電毫秒微差雷管，炮孔堵塞采取黏土+細砂混合后封堵。

3．6起爆網(wǎng)絡(luò)

齊發(fā)同段位炮孔數(shù)量(n)：n=Q／Q₁=0．32／0．01=32孔。

采用同列同段孔外等間隔控制毫秒起爆網(wǎng)路，起爆順序是：先起爆拆除區(qū)中間部位，然后向兩側(cè)逐漸起爆，同列炮孔裝同一段毫秒雷管數(shù)量不得超過32孔，孔外將同一段的毫秒雷管串聯(lián)，電子激發(fā)器起爆，爆破網(wǎng)路如圖4所示。

4爆破監(jiān)測

本工程為隧道內(nèi)拆除爆破，需保護的周邊建筑物為隧道二次襯砌混凝土。因此，確定建筑物的爆破振動速度不大于2．5cm／s。

4．1監(jiān)測儀器和方法

監(jiān)測采用拾振儀、振動信號自記儀、垂直速度傳感器和計算機組成的測試系統(tǒng)。量測過程中振動測試儀自動采集、存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。由于爆破振動效應(yīng)隨著傳播距離的增大逐漸衰減，因此每次測試時基本上是在離爆破點較近的測點進行測試。每次測試結(jié)束后，立即對測試結(jié)果進行整理分析，并參照監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整并修正下一次爆破的參數(shù)，保證爆破作業(yè)順利、安全地進行。爆破振動監(jiān)測測點的布置主要考慮保護對象和爆源兩方面，一般采取以跟蹤監(jiān)測為主，在具體的爆破振動監(jiān)測過程中，同一個測點布設(shè)水平向和豎直向傳感器，傳感器用石膏固定，然后與自記儀相連，當爆破振動傳遞到測點時，自記儀將自動記錄信號。

4．2監(jiān)測點的布置

根據(jù)噴射混凝土拆除爆破與二襯混凝土的位置和距離，在二襯混凝上頂拱及拱腰部位布置3組測點，測點布置如圖5所示。

4．3爆破監(jiān)測

隧道二襯(C1通道)：該組測點位于距拆除區(qū)域30m處的隧道二襯混凝土面部位，其最大振速為1．92cm／s。

隧道初期(C2通道)：該組測點位于距拆除區(qū)域30m處的隧道初支混凝土面部位，其最大振速為1．68cm／s。

由圖6可以看出，振動曲線有7個變化點，爆破分7段進行，最大振速出現(xiàn)在第一段上，即最大振速對應(yīng)時刻為中間拉槽爆破時刻，所以應(yīng)控制中間拉槽部位的最大裝藥量。

4．4監(jiān)測結(jié)果分析

由表2中數(shù)據(jù)可知，目前采用微振爆破方式產(chǎn)生的振動速度均在設(shè)計值2．5cm/s以下，符合設(shè)計和規(guī)范要求。當監(jiān)測點距離爆破源較近時爆破振動較大，當測點距離爆破點較遠時爆破振動速度較??；當齊發(fā)藥量較大時爆破振動較大，當齊發(fā)藥量較小時爆破振動速度較小。因此，當實施微震爆破拆除混凝土作業(yè)時，應(yīng)嚴格控制裝藥量和裝藥工藝，降低爆破振動速度，確保二襯混凝土和初支混凝土的安全。

5監(jiān)控量測

采用“微振爆破換拱”工法換拱施工期間，分別在DK221+800、DK221+835、DK22l+870部位布設(shè)了量測斷面，對地表沉降進行持續(xù)監(jiān)測，并對隧道段拱頂沉降、周邊收斂動態(tài)數(shù)值進行采集。

地表沉降監(jiān)測結(jié)果顯示，換拱期間地表最大沉降量為3mm，發(fā)生洞段在隧道換拱拆除段，發(fā)生時段為換拱施工期，換拱結(jié)束后地表沉降趨于穩(wěn)定，發(fā)生在換拱區(qū)域的地表沉降時態(tài)曲線如圖7所示。

隧道收斂觀測結(jié)果顯示，最大值為2．4mm，發(fā)生在隧道換拱區(qū)域。

拱頂下沉監(jiān)測結(jié)果顯示，最大沉降值為6．5mm，發(fā)生在隧道換拱區(qū)域，拱頂沉降時態(tài)曲線如圖8所示。

結(jié)果表明：換拱施工全過程處于安全、穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài)，換拱區(qū)鄰近區(qū)域未發(fā)生明顯變形。

6效益分析

將鋼拱架混凝土拆除由機械或人工拆除法優(yōu)化為微震爆破拆除法，避免了機械或人工拆除時的安全風險，解決了近距離拆除爆破對鄰近建筑物混凝土保護的難題，削減了爆破地震效應(yīng)對建筑物的損害，提高了拆除初期支護體系的安全性和可靠性，節(jié)約了大量人力物力投入，進而節(jié)約了工程成本，縮短了工程建設(shè)工期。高風險黃土隧道微震爆破換拱法的成功，為以后類似工程提供了可靠的決策依據(jù)和技術(shù)指標，新穎的工法技術(shù)將促進地下工程施工技術(shù)的進步，社會效益和環(huán)境效益明顯。

采取微震爆破方法與同類拆除混凝土換拱方法相比，由于安全性高、工程進度快、干擾因素少，發(fā)揮了工法的優(yōu)越性，節(jié)約了大量工程費用的投入。將3個月的拆除混凝土換拱工期縮短為15d，為工程施工進度贏得了2．5個月的寶貴時間，另外由于施工方法的優(yōu)化，節(jié)約了工程成本近80萬元，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

7結(jié)語

隧道施工中采用微震爆破技術(shù)，成功拆除了隧道初期支護體系，運用爆破監(jiān)測及監(jiān)控量測手段，驗證了微震爆破換拱過程安全可控。采用微震爆破換拱節(jié)約了成本，降低了安全風險，加快了進度，也為今后類似工程的施工提供了借鑒和參考。

參考文獻

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摘自《中國爆破新進展》