CN115075826B - 一种下穿管线爆破减震加固系统及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下穿管线爆破减震加固系统及其施工方法，其中，减震加固系统包括下穿管线的隧道、设置于地表的地减震孔、设置于隧道内的洞减震孔、设置于隧道内的初期支护以及二次衬砌；本发明通过爆破开挖时的弱爆破开挖，一方面保证了隧道开挖所需的爆破工程，又减弱了爆破的单次用量和爆炸方式，可极大的减少对地表建筑物的影响；本发明通过地减震孔和洞减震孔的设置，利于弱化地震波传播途径；通过地表震孔和洞减震管弱化和吸收地震波，进一步直接减少爆炸的能量；本发明通过初期支护和二次衬砌的加强设计，可加强外部岩体的抗震强度和变形，分担地表的变形和震动的影响。
Description
技术领域
本发明属于隧道开挖技术领域，特别涉及一种下穿管线爆破减震加固系统及其施工方法。
背景技术
在公路工程施工建设中，经常遇到隧道下穿既有结构物，这样既不影响利用地面空间，又可以保证道路的贯通。一般对于地下隧道施工，有通过盾构机，有进行爆破开挖。在爆破开挖时，不仅要保证开挖面的有效施工，也要保证地面建筑物或者管线等不受爆炸开挖的影响，地面沉降也不能超过设计值造成间接损害。由此，需要在下穿施工尤其是爆破施工时需要进行针对性的设计，降低爆破扰动和减少地表沉降保证既有构筑物安全运营，这是现有施工的一大难题。
发明内容
本发明提供了一种下穿管线爆破减震加固系统及其施工方法，用以解决下穿的隧道施工的控制爆破、减震控制、拱体加固以及过程监测等技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种下穿管线爆破减震加固系统的其施工方法，地表上设置有管线，管线下设置有隧道，隧道通过爆破开挖施工；
具体步骤如下：
步骤一、深化图纸，确定地表上管线的位置，并在管线处成排设置有地减震孔，地减震孔处置与地表设置，地减震孔内穿接有中空管且中空管露出地表，地减震孔内不填充炸药；并在管线上设置有感应探头、变形传感器和在地表设置有沉降观测点；
步骤二、预先设计隧道内的初期支护、现浇套拱和二次衬砌，并在现浇套拱内设置有洞减震孔；洞减震孔沿隧道拱顶环形布置，且洞减震孔水平设置；
步骤三、实际开挖时降低地震波振速，在开挖过程中采用控制爆破，控制减少单孔装药量及一次起爆药量；根据最大允许单响药量的计算，确定通过缩短循环进尺，减小爆破药量来控制爆破振速；
步骤四、掘进时，采用连续装药结构，炸药为岩石乳化炸药，雷管使用毫秒延期导爆管雷管；周边孔采用不耦合装药结构，药串使用岩石乳化炸药和塑料导爆索制作，并将雷管使用胶带绑扎在导爆索上；
步骤五、随着开挖进行，对于初期支护时将锚杆锚固长度增加适应地表的沉降量，并加强二次衬砌强度等级以此综合保证围岩支护强度；
步骤六、将地表上的感应探头、沉降观测仪和变形传感器均与数据分析系统和数据收集系统连接，而后连接于控制终端；根据爆炸时对应爆破振速、地表沉降量以及管线位移量综合制定报警装置以及控制过程爆炸施工，直至完成隧道的开挖。
进一步的，通过感应探头监测垂直方向传播的爆破震波对管线破坏影响，监测时重点观测该项峰值并实时监测；若监测到任意方向振动波峰值超过设计值，调整爆破参数，重新进行试爆，监测出爆破振动各向峰值符合设计要求后，爆破施工正常进行。
进一步的，若通过对连续多个循环进尺爆破振速数据分析，得出爆破时单段最大单响装药量对质点振动速度影响较大，通过适当的增加非电雷管的段数避免地震波的叠加，起到减震的效果。
进一步的，结合地减震孔和洞减震孔弱化地震波传播途径，通过地减震孔和洞内减震管棚弱化和吸收地震波，使得地震波传播速度不大于1.5 cm／s；
其中，在地表与管线平行方向布设排状地减震孔，垂直地面钻孔，孔深不少于8m，钻孔间距不小于0.5m，钻孔内插中空PVC管，PVC管外露地面不少于0.5m；地减震孔施工完毕后对地减震孔外露端头安装注浆阀门封堵密实；隧道洞内施工通过管线交叉段后管顶上方1m范围内钻孔采用水泥砂浆封堵密实；
在拱顶设水平的洞减震孔，环形设置，钻孔内插PVC中空管，洞减震孔内均不装药，洞减震孔施工完毕后对洞减震孔外露端头安装注浆阀门封堵密实，待该段主洞开挖结束后注水泥砂浆灌实；洞减震孔沿原设计开挖轮廓线外扩不少于50cm，沿隧道轴向长度不少于3m，该段超前锚杆钻孔应与洞减震孔间隔布设。
进一步的，由于开挖对地层的扰动，造成位移和地表沉降；地表沉降监测及沉降量如下图，通过沉降量监测单次沉降量和累积沉降量，单次单次沉降量和累积沉降量均不能超过设计沉降量。
进一步的，一种下穿管线爆破减震加固系统，包括下穿管线的隧道、设置于地表的地减震孔、设置于隧道内的洞减震孔、设置于隧道内的初期支护以及二次衬砌；
所述地减震孔成排设置，地减震孔与地表上的管线平行设置，所述地减震孔内穿接有中空管，所述中空管露出地表；所述洞减震孔沿隧道拱顶环形布置，且洞减震孔水平设置；
所述初期支护为锚杆加固体系，锚杆长度基于后期围岩设计变形量设置；而二次衬砌强度等级高于设计强度等级。
进一步的，所述地减震孔垂直地表，孔深不小于8m，钻孔间距不小于0.5m；减震孔内插入有中空的PVC管且外露地面0.5m；中空管外露端头密封设置；且洞内通过管线交叉段后管顶上方1m范围内设置有水泥砂浆密封层。
进一步的，洞减震孔内插接有中空管且中空管外伸露头，外露端头临时连接注浆阀门且填充有水泥砂浆；所述洞减震孔沿原设计开挖轮廓线外扩50cm分布，沿隧道轴向长度不少于3m，外扩段超前锚杆钻孔与减震孔间隔布设。
进一步的，所述初期支护和二次衬砌之间设置有现浇套拱，所述现浇套拱内为现浇混凝土层。
进一步的，在地表的管线布置有自动爆破振动报警设备，自动爆破振动报警设备包含感应探头、数据收集系统和数据分析系统以及PC端，PC端对应爆破振速区域划分对应的报警音频装置。
本发明的有益效果体现在：
1）本发明通过爆破开挖时的弱爆破开挖，一方面保证了隧道开挖所需的爆破工程，又减弱了爆破的单次用量和爆炸方式，可极大的减少对地表建筑物的影响；
2）本发明通过地减震孔和洞减震孔的设置，利于弱化地震波传播途径；通过地表震孔和洞减震管弱化和吸收地震波，进一步直接减少爆炸的能量；
3）本发明通过初期支护和二次衬砌的加强设计，可加强外部岩体的抗震强度和变形，分担地表的变形和震动的影响。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
图1是地表上地减震孔分布示意图；
图2是洞减震孔分布示意图；
图3是洞减震孔分布剖面示意图；
图4是掘进循环振速最大的爆破振动波形图；
图5是变形量及累计变形量示意图。
附图标记：1-地表、2-地减震孔、3-隧道、4-初期支护、5-现浇套拱、6-二次衬砌、7-洞减震孔。
具体实施方式
以某下穿隧道为例，隧道设计为双向四车道，全长200多米，隧道下穿输水管线，输水管线与隧道线路方向平面夹角为73°，交叉处隧道埋深30.96m。隧道与输水管线交叉影响段围岩为灰岩，围岩级别为IV2级，下穿输水管线修建于1980年距今有40年为自来水主管道，管径为0.8m的钢管，两根并排平行走向，基础为混凝土独立基础，管线与基础采用滚动支墩型式连接，在输水管线下方爆破开挖，会对输水管线稳定性造成影响。
如图1至图5所示，一种下穿管线爆破减震加固系统，包括下穿管线的隧道3、设置于地表1的地减震孔2、设置于隧道3内的洞减震孔7、设置于隧道3内的初期支护4以及二次衬砌6。
本实施例中，地减震孔2成排设置，地减震孔2与地表1上的管线平行设置，所述地减震孔2内穿接有中空管，所述中空管露出地表1；所述洞减震孔7沿隧道3拱顶环形布置，且洞减震孔7水平设置。
本实施例中，初期支护4和二次衬砌6之间设置有现浇套拱5，所述现浇套拱5内为现浇混凝土层，现浇套拱5内设置有洞减震孔7。在地表1的管线还布置有自动爆破振动报警设备，自动爆破振动报警设备包含感应探头、数据收集系统和数据分析系统以及PC端，PC端对应爆破振速区域划分对应的报警音频装置。
由于，输水管线使用的时间较长，管线材质及当时施工工艺的质量处于不同层次，可能出现老化、损坏、自身强度降低等情况，在隧道3爆破开挖施工时，由于对地层的扰动，易造成管线基础沉降或偏压断裂的危险。针对不同的爆破施工区域及安全距离设计不同的爆破参数。
结合图1至图5所示，进一步说明一种下穿管线爆破减震加固系统的施工方法，地表1上设置有管线，管线下设置有隧道3，隧道3通过爆破开挖施工；
具体步骤如下：
步骤一、深化图纸，确定地表1上管线的位置，并在管线处成排设置有地减震孔2，地减震孔2处置与地表1设置，地减震孔2内穿接有中空管且中空管露出地表1，地减震孔2内不填充炸药；并在管线上设置有感应探头、变形传感器和在地表1设置有沉降观测点。
本实施例中，沿与输水管线平行方向布设2排地减震孔2，共200个，钻孔直径φ110mm，用127mm钻头，垂直地面钻孔，孔深8m，钻孔间距0.5m，钻孔内插中φ90mm中空PVC管，PVC管外露地面0.5m，地减震孔2施工完毕后对地减震孔2外露端头安装注浆阀门封堵密实，洞内施工通过输水管线交叉段后管顶上方1m范围内钻孔采用水泥砂浆封堵密实。
步骤二、预先设计隧道3内的初期支护4、现浇套拱5和二次衬砌6，并在现浇套拱5内设置有洞减震孔7；洞减震孔7沿隧道3拱顶环形布置，且洞减震孔7水平设置。
本实施例中，在拱顶设水平洞减震孔7，钻孔直径φ110mm，孔深30m，环向间距0.4m，钻孔内插φ90mmPVC中空管，洞减震孔7内均不装药，洞减震孔7施工完毕后对洞减震孔7外露端头安装注浆阀门封堵密实，待该段主洞开挖结束后注水泥砂浆灌实。钻孔前先施做工作室，工作室沿原设计开挖轮廓线外扩50cm，沿隧道3轴向长度3m，该段超前锚杆钻孔应与洞减震孔7间隔布设。
结合地减震孔2和洞减震孔2弱化地震波传播途径，通过地减震孔1和洞内减震管棚弱化和吸收地震波，使得地震波传播速度不大于1.5 cm／s。
步骤三、实际开挖时降低地震波振速，在开挖过程中采用控制爆破，控制减少单孔装药量及一次起爆药量；根据最大允许单响药量的计算，确定通过缩短循环进尺，减小爆破药量来控制爆破振速。
其中，最大允许单响药量的计算，采用公式：Q=R3V/K3/a计算。式中：Q----最大单响药包重量，kg；R----被保护对象距爆源中心的距离，m；K，a----与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数；本工程取K=200，a=1.5。V----保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s，本工程取V≤1.5cm/s。
在实际施工过程中，针对不同的爆破施工区域及安全距离，按下表所示单段最大药量进行实际控制。
步骤四、掘进时，采用连续装药结构，炸药为岩石乳化炸药，雷管使用毫秒延期导爆管雷管；周边孔采用不耦合装药结构，药串使用岩石乳化炸药和塑料导爆索制作，并将雷管使用胶带绑扎在导爆索上。
步骤五、随着开挖进行，对于初期支护4时将锚杆锚固长度增加适应地表1的沉降量，并加强二次衬砌6强度等级以此综合保证围岩支护强度。
步骤六、将地表1上的感应探头、沉降观测仪和变形传感器均与数据分析系统和数据收集系统连接，而后连接于控制终端；根据爆炸时对应爆破振速、地表1沉降量以及管线位移量综合制定报警装置以及控制过程爆炸施工，直至完成隧道3的开挖。
通过感应探头监测垂直方向传播的爆破震波对管线破坏影响，监测时重点观测该项峰值并实时监测；若监测到任意方向振动波峰值超过设计值，调整爆破参数，重新进行试爆，监测出爆破振动各向峰值符合设计要求后，爆破施工正常进行。
本实施例中，实测振速V，V0为设定值；当V＜0.5V0应急等级为四级；0.5V≤V0≤0.9V应急等级为三级，0.9V＜V0≤V应急等级为二级，V＞V0应急等级为一级，一级时发出警报。
如图4所示，本次掘进循环的爆破最大振速为1.424cm /s。通过对连续多个循环进尺爆破振速数据分析。得出结论爆破时单段最大单响装药量对质点振动速度影响较大，可以通过适当的增加非电雷管的段数有效的避免地震波的叠加，起到较好的减震效果。
如图5所示，由于开挖对地层的扰动，会造成位移和地表1沉降从而会影响输水管线运营安全。地表1沉降监测及沉降量如图5所示，通过监测发现单次沉降量均小于3mm/d，累计变形量18mm，监测结果表明：采取“弱爆破开挖+减震措施+强支护体系”施工技术能够很好的控制地表1的沉降。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种下穿管线爆破减震加固系统的施工方法，其特征在于，地表（1）上设置有管线，管线下设置有隧道（3），隧道（3）通过爆破开挖施工；
具体步骤如下：
步骤一、深化图纸，确定地表（1）上管线的位置，并在管线处成排设置有地减震孔（2），地减震孔（2）设置于地表（1）处，地减震孔（2）内穿接有中空管且中空管露出地表（1），地减震孔（2）内不填充炸药；并在管线上设置有感应探头、变形传感器和在地表（1）设置有沉降观测点；
步骤二、预先设计隧道（3）内的初期支护（4）、现浇套拱（5）和二次衬砌（6），并在现浇套拱（5）内设置有洞减震孔（7）；洞减震孔（7）沿隧道（3）拱顶环形布置，且洞减震孔（7）水平设置；
步骤三、实际开挖时降低地震波振速，在开挖过程中采用控制爆破，控制减少单孔装药量及一次起爆药量；根据最大允许单响药量的计算，确定通过缩短循环进尺，减小爆破药量来控制爆破振速；
结合地减震孔（2）和洞减震孔（7）弱化地震波传播途径，通过地减震孔（2）和洞内减震管棚弱化和吸收地震波，使得地震波传播速度不大于1.5 cm／s；
步骤四、掘进时，采用连续装药结构，炸药为岩石乳化炸药，雷管使用毫秒延期导爆管雷管；周边孔采用不耦合装药结构，药串使用岩石乳化炸药和塑料导爆索制作，并将雷管使用胶带绑扎在导爆索上；
步骤五、随着开挖进行，对于初期支护（4）时将锚杆锚固长度增加适应地表（1）的沉降量，并加强二次衬砌（6）强度等级以此综合保证围岩支护强度；
步骤六、将地表（1）上的感应探头、沉降观测仪和变形传感器均与数据分析系统和数据收集系统连接，而后连接于控制终端；根据爆炸时对应爆破振速、地表（1）沉降量以及管线位移量综合制定报警装置以及控制过程爆炸施工，直至完成隧道（3）的开挖；
由于开挖对地层的扰动，造成位移和地表（1）沉降；通过沉降量监测单次沉降量和累积沉降量，单次沉降量和累积沉降量均不能超过设计沉降量。
2.如权利要求1所述的一种下穿管线爆破减震加固系统的施工方法，其特征在于，通过感应探头监测垂直方向传播的爆破震波对管线破坏影响，监测时重点观测该项峰值并实时监测；若监测到任意方向振动波峰值超过设计值，调整爆破参数，重新进行试爆，监测出爆破振动各向峰值符合设计要求后，爆破施工正常进行。
3.如权利要求1所述的一种下穿管线爆破减震加固系统的施工方法，其特征在于，若通过对连续多个循环进尺爆破振速数据分析，得出爆破时单段最大单响装药量对质点振动速度影响较大，通过适当的增加非电雷管的段数避免地震波的叠加，起到减震的效果。
4.如权利要求1所述的一种下穿管线爆破减震加固系统的施工方法，其特征在于，
其中，在地表（1）与管线平行方向布设排状地减震孔（2），垂直地面钻孔，孔深不少于8m，钻孔间距不小于0.5m，钻孔内插中空PVC管，PVC管外露地面不少于0.5m；地减震孔（2）施工完毕后对地减震孔（2）外露端头安装注浆阀门封堵密实；隧道（3）洞内施工通过管线交叉段后管顶上方1m范围内钻孔采用水泥砂浆封堵密实；
在拱顶设水平的洞减震孔（7），环形设置，钻孔内插PVC中空管，洞减震孔（7）内均不装药，洞减震孔（7）施工完毕后对洞减震孔（7）外露端头安装注浆阀门封堵密实，待该段主洞开挖结束后注水泥砂浆灌实；洞减震孔（7）沿原设计开挖轮廓线外扩不少于50cm，沿隧道（3）轴向长度不少于3m，该段超前锚杆钻孔应与洞减震孔（7）间隔布设。
5.一种下穿管线爆破减震加固系统，采用权利要求1至4任意一项所述的方法施工，其特征在于，包括下穿管线的隧道（3）、设置于地表（1）的地减震孔（2）、设置于隧道（3）内的洞减震孔（7）、设置于隧道（3）内的初期支护（4）以及二次衬砌（6）；
所述地减震孔（2）成排设置，地减震孔（2）与地表（1）上的管线平行设置，所述地减震孔（2）内穿接有中空管，所述中空管露出地表（1）；所述洞减震孔（7）沿隧道（3）拱顶环形布置，且洞减震孔（7）水平设置；
所述初期支护（4）为锚杆加固体系，锚杆长度基于后期围岩设计变形量设置；而二次衬砌（6）强度等级高于设计强度等级。
6.如权利要求5所述的一种下穿管线爆破减震加固系统，其特征在于，所述地减震孔（2）垂直地表（1），孔深不小于8m，钻孔间距不小于0.5m；地减震孔（2）内插入有中空的PVC管且外露地面0.5m；中空管外露端头密封设置；且洞内通过管线交叉段后管顶上方1m范围内设置有水泥砂浆密封层。
7.如权利要求6所述的一种下穿管线爆破减震加固系统，其特征在于，洞减震孔（7）内插接有中空管且中空管外伸露头，外露端头临时连接注浆阀门且填充有水泥砂浆；所述洞减震孔（7）沿原设计开挖轮廓线外扩50cm分布，沿隧道（3）轴向长度不少于3m，外扩段超前锚杆钻孔与减震孔间隔布设。
8.如权利要求5所述的一种下穿管线爆破减震加固系统，其特征在于，所述初期支护（4）和二次衬砌（6）之间设置有现浇套拱（5），所述现浇套拱（5）内为现浇混凝土层。
9.如权利要求5所述的一种下穿管线爆破减震加固系统，其特征在于，在地表（1）的管线布置有自动爆破振动报警设备，自动爆破振动报警设备包含感应探头、数据收集系统和数据分析系统以及PC端，PC端对应爆破振速区域划分对应的报警音频装置。
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