浅谈静力爆破在浅埋大断面隧道双侧壁导坑法下穿高速公路施工中的应用

尚宝江

摘要：浅埋大断面隧道在下穿高速公路开挖过程中，具有较大的安全施工风险，双侧壁导坑法开挖适用于围岩较差的V级浅埋大断面隧道，静力爆破较传统钻爆能够减少对围岩的震动扰动，更能够有效地控制地表沉降，确保高速公路行车安全。

Abstract： There are great safety risks in the construction of expressway under shallow-buried large-section tunnels. The double-side guide pit excavation is suitable for the V-level shallow buried large-section tunnel with poor surrounding rock. Static blasting. compared with the traditional drilling and blasting， can reduce the vibration disturbance to the surrounding rock， and can effectively control the surface settlement and ensure the safe driving of the expressway.

关键词：双侧壁导坑；静力爆破；地表沉降；行车安全

Key words： double side wall guide pit；static blasting；surface settlement；driving safety

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0126-03

0 引言

随着交通体系的不断发展和完善，新建交通线路和既有交通线路呈现立体交叉结构，即浅埋下穿或桥梁上跨既有线路，浅埋大断面隧道下穿既有高速公路施工技术成为重点研究对象。隧道开挖一般采用钻爆法，根据围岩情况，调整炮孔间距、炮孔深度、装药量完成围岩爆破施工。但常规爆破会产生振动冲击波，在一些离周围建筑物非常近、不能产生大的震动的地方，使用炸药爆破就存在较大的风险，因此这些特殊环境下需要一种更安全可靠的施工方法——静力爆破。本文结合鼓楼隧道实例重点阐述静力爆破技术在浅埋大断面隧道双侧壁导坑法下穿高速公路施工中的应用，减少对隧道初期支护的破坏和爆破振动对地层的不利影响，确保高速公路绝对行车安全。

1 依托工程简介

1.1 基本概况

唐山市中心城区环线（二环路）工程B-13标鼓楼隧道位于唐山市开平区境内，下穿唐津高速及开凤路，交叉处唐津高速公路桩号为K9+540，与唐津高速交叉角度约为53°，隧道内顶至唐津高速路面高度14.95m，下穿高速段开挖断面为164m2，为浅埋大断面该隧道。该隧道为分离式隧道，两洞测设中心线距离为46m，其中南侧隧道长390m，北侧隧道长365m。鼓楼隧道下穿唐津高速段北侧隧道里程桩号为NK0+800-NK0+925，南侧隧道里程桩号为SK0+850-SK0+975；唐津高速公路既是连接我国东北地区与华东、华南地區的快速通道，也是天津市东部和天津港对外的高速公路通道。工程处在十分敏感的地段，高速路上车流量大、车速快，为保证下穿段隧道施工期间高速路的绝对行车安全，因此必须降低隧道开挖期间及道路运营后高速公路路面绝对沉降值。

1.2 地质情况

下穿唐津高速段隧址范围内围岩为强风化泥岩，风化强烈，呈角砾碎石状，岩层倾向155°，倾角38°，组织结构大部分破坏，风化裂隙很发育。隧道位于原不明矾土矿露采、洞采老采区，根据物探报告隧址范围内共发现3处采空区，均位于隧道上覆唐津高速两侧，不能排除采掘巷道的分布。经钻探，隧址范围未见地下水。

2 隧道开挖、支护方法

隧道下穿唐津高速段开挖前施做？准108洞身大管棚，隧道洞身管棚施工完成后，采用双侧壁导坑法进行开挖施工，为保证为保证下穿段隧道施工期间高速路的绝对行车安全，北侧隧道桩号NK0+800-NK0+925，南侧隧道桩号SK0+850-SK0+975段采用静力爆破开挖。

2.1 双侧壁导坑法开挖、支护顺序：

Ⅰ：导洞超前导管注浆预支护；

2：左（右）侧导洞上半断面开挖；

Ⅲ：左（右）侧导洞上半断面初期支护；

4：左（右）侧导洞下半断面开挖；

Ⅴ：左（右）侧导洞下半断面初期支护；

Ⅵ：主导洞超前导管注浆预支护；

7：主洞上部环形开挖；

Ⅷ：主洞拱部初期支护；

9：主洞核心土开挖；

10：主洞仰拱部分开挖；

Ⅺ：主洞仰拱初期支护。

注：阿拉伯数字代表开挖步序，罗马数字代表支护顺序。

2.2下穿唐津高速段双侧壁导坑法施工工序平面图见图2

2.3 双侧壁导坑法施工关键控制工序

①施工过程中严格遵循“管超前，严注浆，短开挖，强支护，勤测量，早封闭”的原则；

②严格控制导洞开挖进尺，每循环进尺0.5m；

③严格控制台阶长度，确保安全步距满足要求；

④侧导洞初期支护临时支撑钢拱架在主洞初期支护封闭成环后才能拆除。

3 静力爆破施工方法

3.1 静力爆破剂破碎原理

①静力爆破剂进行破碎的机理主要是靠破碎剂在被破碎体内发生缓慢的化学反应和物理变化而使晶粒变形、温度升高、体积膨胀，以致逐渐增大对孔壁的静膨胀压力作用，使介质产生龟裂而解体，静力膨胀破碎法也称静力迫裂和静力破碎技术。

②岩石或混凝土等脆性介质的抗拉强度远小于其抗压强度，岩石的抗拉强度约为 5～10MPa，混凝土的抗拉强度约为 20～60MPa。通常无声破碎剂的膨胀压力可达 30～50MPa，当炮孔中的静力爆破剂发挥作用时，炮孔周围介质产生周向拉应力，当拉应力值超过介质的抗拉强度时，炮孔之间便产生裂隙，随着膨胀压力的增加，裂隙逐步扩展成裂缝，继而导致介质破坏。

③静力爆破剂是以特殊硅酸盐、氧化钙为主要原料，配合其他有机、无机添加剂而制成的粉状物质，典型的化学反应式为：CaO+H2O→Ca（OH）2+6.5×104J 式中，CaO—氧化钙；H2O—水；Ca（OH）2—氢氧化钙；J—焦（热量单位）。当氧化钙变成氢氧化钙时，其晶体由立方晶体转变为复三方偏三角面体，这种晶体的转化，会引起晶体体积的膨胀。根据测定，在自由膨胀的前提下，反应后的体积可增长 3～4 倍，其表面积也增大近 100 倍，同时每 mol 还释放出 6.5×10 J 的热量。如果将它注入炮孔内，这种膨胀受到孔壁的约束，压力可上升到 50MPa，介质在这种压力作用下会产生径向压缩应力和切向的拉伸应力。

3.2 0静力爆破设计方案

下穿唐津高速段V级围岩静力爆破钻孔布置如图3所示。

图中：①钻孔直径为50mm。

②周边眼间距为0.25m，辅助眼间距0.4m，凌空面0.9m*1.5m。

③爆破顺序按照V级围岩双侧壁导坑法分七部施工。

④凌空面3个，周边眼186个，辅助眼1106个，共计1292个。

3.3 静力爆破施工工艺及关键控制点

3.3.1 静力爆破法施工包括如下步骤：

①设计布孔及钻孔。

1）开挖之前用钩机将掌子面碎石清理干净；

2）在开挖左右导洞上台阶和主导洞上台阶时，钻孔前需用炮锤开挖一个0.9m*1.5m凌空面，深度0.8m；

3）按静力爆破设计方案布设炮孔；

4）钻孔：钻孔直径采用 50mm 的钻头，周边和辅助眼深度0.8m，在钻孔内余水和余渣应用高压风吹洗干净，孔口旁干净无土石渣。

②装药。

1）向下和向下倾斜的眼孔，装药步骤如下：

在药剂中加入重量百分比为：22-32%的水拌成流质状态后，迅速倒入孔内并确保药剂在孔内处于密实状态；用药卷装填钻孔时，应逐条捅实。

2）水平方向和向上方向的钻孔，装药步骤如下：

用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋装入药剂，按一个操作循环所需要的药卷数量，放在盆中，倒入洁净水完全浸泡，30-50 秒药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并捅紧，密实地装填到孔口。

3.3.2 静力爆破施工关键控制点

①静力爆破施工时掌子面至少留有1个凌空面，以免四周挤着不好涨开，影响破碎效果。

②在施工中周边眼间距过大，导致破碎效果不理想，因边上钢拱架阻碍，用挖机处理起来相当困难，因此，要严格按爆破设计控制周边眼间距。

③经试验，药剂反应中拌合水温度控制在15℃-20℃，反应时间2-8小时，如温度过高，药剂反应过快，在装药过程中已装好药的起反应，出现了喷孔现象；如水温过低，药剂反应时间过长，超过10小时，影响工序循环。

控制药剂反应时间的方法为：在拌合水中加+入抑制剂或者严格控制拌和水、干粉药剂和岩石的温度；抑制剂为葡萄糖酸钠缓凝剂，抑制剂加入量为拌合水的 0.5%-6%。

④装填炮孔时，药卷要捣实，孔口要用炮泥堵孔。

3.3.3 静力爆破施工安全防护措施

①静爆剂浆体略有腐蚀性，操作人员必须戴手套、防护眼镜及口罩，工作完毕应及时洗脸洗手，以防碱性刺激皮肤。

②在灌浆到到裂缝出现前，不得近距离直视孔口，以防发生喷孔现象，伤害眼睛。

③因洞内施工，必须保证施工照明，施工现场设置专职安全防护人员，如经理破碎时发生异常情况，必须停止作业，查清原因并采用相关措施后，方可继续施工。

3.4 地表沉降观测和围岩监控量测

3.4.1 地表沉降点布设

本工程专门对隧道下穿高速公路起点和终点四个关键风险点进行沉降检测。结合现场实际情况，每个断面隧道中心线地表布设一点，沿隧道中心线分别向两侧间隔5m布设一点，共11点。加密风险源处监控布点测点分布及监测情况如表1、图4所示。

3.4.2 洞内拱顶沉降和净空收敛点布设

拱顶下沉测点和净空变化测点布置在同一断面上。测点应尽量对称布设，即“同面等高”，以便数据的相互验证。水平收敛点位布设在拱架连接板以上0.5-1m的位置。测点间距误差不能大于一榀钢架的间距。测点布置如图5所示。

3.4.3 观测数值

经累计观测，下穿高速段左线地表沉降最大值19.34mm，右线地表沉降最大值19.1mm；隧道洞内拱顶最大沉降值12.2mm，最大净空收敛值14.5mm，均满足设计要求。

4 结束语

在鼓楼隧道下穿唐津高速公路施工过程中，采用双侧壁导坑法将大断面隧道开挖分成7个小断面用静力爆破方式进行开挖，减少了对周边围岩的扰动和爆破振动对高速公路行车的影响，将高速公路路面最大沉降值控制在2cm内，于2017年11月份安全穿过唐津高速，确保了高速公路行车安全。施工过程中，经对钻孔间距、角度、深度和破碎药剂温度不断进行优化调整，靜力爆破取得了较好的爆破效果，碎渣尺寸20～40cm，可直接装车运输，具有较好可操作性，对浅埋大断面隧道下穿重要结构物施工有很好的借鉴作用。

参考文献：

[1]游宝坤.静态爆破技术——无声破碎剂及其应用.[M]北京：中国建材工业出版社，2008：181.

[2]杨林德.公路施工手册隧道[M].人民交通出版社，2011，07.

[3]由唐山规划建筑设计研究院设计的鼓楼隧道工程施工图纸.