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1、公路交通技术 2013 年 6 月 第 3 期Technology of Highway and Transport Jun. 2013No. 3下穿高压铁塔的大跨小净距隧道控制爆破技术研究 顺1 ，丁 浩2 ，郭军2 ，秦峰1余( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067; 2 公路隧道建设技术国家工程实验室，重庆400067)摘 要: 茶山隧道是广东省某高速公路在建的一座大跨小净距隧道，下穿 500 kV 高压线铁塔，对爆破开挖要求极高。针对该隧道埋深较浅、围岩变化较频繁、长度短的情况，提出全隧道采用短距离三台阶分次爆破开挖方案，即将上台 阶单段最大装药量控制在 23 kg
2、 以内，选择合理的爆破参数，并根据爆破震动监测进行修正，力求隧道爆破时高压铁 塔塔基处爆破震动速度不大于 2. 5 cm / s，以保障隧道上方高压铁塔的稳定和隧道施工安全。该隧道的开挖及爆破 方案可为类似工程提供借鉴。关键词: 高压铁塔; 隧道; 控制爆破文章编号: 1009 6477( 2013) 03 0125 05中图分类号: U459. 2文献标识码: Aesearch on Controlled Blasting Techniques for Large-span-small-clearanceTunnels with High-voltage Towers Crossing Un
3、derneathYU Shun1 ，DING Hao2 ，GUO Jun2 ，QIN Feng1Abstract: Chanshan Tunnel is a large-span-small-clearance tunnel under construction on some expresswayin Guangdong Province with 500kV high-voltage towers crossing underneath，so blasting excavation is highly required In accordance with shallow buried d
4、epth，frequent changes of wall rocks and short length of the tunnel，this paper proposes a scheme of three-step blasting excavation by time in short distance for the whole tunnel，i e controlling the max dosage at single section of upper step within 23kg，selecting reasonable blasting parameters and cor
5、recting according to monitoring for blasting vibration in order that the blasting vibration velocity at the foundation of high-voltage towers is not more than 2 5cm / s during tunnel blasting to guarantee stability of high-voltage towers above the tunnel and safety in tunnel construction The excavat
6、ing and blasting scheme of the tunnel can provide a reference for similar projectsKey words: high-voltage tower; tunnel; controlled blasting隧道掘进爆 破 振 动将会对铁塔的稳定产生一定影 响，故设计要求塔基处爆破震动速度不大于 2. 5 cm / s。 同时，根据 GB 67222003爆 破 安 全 规 程相 关 规 定，相邻交通隧道最近爆破点处爆破震动速度不得 大于 15 cm / s1。因 此，施工中必须对爆破振动进 行控制，减少对中间夹岩体的扰动
7、和破坏，并全程监 测塔基处的爆破震动速度，以确保高压铁塔的安全。1工程概况目前广东省某高速公路在建的茶山隧道穿越一脊状山，设计为 双 向 3 车 道。其 毛 洞 宽 约 18 m，高约 12 m，左右线均分别长约 260 m，两洞设计线间距 约 13 m，两线走向大体 平 行，属大跨小净距隧道。 茶山隧道地段为岩溶浅丘及河流堆积地貌，主要岩 性为灰岩夹薄层页岩。受 3 处岩溶洼地影 响，洞 顶 地面呈起伏状，隧道埋深 10 50 m。隧道进口左侧山顶有一 500 kV 高压线铁塔，见 图 1。塔高 30 m，塔基为混凝土基础，隧道从其下方37 m 处穿越，开挖边线距塔基最小水平距离约 8. 5
8、 m。2开挖方案确定由于茶山隧道是分离式小净距隧 道，且 铁 塔 位于隧道左线的左侧，因此先开挖右线隧道，再开挖左线隧道，以尽量减小对高压铁塔的震动。勘察及设基金项目: 广东省重大工程科技攻关项目( 2009 01 001)收稿日期: 2012 10 21作者简介: 余 顺( 1982 ) ，男，重庆市人，硕士，工程师126公 路 交通 技 术2013 年65 cm; 底板眼间距 55 cm，周边眼装药集中度 0. 30 0. 32 kg / m。对于有仰拱段落 ( 、级围岩) ，以塔 基附近的级围岩为控制重点，爆破参数周边眼间 距取 55 cm，周边眼最小抵 抗 线 60 cm; 底 板 眼
9、 间 距60 cm，周边眼装药集中度 0. 25 0. 30 kg / m。3. 1. 2炮眼深度炮孔深度不仅决定着爆破循环 进 尺 与 掘 进 速度，而且影响爆破效果，是爆破地震效应的主要影响 因素之一6。由于茶山隧道岩体属中等硬度，且具有较大的韧性，若选取的炮孔深度过大，岩体爆破的 夹制性也大，炮孔利用率低，且还可能形成爆破的内 部作用，产生强烈的爆破地震效应，甚至破坏围岩的 完整性。爆破振速与进尺也是相对应的，进尺 越 大图 1高压铁塔与隧道实景计资料显示，茶山隧道围岩以、级为主，中间有一段 级 围 岩。单段围岩长度最短 17 m，最 长 45 m。设计级围 岩 段采用双侧壁导坑法开挖，
10、 级 围岩段采用上下台阶及下台阶预留核心土法开挖， 级围岩段采用半断面法开挖2。由于各级别围岩交替出现，长度又较短，若每个 围岩段采用不同的开挖方法，则不仅工程造价较高， 而且工序转换繁杂、施工组织较困难，对工程进度将 有一定影响; 若采用普通的爆破开挖，则单次起爆药 量多，对围岩震动影响大。后经多方论证，根据先行 开挖的右线隧道试验段围岩情况并结合项目部的施 工水平，拟对全段左右线隧道均采用短距离三台阶 法开挖。分台阶开挖既增加了临空面，降低了 爆 破 震动，还有利于开挖面的稳定，具有适用性强、灵活 多变等优点，无论地层变好还是变坏，都能及时更换 成其他方法3。7爆破振速相应也越大 。茶山隧
11、道在靠近高压铁塔前后 60 m 范围内，一次开挖进尺 、级围岩控制 在 1 m 左 右， 级 围 岩 控 制 在 2 m 以 内; 距 离 铁 塔60 m 外可适当放宽。3. 1. 3掏槽形式选定隧道爆破开挖的关键是掏槽，掏槽 形 式 可 分 为斜眼掏槽、锥形掏槽、楔形掏槽、扇形 掏 槽 等。从 有 关隧道爆破开挖质点振动速度的观测中发现: 一般 情况下，掏槽爆破的地震动强度比其他部位炮眼爆 破时的地震动强度都要大。因此，从减小掏槽 爆 破 的地震动强度出发，茶山隧道爆破设计选用楔形掏 槽。、级围岩每对掏槽孔的孔深 1. 5 m，孔口距1. 8 m，孔底距 0. 2 m; 级围岩采 用 2 级
12、 复 式 楔 形掏槽，内层掏槽孔孔深 2. 2 m，孔口距 2. 6 m，孔底距0. 4 m; 外层掏槽孔孔深 2. 3 m，孔口距 4. 0 m，孔底 距 1. 4 m。3. 1. 4 不耦合装药实践证明，药卷在有空隙的炮眼中爆炸时，形成 的冲击波随不耦合系数的增大而衰减。光面爆破装 药不耦合系数取值范围一般为 1. 25 2. 5。根据地 勘报告，茶山隧道围岩的单轴饱和抗压强度在 33 45MPa 之间，属中硬岩，此处不耦合装药系数取 1. 25。3. 1. 5 单段最大装药量隧道爆破振动量值与起爆方式、装 药 参 数 尤 其 是主药包药量、地质情况、爆破点与测量点的距离及 介质情况有关。
13、减震爆破理论认为，当相邻段 起 爆 间隔时间足够长、相邻段震动波形不重叠时，爆破开 挖的最大震动速度值决定于某单段的最大装药量。 因此，要严格控制同段雷管的最大允许装药 量。经3爆破方案设计已有爆破震动测试资料表明，预裂爆破、光面爆破与普通爆破相比，爆破引起的( 质点) 震动速度可降低 10% 50%4。同 时，采 用 光 面 爆 破 ( 包 括 预 裂爆破) 后断面轮廓成型规整，符 合 设 计 断 面 的 轮 廓要求，围 岩 保 持 稳 定，不产生或很少产生炮震裂 隙5。因此，为减小隧道爆破对围岩和高压铁塔塔 基的扰动，茶山隧道采用三台阶光面爆破方案。上、 中、下台阶的炮孔直径均采用 40
14、mm，药卷规格采 用 32 mm200 mm，炸药为岩石膨化硝铵炸药和 2 号岩石乳化炸药。3. 1爆破参数及减震措施3. 1. 1光爆参数光面爆破参数的选取对光面爆破效果具有重要 影响。茶山隧道爆破参数是根据其地质情况和施工 经验并参照有关规范来选取。对于无仰拱段落 ( 级围岩) ，周边眼间距取 60 cm，周边眼最小抵 抗 线2013 年 第 3 期余 顺，等: 下穿高压铁塔的大跨小净距隧道控制爆破技术研究127试算，茶山隧道爆破距离塔基最近处的上台阶单段最大装药量约为 23 kg。500 kV 高压线铁塔是茶山隧道施 工 中 遇 到 的一个重要建筑物，丝毫不容大意。为了及时掌 控 隧 道
15、爆破开挖对高压铁塔的震动影响，在高压铁塔的4 个塔基上均布设了 1 个测点 ( 共 4 个) ，以 监 测 每 次爆破传到塔基处的震速是否超过了规定震速。高 压铁塔、隧道与爆破监测点关系和塔基监测点的细 部大样图见图 3、图 4。当隧道上台阶开挖至 YK155+620 时，掌子面水平距离塔基正下方只有 2 m，对该 处爆破 振 动 波 进 行 分 析，得到水平速度分量达到 2. 579 cm / s9，见图 5。经分析，认为主要是由于上 台阶底板眼装药量偏大所致。于是在现场立即作出 调整，降低了下一循环的爆破总装药量和上台阶底 板眼装药量( 最大段装药量) ，随后测得的震速也降 到 2. 5
16、cm / s 以下。大量监测数据表明，爆破开挖断 面距离塔基越远，同等药量下爆破产生的震速在塔 基处测得的量值也越小。微差爆破3. 1. 6选用合理的段间隔时差，使段间隔 时 差 大 于 爆破主震相的震动延续时间，使每段炸药的爆破基本 上起独立作用，避免爆破震动波叠加。因此，利用微 差爆破可尽量减少振动强度叠加，与齐发爆破相比， 其降震率约为 10% 50% 。微差段数越多，降震效 果越好。茶山隧道爆破采用了塑料导爆管毫秒雷管 微差起爆，雷管段数为 1 13 段，均为奇数跳段使用。3. 2爆破设计图为了减小隧道爆破对塔基的震动，隧 道 施 工 时先开挖上台阶，为中下台阶创造一个较大的临空面。根
17、据三台阶开挖方案，结合该隧道的断面尺寸及上 述爆破参数 布 置 炮 孔，采用复式网路连接，按 掏 槽 眼、辅助眼、周边眼顺序依次起爆。距 离 塔 基 前 后60 m 范围内无仰拱段和有仰拱段的断面装药及 炮 孔布置见表 1、表 2 及图 2、图 38; 60 m 范围外作适 当调整。5结语根据隧道的地质情况选 择 适 宜的开挖方案，选取合适的爆破参数，切实按照爆破方案施工，是保证茶山隧道上方高压铁塔稳定和隧道施工安全的重要4爆破震动监测表 1无仰拱段断面爆破参数开挖部位炮眼类别孔深 / m雷管段位 / 段眼数单孔药量 / kg每段药量 / kg掏槽眼掏槽眼 辅助眼 辅助眼 辅助眼 周边眼 底板
18、眼2. 42. 422222135791113668141930191. 41. 41. 051. 050. 60. 61. 058. 48. 48. 414. 711. 41819. 95上台阶辅助眼辅助眼 辅助眼 辅助眼 周边眼 底板眼22222213579111516171710171. 051. 051. 051. 050. 61. 0515. 7516. 817. 8517. 85617. 85中台阶辅助眼辅助眼 辅助眼 周边眼 底板眼222221357918171810291. 051. 051. 050. 61. 0518. 917. 8518. 9630. 45下台阶合计286
19、273. 45128公路 交 通 技 术2013 年表 2有仰拱段断面爆破参数开挖部位炮眼类别孔深 / m雷管段位 / 段眼数单孔药量 / kg每段药量 / kg掏槽眼辅助眼 辅助眼 辅助眼 辅助眼 周边眼 底板眼1. 2111111135791113648141931210. 60. 570. 570. 570. 570. 290. 573. 62. 284. 567. 9810. 838. 9911. 97上台阶辅助眼辅助眼 辅助眼 辅助眼 辅助眼 辅助眼 周边眼1111111135791113161617191717160. 570. 570. 570. 570. 570. 570. 2
20、99. 129. 129. 6910. 839. 699. 694. 64中台阶辅助眼辅助眼 辅助眼 辅助眼 底板眼111111357918171713340. 570. 570. 570. 570. 5710. 269. 699. 697. 4119. 38下台阶合计318169. 42( a) 无仰拱段单位: m图 3高压铁塔、隧道及爆破监测点关系( b) 有仰拱段单位: cm图 2断面爆破布置图 4塔基监测点细部2013 年 第 3 期余 顺，等: 下穿高压铁塔的大跨小净距隧道控制爆破技术研究129全规程S 北京: 中国标准出版社，2011招商局重庆交通科研设计院有限公司 乐昌至广州高
21、速公路两阶段施工设计图纸Z 重庆: 招商局重庆交 通科研设计院有限公司，2010王梦恕 中国隧道及地下工程修建技术M 北京: 人 民交通出版社，2010潘炳泽 小净距隧道减震施工技 术J 建 筑 与 工 程，2009( 5) : 319321齐景岳，刘正雄 隧道爆破现代技术M 北京: 中国铁 道出版社，1995郭建群，张 继 春，曹 孝 君，等 穿越高楼下的浅埋隧道 掘进控制爆破技术J 爆破，2003，20( 1) : 2830 吴超凡 特大断面小净距隧道爆破振动控制技术J 隧道建设，2009，29( 2) : 232234深圳路桥 集 团 公 司 茶山隧道洞身开挖、支 护 施 工 专 项方案
22、报告 深圳: 深圳路桥集团公司，2011 四川交大工程检测咨询有限公司 隧道爆破振动监测 预警报告 成 都: 四川交大工程检测咨询有限公 司，2011234图 5监测点水平速度分量速度变化5条件。爆破震动监测是检验设计爆破参数与实际施工正确与否的有效方法，也是控制爆破震动的重要 手段。茶山隧道爆破掘进过程中，根据监测结果，及 时调整爆破参数和施工方法，指导爆破安全作业，从 而有效地控制了爆破地震效应。同时，由于对 高 压 铁塔塔基的重点监控，也使得小净距隧道先行洞的 爆破开挖对后行临近洞的震动得到间接控制。6789参 考 文 献国家质量监督检验检疫总局 GB 67222003 爆破安1欍欍欍欍
23、欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍( 上接第 124 页)主拱变形均匀、对称，且施工时可减少主拱正负挠度变化次数。2) 采用半桥拱上建筑加固施工方法时，若考虑 制动墩作用，当拱墩的抗推刚度比小于 38 时，各 主 拱出现严重不对称的变形且靠近制动墩主拱的拱脚 可能开裂; 当拱墩抗推刚度比大于 38 时，各 主 拱 不 对称变形减小，荷载变化跨的主拱各截面应力变化 接近方法 1 的主拱截面应力变化，说明制动墩的抗 推刚度对多跨石拱桥施工方法的选择有很大影响。 因此，当拱墩抗推比大于 38 时，该方法可 用 于 类 似 多跨石拱桥拱上建筑的加固改造
24、施工。3) 对于多跨石拱桥，当拱墩抗推刚度比大于 38 时，可以利用制动墩，对于拱上建筑的加固采用半桥 半幅的施工方法。一方面，采用半桥半幅的加 固 施 工方法时，主拱结构位移、应力变化比较均匀; 另一 方面，可以进一步减小施工作业面并解决桥梁加固 施工中的通行问题，确保多跨石拱桥加固按期完工。参 考 文 献刘士林，向中富 特大跨石拱桥研究与实践M 北京: 人民交通出版社，2006周建庭，郝 义，刘 国 金，等 石拱桥合理加固工序及 内力分析J 公路，2005( 4) : 3335王 鹏，周建庭 拱上横载调整的石拱桥加固改造研究J 重庆交通学院学报: 自然科学版，2006( 增) : 1215 张喜波 多跨悬链线空腹式拱桥有限元模型研究D 重庆: 重庆交通大学，2008胡崇武，范立础，周 卫 大跨度石拱桥拱上结构联合 作用分析 与 研 究J 公 路 交 通 科 技，2005，22 ( 1 ) :105 107陈 强，吴 俊 才 桥梁病害加固施工控 制 浅 析J 现 代交通技术，2011( 3) : 4547交通部公路规划设计院 JTJ 02285公路砖石及混 凝土桥涵设计规范S 北京: 电子工业出版，1985 王国鼎 拱 桥 连 拱 计 算M 北 京: 人民交通出版社，199812345667