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微震爆破技术在南山上隧道换拱施工中的应用

2016-11-16 11:10:18.0 责任编辑:崔玮娜

王  刚

(中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安,710016)

摘要:高风险黄土隧道施工中,当实际变形量超出设计预留变形量时,会导致初期支护侵入二次衬砌空间,当发生侵界时,必须对侵界部分喷射混凝土及拆除钢拱架,重新施作初期支护。文章介绍了南山上隧道施工中运用微震爆破技术,成功拆除了隧道初期支护体系,运用爆破监测及监控量测手段,验证了微震爆破换拱过程安全可控。运用微震爆破技术节约了成本,降低了安全风险,加快了进度,也为今后类似工程的施工提供了借鉴和参考。

关键词:微震爆破技术;高风险黄土隧道;预留变形量;侵界;换拱

 

在隧道工程尤其是高风险黄土隧道工程施工中,经常会发生以喷射混凝土和钢拱架组成的初期支护体系侵入二次衬砌空间的现象(以下简称侵界),究其原因,主要为实际沉降量大大超出设计预留变形量。一旦发生侵界现象,必须对侵界实体进行拆除,提升钢拱架至设计位置,重新施作初期支护,通常采取人工用风镐逐块剥离的拆除方法。采取人工拆换拱方法,不仅进度缓慢,安全风险大,而且增加了成本。

鉴于此,拟在南山上隧道侵界段尝试采用微震爆破技术进行换拱施土。采取微震爆破方法进行喷射混凝土及钢拱架拆除,需要进行两个方面的控制:爆破产生地震波不能导致邻近二衬混凝土产生变形和裂缝、不能引发邻近洞段的二次沉降,采用微震爆破、爆破监测、监控量测技术可以有效地解决这一难题。

l工程概况

南山上隧道位于山西省忻州市和阳曲县之间,是新建大同至西安客运专线铁路重点隧道之一,也是高风险隧道之一,全长6008m,为单洞双线隧道,隧道进口段DK221+610~DK222+120为第四系新黄土、老黄土。发生侵界的洞段为DK22l+815~DK22l+855段,该段设计衬砌类型为IVb,埋深38~19m,为浅埋区,左右两侧地表均为连续冲沟,土质为老黄土,含水率较大,实测为18.6%,超过界限含水率。设计开挖断面尺寸为14.9m×12.68m,设计初期支护为喷射C30混凝土30cm,钢拱架122a,问距60cm。设计预留沉降量15cm。

该洞段属于浅埋洞段,地表穿越深切冲沟一处,含水率偏高,是该段拱部下沉的主要原因;经实测,该段拱部侵界约15~40cm,侵界情况如图1所示。

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2施工方案

2.1施工工艺流程

施工工艺流程为:施工准备一换拱台车就位一临时拱架加固一布孔一钻孔一装药一联网一监测点布设一起爆、监测一清理拆除混凝土一拆卸拱架一侵界土体扩挖一钢筋网挂设一重新安装拱架一监测点埋设一喷射混凝土一等强一拆除临时支撑一换拱台车移位一进入下一循环。

2.2支撑加固

在换拱前,利用换拱台车每间隔二榀拱架对初期支护钢架进行临时支撑加固,以免在换拱过程中相邻拱架受力过大而失稳。换拱台车支撑加固方案如图2所示。施工中应注意以下几点:

(1)每间隔两榀拱架加一道环向支撑,并与换拱台车连接成整体支撑结构。

(2)环向用I 22工字钢顶住原拱架,连接处采用I 22工字钢架设临时竖撑、横撑,横竖撑间与环向拱架焊接牢固。

(3)严格控制每次拆除单元长度,每次只允许拆除两榀拱架,禁止多榀钢拱架一次拆除。

(4)支撑结构中心心与换拱台车重心一致,避免施工中因重心偏位而失稳。

(5)环向临时支撑拱应与实际空间半径一致,避免因临时支撑拱架半径误差而无法对原拱架形成紧密支撑结构。

(6)横向、竖向支撑与环向支撑、台车间应焊接牢固。

(7)换拱台车应有足够的刚度,并在就位后对行走部分进行锁定。

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2.3钻孔施工

依据测量实测断面确定每一孔位侵界厚度,定出钻孔平面位置并标示钻孔深度,采用手风钻钻孔:间排距30cm×30cm,孔深:侵界厚度×2/3,钻孔方向垂直洞壁,孔径Ф42mm。钻孔布置方案如图3所示。施工中应注意以下几点:

(1)施钻前准确布设孔位,并在每个孔位标示钻孔深度。

(2)孔位平面误差不大于5cm。

(3)钻孔深度为:侵界厚度×2/3,孔深误差不大于5cm。

(4)钻孔方向应垂直于洞壁,外插角误差不大于5°。

(5)钻孔时遇到喷射混凝土中的钢筋网无法钻孔时,应切断钢筋网后继续施钻或在旁边5cm范围内重新选择钻孔。

(6)钻孔深度超深时,应用同标号砂浆对超深部分进行填充。

(7)钻孔完成后应对孔深进行检查,并用高压风清理孔内钻渣。

(8)炮孔经检查合格后,方可装药爆破。

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3微震爆破设计

3.1基本概念

微震爆破即通常所说的弱爆破,采取超浅孔、密造孔、小药量、小规模、多频次,是以减弱爆破产生的地震波对邻近建筑物、围岩的扰动为目的的控制爆破办式。

3.2爆破设计原则

为有效削减爆破振动效应,采取分单元拆除、拆除一单元支护一单元措施,尽可能减少对附近建筑物的扰动,将各项指标控制在允许范围以内。

3.3爆破参数

最小抵抗线(W0):装药重心到自由面的最短距离,采取孔底装药,根据拆除体厚度,取W0=30cm。

钻孔深度(h):h=W0=30cm(由于侵界厚度不等,取侵界厚度的2/3~4/5,为了便于施工,统一按30cm选取)。

炮孔间距(a):a=W0=30cm。

炮孔排距(b):b=a=30cm。

浅孔微震爆破药包单位用药量(q):q=0.3kg/m3

单孔装药量(Q1):Q1=kqabh,取k=1.20,Q1=kqabh=1.2×0.3×0.3×0.3×0.3≈0.01kg。

  K为后排药量均加系数,这里取1.2。

3.4最大单响药量Q

已知建筑物允许最大质点振动速度和爆破振动允许安全距离,则可按照萨道夫斯基经验公式计算爆破振动对邻近新浇筑混凝土的影响:

    v=K(Q1/3/R)a

式中,v为建筑物允许最大质点振动速度,cm/s;K、a分别为爆破点至测点间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数;Q为最大单响药量,kg;R为爆破振动允许安全距离,m。

通过萨道夫斯基公式变形得出:Q=R3(v/K)3/a

根据《爆破安全规程》,新浇筑混凝土安全质点振动速度见表1。

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针对本工程,主要参数选取如下:

根据本工程地形、地质条件,以及隧道工程实践,喷射混凝土按硬岩取值,K=100,a=1.5。根据表1,结合本工程二次衬砌混凝土浇筑龄期,最大质点速度v=2.5cm/s。现场换拱拆除混凝土部位距最近一处二次衬砌混凝土距离为8m,允许安全距离R=8m。

得出:Q=R3(V/K)3/a=83(2.5/100)3/1.5 =0.32kg。

3.5爆破器材选取

采用防水型乳化炸药,药卷直径Ф25mm,爆速3600mm/s,雷管采用非电毫秒微差雷管,炮孔堵塞采取黏土+细砂混合后封堵。

3.6起爆网络

齐发同段位炮孔数量(n):n=Q/Q1=0.32/0.01=32孔。

采用同列同段孔外等间隔控制毫秒起爆网路,起爆顺序是:先起爆拆除区中间部位,然后向两侧逐渐起爆,同列炮孔装同一段毫秒雷管数量不得超过32孔,孔外将同一段的毫秒雷管串联,电子激发器起爆,爆破网路如图4所示。

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4爆破监测

本工程为隧道内拆除爆破,需保护的周边建筑物为隧道二次衬砌混凝土。因此,确定建筑物的爆破振动速度不大于2.5cm/s。

4.1监测仪器和方法

监测采用拾振仪、振动信号自记仪、垂直速度传感器和计算机组成的测试系统。量测过程中振动测试仪自动采集、存储相关数据。由于爆破振动效应随着传播距离的增大逐渐衰减,因此每次测试时基本上是在离爆破点较近的测点进行测试。每次测试结束后,立即对测试结果进行整理分析,并参照监测数据,调整并修正下一次爆破的参数,保证爆破作业顺利、安全地进行。爆破振动监测测点的布置主要考虑保护对象和爆源两方面,一般采取以跟踪监测为主,在具体的爆破振动监测过程中,同一个测点布设水平向和竖直向传感器,传感器用石膏固定,然后与自记仪相连,当爆破振动传递到测点时,自记仪将自动记录信号。

4.2监测点的布置

根据喷射混凝土拆除爆破与二衬混凝土的位置和距离,在二衬混凝上顶拱及拱腰部位布置3组测点,测点布置如图5所示。

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4.3爆破监测

隧道二衬(C1通道):该组测点位于距拆除区域30m处的隧道二衬混凝土面部位,其最大振速为1.92cm/s。

隧道初期(C2通道):该组测点位于距拆除区域30m处的隧道初支混凝土面部位,其最大振速为1.68cm/s。

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由图6可以看出,振动曲线有7个变化点,爆破分7段进行,最大振速出现在第一段上,即最大振速对应时刻为中间拉槽爆破时刻,所以应控制中间拉槽部位的最大装药量。

4.4监测结果分析

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由表2中数据可知,目前采用微振爆破方式产生的振动速度均在设计值2.5cm/s以下,符合设计和规范要求。当监测点距离爆破源较近时爆破振动较大,当测点距离爆破点较远时爆破振动速度较小;当齐发药量较大时爆破振动较大,当齐发药量较小时爆破振动速度较小。因此,当实施微震爆破拆除混凝土作业时,应严格控制装药量和装药工艺,降低爆破振动速度,确保二衬混凝土和初支混凝土的安全。

5监控量测

采用“微振爆破换拱”工法换拱施工期间,分别在DK221+800、DK221+835、DK22l+870部位布设了量测断面,对地表沉降进行持续监测,并对隧道段拱顶沉降、周边收敛动态数值进行采集。

地表沉降监测结果显示,换拱期间地表最大沉降量为3mm,发生洞段在隧道换拱拆除段,发生时段为换拱施工期,换拱结束后地表沉降趋于稳定,发生在换拱区域的地表沉降时态曲线如图7所示。

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隧道收敛观测结果显示,最大值为2.4mm,发生在隧道换拱区域。

拱顶下沉监测结果显示,最大沉降值为6.5mm,发生在隧道换拱区域,拱顶沉降时态曲线如图8所示。

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结果表明:换拱施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态,换拱区邻近区域未发生明显变形。

6效益分析

将钢拱架混凝土拆除由机械或人工拆除法优化为微震爆破拆除法,避免了机械或人工拆除时的安全风险,解决了近距离拆除爆破对邻近建筑物混凝土保护的难题,削减了爆破地震效应对建筑物的损害,提高了拆除初期支护体系的安全性和可靠性,节约了大量人力物力投入,进而节约了工程成本,缩短了工程建设工期。高风险黄土隧道微震爆破换拱法的成功,为以后类似工程提供了可靠的决策依据和技术指标,新颖的工法技术将促进地下工程施工技术的进步,社会效益和环境效益明显。

采取微震爆破方法与同类拆除混凝土换拱方法相比,由于安全性高、工程进度快、干扰因素少,发挥了工法的优越性,节约了大量工程费用的投入。将3个月的拆除混凝土换拱工期缩短为15d,为工程施工进度赢得了2.5个月的宝贵时间,另外由于施工方法的优化,节约了工程成本近80万元,创造了良好的经济效益。

7结语

隧道施工中采用微震爆破技术,成功拆除了隧道初期支护体系,运用爆破监测及监控量测手段,验证了微震爆破换拱过程安全可控。采用微震爆破换拱节约了成本,降低了安全风险,加快了进度,也为今后类似工程的施工提供了借鉴和参考。

参考文献

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[2]张正宇,等.现代水利水电工程爆破[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[3]言志信,王永和,江平,等.爆破地震测试及建筑结构安全标准研究[J].岩石力学与工程学报 2003,22(11):1907~1911.

摘自《中国爆破新进展》