柳 明 张昌锁

(太原理工大学矿业工程学院)

复线隧道爆破优化设计与实践

柳 明 张昌锁

(太原理工大学矿业工程学院)

以新风平岭2号隧道复线隧道进口开挖为研究对象，通过在隧道施工爆破过程中对邻近隧道进行现场的振动监测，应用萨道夫斯基经验公式对现场监测数据进行回归分析，控制不同目标、不同间距情况下最大起爆药量，炮眼布置方案等。既有隧道和新开发隧道间采用超前锚杆加固，增强稳定性。通过对振速波形图的分析，找到延时爆破最大振速的段位，降低该段位最大装药量以便降低最大振速，保证邻近隧道振动速度控制在安全范围内，指导后续施工。

复线隧道 上下分阶爆破 爆破震动 萨道夫斯基经验公式 注浆锚杆加固

如何高效而安全的掘进复线隧道成为现代隧道施工中的重点，难点，本研究根据对地质实际条件的考察，结合萨道夫斯基经验公式提出爆破方案，采用爆破震动信号监测技术进行监测，严格控制最大装药量，保证了工程的安全进行。

1 工程概况

新风平岭2号隧道起讫里程为DIK48+689～DIK49+565(对应既有隧道里程为K48+692.85～K49+564.2)，为全长876 m的单线隧道，地面标高990～1 100 m，相对高差约110 m，最大深埋约87 m，隧道DIK49+487.76～DIK49+565位于曲线上，曲线半径R=1 800 m，其余段落位于直线上，隧道内线路为单面上坡，坡率为3.0‰。隧道进口端为冲沟，右临汾河滩，坡面陡直，植被较差，交通不便；隧道出口端为古交一电厂，隧顶有运煤道路，地质较差，交通不便。新风平岭2号隧道进口见图1。

图1 新风平岭2号隧道进口

该隧道位于山西省古交县境内，该段为中低山黄土丘陵地貌，主要形态有黄土梁、山峰相连，冲沟发育，多呈“V”字形，地表多为种植土，出露巨厚的第四系上更新统风积、冲积形成的砂质黄土，二叠系上统石千峰组砂岩夹页岩，呈灰黄色－灰色－紫红色、强风化－弱风化－微风化，砂岩为细粒结构，页岩为钙质胶结，致密状，沿层理面分裂成薄片，节理发育，工程地质条件较好。隧道区位于古交掀斜地块，属于五台山块隆的南部，其中部被晋中新裂陷的北部断陷叠加二分割成两部分，地块内地层展布为南新北老，总体向南、南东缓倾，产状平缓，倾角一般小于 10°。

隧道为浅埋偏压临近既有线小净距隧道，与既有隧道基本平行，左侧距既有太岚线间距为14 m，隧道间岩柱体仅8 m。

既有风平岭2号隧道全长871.35 m，为单线隧道，断面净宽5.5 m，隧道衬砌为整体式衬砌结构，除多处存在渗水、裂缝等常见缺陷外，隧道整体结构相对较好。

2 既有隧道爆破振速监测

爆破施工前在既有隧道内设置观测点，记录质点振动速度，控制在5 cm/s之内，振速监测由太原理工大学爆破科研所实施。

(1)监测仪器的选择。结合监测要求及现场实际，本次测试仪器选用UBOX－5016爆破振动智能检测仪及配套的垂直、水平速度传感器。本测试系统拥有量程大、通频带广、自带电池供电不需额外电源等特点，与传统系统相比省去了现场测量的麻烦工作，克服了现场测量依赖交流电的缺点，使得现场的测试工作变得方便、可靠；另借助计算机的强大数据处理能力，能及时高效地处理数据，大大提高了工作效率。

(2)测点布置方案的优化设计。为了确保新建隧道施工不影响既有线结构安全及测试数据的精确性，需要在隧道内合理布设测点，测点应尽量靠近爆心。由于新建隧道所处既有线承担着重要的运输任务和客运量，这使得采用常用仪器来科学合理反映爆破振动强度变得更加困难，且测点的布置要将来自各方面的干扰降到最低。综合各方面因素，为了精确地评估爆破作业对既有隧道的影响，在既有隧道中，每间隔60 m布置1组测点，并在与新建隧道掌子面同一断面上加设1组测点。每次监测新隧道开挖掌子面前后布置的两处测点及与新建隧道掌子面同一断面上的测点，在既有隧道衬砌迎爆侧边墙或避车洞的墙中与墙下分别布置切向、径向和垂直方向3个传感器，将数据传感与洞外的计算机连接进行实时分析。此次全程监控所采用的测点布置方式如图2、图3所示。当监测点位置确定后，采用角钢托架通过螺母将传感器固定在隧道中平整面的监测点处。安装垂直速度传感器时尽量使其与水平面垂直，安装径向水平传感器时尽量使其保持水平且朝着爆心方向，安装切向水平速度传感器时尽量使其与径向相垂直且与水平面平行。

图2 避车洞内测点布置

图3 振速监测点布置

(3)振速监测。隧道爆破施工过程中需要安排专人负责每次爆破振速的监测，分析监测结果，以动态调整爆破参数及爆破进尺，起到指导施工的作用。为了保证既有隧道运营安全，每次爆破严格监测既有隧道爆破振速，通过洞外计算机对每组测点振速分别进行监测并记录分析。测点实测振速随测点距爆源距离的增大而衰减。为精确测得既有隧道爆破振速，须在既有隧道右侧边墙上与新建隧道掌子面同一断面处增设1组测点，该组测点处布置的传感器需随新建隧道掌子面的掘进不断进行移动。移动传感器需要操作人员多次进出既有隧道，因操作人员进出既有隧道的人身安全及人员多次进出既有隧道对列车运营造成的安全影响，该组测点只需在不同围岩级别下监测30 m范围即可取消监测，用避车洞处测点的安全振速范围来替代该组测点的监测功能。即:每次爆破时该组测点的振速(控制在5 cm/s以内)值对应避车洞处测点均有一振速值，避车洞处每个振速值组成1组对应不同振源距离的振速范围，当取消掌子面断面处的测点监测后，严格将避车洞处测点振速控制在该范围内即可达到安全要求，当不同掌子面距测点距离与该范围对应距离有出入时，取距离较小值对应的振速值，以确保安全。图4为新风平岭2号隧道爆破过程中测量的既有隧道避车洞最近测点3个方向的振速。

图4 爆破振动速度波形

由爆破振动信号的监测结果，得出2号通道垂直方向的最大爆破振动速度V=2.336 cm/s，根据《爆破安全规程》，其速度峰值小于5 cm，说明复线隧道开挖方案不影响既有隧道的安全。从波形图中几个振动幅值的比较，还可以看出延时爆破第6段位的爆破振动速度为各段位的峰值，综合图4通过控制其掏槽眼的装药药量还可进一步控制爆速峰值，降低最大的爆速。爆破振速计算萨道夫斯基经验公式:爆破时地震波对铁路既有线的影响主要取决于震源的大小、距离及介质的条件，而震源的大小则与一次起爆的药量有关。

根据萨道夫斯基经验公式，计算爆破振动速度为

式中，V为爆破振动速度；R为爆破地震波危险半径，新建隧道与既有隧道间岩柱体厚为8 m，爆源距新建隧道左边墙为3.12 m，故R=11.12 m；K为与地震波传播地段的介质性质及距离有关的系数，参照《爆破安全规程》规定并结合隧道围岩岩性条件，围岩取K=200；α为衰减指数，参照《爆破安全规程》规定并结合隧道围岩岩性条件，Ⅲ级围岩取α=1.7，Ⅳ级围岩α=1.8；Q为最大单响装药量，根据爆破参数，设计Q=1.8 kg。

计算结果满足对既有铁路隧道爆破振动的保护限值5.0 cm/s，符合安全要求，不会对既有隧道造成危害。将实际振速与装药量代回萨道夫斯基经验公式，求得K=163.4，α=2.1，满足经验公式的条件，将垂向最大爆速及其代入便求得装药量的极限值，施工过程中参考实际情况计算药量的大小，进一步验证施工方案的优化特性。

3 总体施工方案优化设计

新建隧道左侧与既有隧道间岩柱体仅8 m，新建隧道施工会导致围岩应力重分布，在新建隧道开挖前根据不同围岩级别对新旧隧道间岩柱体进行加固，并加强新建隧道初期支护的刚度和强度，可确保既有隧道的运营安全及新建隧道的施工安全。围岩地段采用控制爆破上下台阶法开挖。爆破参数设计完成后，首先进行试爆，确认安全后方可进行正式爆破施工。爆破施工须满足《爆破安全规程》规定，且爆破振速控制在5 cm/s以内。

新旧隧道间岩柱体根据新建隧道围岩情况进行超前预加固，围岩地段采用长4.5 m，φ42 mm小导管注浆进行超前预加固，并采用长3.0 m，φ22 mm组合中空锚杆对岩柱体进行二次注浆加固(图5、图6)，同时加强了初期支护强度；围岩过渡段(20 m范围)，采取长4.5 m，φ42 mm小导管注浆进行超前预加固；其余段落可不采用小导管加固，施工过程中若岩体破碎、节理发育，视具体情况适当加固中间岩柱体。

3.1 既有线安全防护措施

图5 两隧道间岩柱体加固

图6 小导管及组合中空锚杆布置

为确保既有线运营安全，防止爆破飞石的出现，洞口部位爆破时采取松动弱爆破，并采用密目(方格小于2 cm)SNS防护网覆盖防护，具体为装药、连线完毕后，将SNS防护网整体式覆盖在爆破岩体表面上，覆盖面外边缘大于爆破体1 m以上，在爆破体外缘1 m以上的牢固岩石上打设长3 m，φ22 mm锚杆，每米设置1根，外露10 cm，端部制作成钢筋环，与密目网受力钢丝绳串联成整体，并采用沙土编织袋对既有线一侧防护网边缘进行压实，防止飞石从侧面飞出。

3.2 施工工艺及方法

围岩过渡段(20 m范围)新建隧道靠近既有隧道侧半轮廓设置长4.5 m，φ42 mm的超前注浆小导管，相邻两环交错布置，外插角为30°，纵向两排的搭接长度为1.5 m，环向间距×纵向间距=0.4 m×2.4 m，小导管注浆采用1∶1水泥浆液和水玻璃双浆液，水玻璃掺量为5%，注浆压力采用0.3～0.5 MPa，注浆量按岩体孔隙率5%考虑。

3.3 隧道开挖施工优化

(1)开挖方法、爆破进尺及断面确定。围岩地段采用控制爆破上下台阶法开挖，上下台阶步距控制在5～8 m，围岩设计上台阶高4.79 m，下台阶高4.88 m。根据《GB 6722—2011 爆破安全规程》，规定交通隧道爆破振动安全允许标准为10～15 cm/s，为保证既有隧道运营安全，爆破振速严格控制在5 cm/s范围内，并根据量测及监测数据及时调整爆破参数及爆破进尺，将爆破振动降低到最小。开挖采用多功能作业台架配合气腿式风钻(孔径42 mm)钻孔，炸药采用低猛度、低爆速炸药，塑料导爆管微差毫秒雷管起爆，采用斜眼楔形掏槽，周边眼采用不耦合空气柱装药结构。坚持以“弱爆破、短进尺”保证施工安全，围岩设计爆破进尺为0.8 m。根据监测数据，可适当调整爆破参数及爆破进尺，但爆破振速限值不得超过规范下限。

(2)爆破参数的优化设计。围岩分上下2阶分阶爆破，其周边眼为例分析如下:①孔径，选用风钻钻眼，孔径为42 mm；②孔深 ，L=1.2 m；③抵抗线W，考虑既有隧道安全，根据围岩岩性，取值为45 cm；④间距a:考虑既有隧道安全，根据a=(0.8～1.2)W并根据围岩岩性，取值为40 cm；⑤堵塞长度，L2≥20 cm；⑥装药集中度 q，取0.10～0.20 kg/m。炮眼布置图及详细参数如图7、图8所示。

图7 围岩上下台阶法控制爆破炮眼布置

图8 掏槽眼剖面

4 结语

(1)考虑对既有隧道振动的影响，控制炮眼数量及合理布置，采用上下分阶爆破方法。

(2)由爆破振动图谱分析得出延时爆破中最大振速段位，控制该段位的装药量减少开挖隧道爆破振动对既有隧道的影响，将爆速稳定地控制在5 cm/s之内。

(3)围岩过度段采用小导管超前注浆支护与组合中空锚杆支护，增加围岩的坚固程度，不易被振动干扰。

(4)通过爆破振动速度监测，对萨道夫斯基经验公式进行回归分析，说明了该公式的适用性并指导了后续施工的安全进行。

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Design and Practice of Optimizing Blasting of Double-track Railway Tunnel

Liu Ming Zhang Changsuo
(College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology)

Taking the entrance excavation of Xinfengpingling No.2 double-track railway tunnel as a research goal，and through the on-site monitoring on adjacent tunnel vibration blasting process in tunnel construction，Sadaovski formula is applied to making the regression analysis of the field monitoring data，and controlling maximum detonation quantity under different objective and different spacing，and hole arrangement etc..The forepoling bolts are adopted between the existing tunnel and newly-developed tunnel to enhance the stability.Through the analysis on the waveform of the vibration velocity，the maximum velocity section of delay blasting is found out.Reducing the maximum charge quantity can lower the maximum vibration velocity and control the vibration velocity of adjacent tunnel within a safe range，thus guiding the follow-on construction.

Double-track tunnel，Sublevel blasting，Blasting vibration，Sadaovski formula，Grouting and anchoring reinforcement

柳 明(1987—)，男，硕士研究生，030024山西省太原市迎泽西大街79号。

2013-07-28)