CN107201913B - 一种交叠隧道精细减振爆破施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路交叠隧道精细减振爆破施工方法，涉及既有铁路隧道正洞内下穿段施工方案。本发明主要包括以下两阶段实施方案：第一阶段，首先对下穿段衬砌进行锁脚加固，然后进行正洞仰拱开挖至缓冲层底，正洞隧底岩溶处理时在下穿段依次施做缓冲层和钢筋混凝土搭板，最后施做仰拱混凝土及填充；第二阶段，泄水洞下穿隧道正洞施工，爆破开挖采用精细减振爆破设计方案。在满足泄水功能和总体工期要求的同时，确保了隧道衬砌结构安全和无砟轨道沉降满足要求，确保了总体工期目标的实现。

Description

一种交叠隧道精细减振爆破施工方法

技术领域

本发明涉及一种交叠隧道精细减振爆破施工方法，具体涉及高速铁路隧道正洞隧底处理及二衬加固+泄水洞下穿正洞爆破施工技术。

背景技术

随着经济的快速发展以及西部大开发战略的实施，铁路交通的负担也日益加重，其面临的工程条件也越来越复杂，下穿既有隧道就是其中一种。钻爆法作为新奥法施工的主要方法之一，仍然是目前我国硬岩隧道建设的主要施工方法。钻爆施工，不可避免会对周围的构筑物产生振动危害，如何保证隧道钻爆施工的顺利进行以及减小对既有构筑物的影响一直是爆破界的研究热点。国内外近距离隧道爆破振动对既有隧道造成的破坏已有不少案例。目前对靠近既有建筑物和小净距隧道等近接工程的爆破振动问题已有研究，但对于上下交叉近接隧道的如何采取有效技术手段保护超小净距既有隧道运行安全的研究还相对较少。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中的不足，提供一种超小净距上下交叠隧道减振爆破施工方法，即基于泄水洞下穿高速铁路隧道正洞为超小净距，仅为0.5m厚的缓冲层(中粗砂)。

本发明的技术方案如下：

一种交叠隧道精细减振爆破施工方法，包括以下步骤：

步骤1)-步骤7)的第一阶段施工：

1)下穿段二次衬砌加固：在二衬矮边墙处采用锁脚锚管进行加固；

2)下穿段仰拱及隧底开挖换填，要求将破坏段仰拱混凝土挖除，然后隧底开挖至缓冲层底标高，针对空洞采用混凝土换填；

3)缓冲层施工，采用“竹胶板+粗砂或砂袋+竹胶板”；

4)钢筋混凝土搭板施工，钢筋混凝土搭板尺寸为长9-14m，宽10-14m，厚0.5-1.0m；搭板位于仰拱以下缓冲层以上，主筋采用HRB400φ32，间距0.1-0.3m，分布筋采用HRB400φ22，间距0.1-0.3m，钩筋采用HPB300φ10，间距0.4×0.4m，呈梅花形布置，搭板端模采用木模板，现场采用打入固定钢筋的方式进行加固，混凝土标号采用C40，搭板保护层厚度不得小于5cm；

5)钢筋混凝土仰拱施工，待钢筋混凝土搭板混凝土强度达到70％后，开始施工隧底破坏段仰拱，钢筋混凝土仰拱环向钢筋应植入二衬混凝土中，植入长度为0.3-0.5m；

6)仰拱填充及水沟电缆槽施工，钢筋混凝土仰拱施工完成后开始施工仰拱填充，最后施工水沟电缆槽；

7)隧道正洞监测点设置：在DK567+067～+139段布设监控量测点，监控量测点分别为拱顶下沉量测和净空水平收敛量测，其中DK567+079～+127每5m一个断面布设，其余每10m一个断面布设，监测点布设完成后及时测量初始数据。监测频率及位移速度应符合高速铁路相关规范要求。

步骤8)的第二阶段施工：

泄水洞下穿隧道正洞施工，爆破开挖采用精细减振爆破设计方案，在隧道正洞内布设收敛、沉降监控量测点、振动监测点及围岩损伤探测孔，爆破开挖时通过对隧道沉降及收敛，爆破振动和围岩损伤情况进行监测，动态调整爆破方案，初期支护采用加强支护，二次衬砌采用钢筋混凝土，将左右线泄水洞连通将水排至洞外。

在本发明中，锁脚锚管对二次衬砌素混凝土具有加固作用，能够确保仰拱开挖后支撑矮边墙以上混凝土结构的稳定。

在本发明中，缓冲层(中粗砂)消能减振达34％左右，很大程度上减小了爆破对主体结构的影响。

在本发明中，钢筋混凝土搭板承受上部荷载，同时抵抗一部分爆破产生的振动。

在本发明中，每循环进尺按照0.5m控制，初期支护采用锚喷+型钢钢架加强支护，二次衬砌采用钢筋混凝土。

在本发明中，预设减振保护结构，结合数模研究，现场实时监测爆破振动响应，设置允许合成振速10cm/s作为预警振速界限，实时调整爆破方案的精细减振爆破设计思路，结合后期运行监测等综合科学技术研究手段精细控制。

由上述描述可知，本发明一种交叠隧道精细减振爆破施工方法，具有施工功效高、安全可靠、质量易于保证、施工工期短、施工投入经济合理、特别是此方案确保了沪昆高速铁路贵州段总体工期目标的实现，取得了良好的社会效益。本发明相比在铁路隧道正洞内开挖施工涵洞还具有以下优点：

1)安全风险小，特别是针对Ⅲa型复合式衬砌结构，如在隧道正洞内开挖，开挖深度约8m，且地下水丰富，抽水困难，如遇下雨，岩溶管道内的水都汇聚于此，存在巨大的安全风险。本发明则在隧道正洞内开挖至隧底以下1.3m处，并找到出水口将水抽排至中心水沟流走，开挖基本无风险。

2)施工进度快，由于在隧道正洞内涵洞框架施工周期长，即要分段开挖，分段施工，分段回填，然后才能施工仰拱及仰拱填充、水沟电缆槽，最后再恢复已破坏的无砟轨道，周期太长，严重滞后总体工期。本发明只需在正洞内增加施工缓冲层及钢筋混凝土搭板，施工完成后即可施工仰拱及仰拱填充、水沟电缆槽、无砟轨道，不影响后续铺轨工程。

3)节约施工成本，在隧道正洞内开挖施工涵洞，除基本的主体结构外，额外增加了较多临时支护措施，如中管棚超前支护，开挖面锚喷，抽水费用等。本发明相比其节约施工成本。同时，减少隐性经营支出风险。

4)不影响泄水洞排水功能，经检算，过水断面完全满足排水功能。

5)本发明施工方法适用于新建隧道下穿既有铁路、公路、构筑物等结构物施工。

附图说明

图1为本发明实施例小高山隧道泄水洞下穿铁路隧道平面关系图(虚线部分为下穿线)；

图2为本发明实施例小高山隧道泄水洞下穿铁路隧道断面关系图；

图3为本发明锁脚锚管构造图；

图4为本发明实施例小高山隧道正洞加固处理平面图；

图5为本发明实施例小高山隧道正洞加固处理断面图；

图6为本发明实施例小高山隧道泄水洞下穿正洞段断面图；

图7为本发明实施例小高山隧道泄水洞下穿铁路隧道爆破设计图。

1-隧道11-素混凝土仰拱12-钢筋混凝土仰拱13-钢筋混凝土板14-缓冲层

2-泄水洞坑道

3-集水廊道

4-第一阶段施工区域

5-第二阶段施工区域

6-钢管61-注浆孔

7-木板

8-第一次起爆点

9第二次起爆点

具体实施方式

本实施例具体地点为昆明至长沙的小高山隧道。该小高山隧道起讫桩号：DK565+060～DK567+917，全长2857m，为单洞双线结构隧道，设计纵坡为-25‰。小高山隧道位于云贵高原侵蚀构造中低山区，区内地形总体为东高西低，隧址区内最高点位于隧道轴线南侧的山顶，海拔高程1054.9m，最低点位于隧道出口侧的河沟沟心，海拔高程677.5m，相对高差377.4m。隧道洞身穿越区域以碳酸盐岩广泛分布为主要特征，具构造剥蚀～溶蚀槽谷地貌特点。槽谷的发育多与断层.大型节理等构造走向线一致，呈线状分布。坡麓自然斜坡陡峻自然坡度25～30°。此外，区内的其余地段溶蚀洼地等岩溶地貌亦比较常见。

泄水洞下穿高速铁路隧道正洞为超小净距，仅为0.5m厚的缓冲层(中粗砂)，下穿段的实施是在高速铁路隧道正洞无砟轨道及铺轨均已完成的条件下，且隧道正洞衬砌类型为Ⅲa型复合式衬砌结构，即初支采用锚喷支护，拱墙喷砼厚度为12cm，二衬采用素混凝土结构，仰拱厚度为50cm，拱墙厚度为40cm，有效保证了隧道衬砌结构安全和无砟轨道沉降满足要求，确保了总体工期目标的实现。

本发明交叠隧道精细减振爆破施工方法，分两个阶段实施(见图1和图2)，包括以下步骤：

第一阶段实施方案：

1、衬砌加固：隧道正洞处理施工之前，首先对DK567+090～+130段衬砌采用打入锁脚锚管的方式加固处理，锁脚打设位置位于矮边墙处，即轨顶标高以下40cm处，两侧对称设置，纵向间距1.5m，每处设2根，间距27.5cm，单根长度4.5m，为提高钢管的抗弯能力，钢管内放入钢筋笼，钢筋笼安装完成后锁脚锚管内压入M35砂浆充填密实(见图3)；

2、下穿段隧底开挖及换填：采用破碎头将钢筋混凝土搭板范围内的无砟轨道及仰拱破除，分段进行隧底开挖，每段长度不大于10m，在破除开挖过程中应分台阶破除，不可一次破到底，每段开挖到完整基岩后及时采用C20砼换填处理，最后开挖钢筋混凝土搭板范围。对于矮边墙处破碎头无法破除到的部位，采用风镐凿除，严禁扰动完整部位二次衬砌。

3、缓冲层施工：暗挖泄水洞范围DK567+103.5～+108.5段设置缓冲层，缓冲层设置厚度为0.5m，采用木板+砂袋+木板的方式。开挖或回填到缓冲层底标高后清除干净虚渣，确保基面平整，铺设下层1cm厚木板，木板采取满铺的方式，然后在满铺的木板上堆码砂袋，砂袋堆码高度48cm，且砂袋间应紧贴密实，最后满铺上层木板，上层木板应铺设平整，不得出现凸凹不平现象(见图4、图5)。

4、钢筋混凝土搭板施工：钢筋混凝土搭板设置里程为DK567+100～+112段，全长12m，宽度13.2m，厚度0.8m，搭板位于仰拱以下缓冲层以上，主筋采用HRB400φ32，间距0.2m，分布筋采用HRB400φ22，间距0.2m，钩筋采用HPB300φ10，间距0.4×0.4m，呈梅花形布置，搭板端模采用木模板，现场采用打入固定钢筋的方式进行加固，混凝土标号采用C40，搭板保护层厚度不得小于5cm(见图4、图5)。

5、仰拱施工：待钢筋混凝土搭板混凝土强度达到70％后，开始施工隧底破坏段仰拱，仰拱均采用钢筋混凝土，主筋采用HRB400φ18，间距0.25m，分布筋采用HRB400φ12，间距0.25m，钩筋采用HPB300φ10，间距0.4×0.4m，呈梅花形布置，混凝土标号采用C35，P10，仰拱保护层厚度为55mm。

为保证新旧混凝土的有效粘合，仰拱衬砌及填充拆除面混凝土表面应做凿毛处理，凿毛至新鲜混凝土面即可，并清洁干净。沿拆除面按照仰拱设计间距打设两排HRB400φ18插筋，插筋嵌入混凝土30～50cm，并预留1～2倍的搭接长度，搭接必须错开布置，满足同一截面接头不大于50％要求，施工注意与仰拱角度保持一致，防止破坏防水板。

6、仰拱填充施工：为确保衬砌结构整体受力安全，同时满足通行要求，仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土施工完成强度达到70％后即可组织施工，填充混凝土采用C20砼，同时按照设计要求施工中心水沟。填充端头模在仰拱模板的基础上加高，采用打入固定钢筋的方式加固。

7、破坏段电缆槽施工：破坏段电缆槽待隧底处理完成后，按照设计要求采用定型钢模组织施工。施工时应注意按照设计要求连接接地钢筋，设置接地端子。

8、隧道正洞监测点设置：在DK567+067～+139段布设监控量测点，监控量测点分别为拱顶下沉量测和净空水平收敛量测，其中DK567+079～+127每5m一个断面布设，其余每10m一个断面布设，监测点布设完成后及时测量初始数据。监测频率及位移速度应符合高速铁路相关规范要求。

第二阶段实施方案：

9、下穿正洞段施工：开挖断面尺寸为矩形4×4m(宽×高)，其相邻拱形段开挖断面尺寸为4×4.25m(宽×高)，开挖施工采用精细减振爆破施工技术，严格按照“弱爆破、短进尺、强支护”的原则组织实施，每循环进尺按照0.5m控制，初期支护采用锚喷+型钢钢架加强支护，二次衬砌采用钢筋混凝土(见图6)。

10、爆破设计方案：炮眼布置(见图7)：

1)炮眼数目的确定

N＝KSL/(Lnγ)

式中：N——计算炮眼数目，个；

K——导坑爆破单位炸药消耗量(Kg/m³)取1.4；

L——炮眼深度，0.5m；

S——开挖断面面积，16m²；

n——炮眼装填系数，取0.65；

γ——每米药卷长度的炸药重量(Kg/m)；取1.0kg/m。

N＝KSL/(Lnγ)＝1.4×16×0.5/(0.5×0.65×1)≈35(个)，考虑到爆破震动影响较大，结合现场多方案试验，确定了较为合理的方案，最终将炮眼数量调整为80个孔左右(见图7)。

2)炮眼直径和炮眼深度及装药量的确定

为了减轻对围岩的破坏，炮眼直径采用39～41mm孔。每循环最大进尺0.5m，除掏槽眼深度为0.7m外，其余周边眼、辅助眼、底板眼等深度均为0.5m。

装药量计算：

①总装药量计算：

Q＝KLS

式中：Q——一次(一个循环)爆破总装药量，kg；

K——单位岩石爆破炸药消耗量，取1.4kg/m³；

L——炮眼深度或循环进尺，取0.5m；

S——断面积，取16m²。

Q＝KLS＝1.4×0.5×16＝11.2kg，最大装药量不得超过计算数量。

②炸药量的分配

炸药量的分配可根据炮眼装药系数调整，掏槽眼可适当增加10％～20％，以保证掏槽效果。分配完后按整装药或半卷药的档次进行调整，以便于装药施工。

正确的起爆顺序原则为：先爆破的炮眼要为后继的炮眼减小岩石的夹制作用、增大自由面创造更好的爆破条件。为了保证准确地按设计顺序起爆，宜选用毫秒电雷管和非电毫秒雷管起爆。爆破装药参数见表1。

表1 爆破装药参数表

说明：上表中装药参数按照全断面布孔，分两次爆破，应根据爆破效果、震动大小、围岩变化等情况调整优化爆破参数，但总装药量不得超过11.2kg/循环。

11、爆破监测方案：

1)隧道沉降及收敛变形监测：

①隧道沉降监测点

以下穿段为中心，在隧道正洞大小里程各100m范围内，在中心沟边缘按照每10m间距布设监测点，监测点采用钻孔植入钢筋的方式，植入混凝土深度不小于20cm，外露长度约1cm，外露端头应打磨圆滑。下穿段洞身内按照每3m间距布设监测点，监测点焊接在型钢钢架上，外漏不得超过3cm，并做好标记，防止破坏。

监测点埋设完成后在爆破施工前取初始值，爆破过程中每天监测不少于2次，根据监测结果可调整适当加大监测频率，监测采用二等水准测量。

②隧道收敛变形监测点

以下穿段为中心，在隧道正洞大小里程各100m范围内，在左右两侧水沟电缆槽顶往上1m处每20m间距对称布设监测点，监测点采用钻孔植入钢筋的方式，植入混凝土深度不小于10cm，外露长度约5cm，反光贴应与外露钢筋头连接牢固。下穿段洞身内按照每3m间距在侧墙两侧对称布设监测点，监测点焊接在型钢钢架上，外漏不得超过5cm，反光贴应与外露钢筋头连接牢固。并做好标记，防止破坏。

监测点埋设完成后在爆破施工前取初始值，爆破过程中每天监测不少于2次，根据监测结果可调整适当加大监测频率，监测采用精度1秒级全站仪监测。

2)隧道围岩与支护爆破振动监测：

①隧道围岩与支护爆破振动监测采用TC-4850爆破测振仪进行监测，并遵循以下原则：

a.根据爆源与被保护对象(既有隧道)相互位置关系布置测线，监测爆破地震波传播规律。

b.实时监测既有隧道锚管(锚杆)爆破振动响应监测。

c.振速严格按照10cm/s作为预警值，根据振速情况提出确保施工安全、加快施工进度的实用减震技术措施。

②监测数据处理方法

监测数据处理采用幅值分析和频率分析相结合的分析方法，频率分析利用专业软件提取爆破地震波主频进行分析。

③数据分析与信息反馈

每次爆破完成后应及时对数据进行分析处理，并将处理结果第一时间反馈给施工现场，为下一循环爆破提供参考依据。

3)累积损伤监测：

①钻孔布置

为了得到和掌子面不同距离的岩层的爆破累积损伤规律和地震波沿隧道纵向的衰减规律，本次测试设计6个声波孔，即线路左右两侧各3个孔，分别布设在水沟电缆槽顶往上10cm钢筋混凝土板两端头和中部位置，钻孔倾角约45°，孔深4.5m。

②测试系统

现场测试采用中国科学院武汉岩土力学研究所生产的RSM-SYS智能声波测试系统。该系统主要由RSM-SYS声波仪，发射换能器，接收换能器(组合成一发双收)，笔记本电脑，水泵，水管和电线及钢管支架等组成。

参见图1至图7，具体施工流程为：第一阶段施工流程：采用锁脚锚管在既有隧道二次衬砌矮边墙处进行加固，加固完成后对已破坏段无砟轨道、仰拱填充、仰拱进行挖除，下穿段开挖至隧底以下1.3m处，对空洞范围采用C20砼换填，然后开始施工缓冲层，缓冲层施工完成后再开始钢筋混凝土搭板钢筋安装，安装完成后开始安装搭板两端端模，最后浇筑搭板混凝土，搭板施工完成后在其顶部施工钢筋混凝土仰拱，环向钢筋植入既有矮边墙混凝土，安装仰拱端模最后浇筑混凝土，钢筋混凝土仰拱施工完成后再施工C20仰拱填充混凝土，最后施工破坏段水沟电缆槽混凝土。

第二阶段施工流程：左侧泄水洞施工至下穿段相邻段时，在隧道正洞内布设相关监测点，并根据爆破设计方案进行下穿正洞段的试验工作，通过监测数据分析爆破设计方案的可行性，并结合实际情况对爆破方案进行优化调整，最终确定合理可行的爆破实施方案，按照确定的方案，根据“弱爆破、短进尺、强支护”的原则，设置允许合成振速10cm/s作为预警振速界限，实时调整爆破方案的精细减振爆破设计思路组织实施。每一循环开挖完成后及时进行初期支护，安装型钢钢架，打设锚杆，挂网喷射混凝土，待右线集水廊道施工完成后及时组织二次衬砌施工。

传统上在隧道正洞内开挖施工涵洞，除基本的主体结构外，额外增加了较多临时支护措施，如中管棚超前支护，开挖面锚喷，抽水费用等。本发明相比其节约施工成本约32万元。同时，减少隐性经营支出风险，如业主延误工期相关处罚费用，可能高达上千万元。

Claims (7)

1.一种交叠隧道精细减振爆破施工方法，包括以下步骤：

步骤1）-步骤7）的第一阶段施工：

1）下穿段二次衬砌加固：在二衬矮边墙处采用锁脚锚管进行加固；

2）下穿段仰拱及隧底开挖换填，要求将破坏段仰拱混凝土挖除，然后隧底开挖至缓冲层底标高，针对空洞采用混凝土换填；

3）缓冲层施工，采用“竹胶板+中粗砂或砂袋+竹胶板”；

4）钢筋混凝土搭板施工，钢筋混凝土搭板尺寸为长9-14m，宽10-14m，厚0.5-1.0m；搭板位于仰拱以下缓冲层以上，主筋采用HRB400φ32，间距0.1-0.3m，分布筋采用HRB400φ22，间距0.1-0.3m，钩筋采用HPB300φ10，间距0.4×0.4m，呈梅花形布置，搭板端模采用木模板，现场采用打入固定钢筋的方式进行加固，混凝土标号采用C40，搭板保护层厚度不小于5cm；

5）钢筋混凝土仰拱施工，待钢筋混凝土搭板混凝土强度达到70%后，开始施工隧底破坏段仰拱，钢筋混凝土仰拱环向钢筋应植入二衬混凝土中，植入长度为0.3-0.5m；

6）仰拱填充及水沟电缆槽施工，钢筋混凝土仰拱施工完成后开始施工仰拱填充，最后施工水沟电缆槽；

7）隧道内布设监控量测点，监控量测点分别为拱顶下沉量测和净空水平收敛量测，监测点布设完成后及时测量初始数据，监测频率及位移速度应符合高速铁路相关规范要求；

步骤8）的第二阶段施工：

8）泄水洞下穿隧道正洞施工，爆破开挖采用精细减振爆破设计方案，在隧道正洞内布设收敛、沉降监控量测点、振动监测点及围岩损伤探测孔，爆破开挖时通过对隧道沉降及收敛，爆破振动和围岩损伤情况进行监测，动态调整爆破方案，初期支护采用加强支护，二次衬砌采用钢筋混凝土，将左右线泄水洞连通将水排至洞外。

2.根据权利要求1所述的交叠隧道精细减振爆破施工方法，其特征在于，步骤1）二衬矮边墙处采用锁脚锚管进行加固的具体方法为：锁脚打设位置位于矮边墙处，即轨顶标高以下40cm处，两侧对称设置，纵向间距1.5m，每处设2根，间距27.5cm，单根长度4.5m，钢管内放入钢筋笼，钢筋笼安装完成后锁脚锚管内压入M35砂浆充填密实。

3.根据权利要求1所述的交叠隧道精细减振爆破施工方法，其特征在于：步骤2）为：采用破碎头将钢筋混凝土搭板范围内的无砟轨道及仰拱破除，分段进行隧底开挖，每段长度不大于10m，在破除开挖过程中分台阶破除，每段开挖到完整基岩后及时采用C20砼换填处理，最后开挖钢筋混凝土搭板范围；对于矮边墙处破碎头无法破除到的部位，采用风镐凿除，严禁扰动完整部位二次衬砌。

4.根据权利要求1所述的交叠隧道精细减振爆破施工方法，其特征在于：步骤5）仰拱衬砌及填充拆除面混凝土表面做凿毛处理；沿拆除面按照仰拱设计间距打设两排HRB400φ18插筋，插筋嵌入混凝土30～50cm，并预留插筋嵌入混凝土深度1～2倍的搭接长度，搭接错开布置，满足同一截面接头不大于50%要求。

5.根据权利要求1所述的交叠隧道精细减振爆破施工方法，其特征在于：步骤4）钢筋混凝土搭板尺寸为长12m，宽13.2m，厚0.8m。

6.根据权利要求1所述的交叠隧道精细减振爆破施工方法，其特征在于：步骤7）监测包括：

A隧道沉降及收敛变形监测：

B隧道围岩与支护爆破振动监测：

C累积损伤监测。

7.根据权利要求1所述的交叠隧道精细减振爆破施工方法，其特征在于：

步骤8）中，开挖断面尺寸为矩形3.5-4.5×3.5-4.5m，其相邻拱形段开挖断面尺寸为3.5-4.5m×4-4.5m，开挖施工采用精细减振爆破施工技术，每循环进尺按照0.4-0.6m 控制，初期支护采用锚喷+型钢钢架加强支护，二次衬砌采用钢筋混凝土,将左右线泄水洞连通将水排至洞外，泄水洞与线路左右中心线相距30m。