临近高速铁路既有线大断面隧道爆破关键技术

临近高速铁路既有线大断面隧道爆破关
键技术
摘要：近年来，随着我国基础建设的突飞猛进和勘探、设计、施工水平的不断提高，隧道已经成为交通工程中重要的单体组成部分，隧道形式、断面尺寸、施工方法等也多种多样，其中钻爆法依旧是隧道开挖的主要手段，尤其光面爆破向标准化、数字化、定量化等方向有很大发展空间。

本文以威海市九华路隧道工程为背景，结合现场地形、地质条件及周边环境，对大断面隧道在临近高速铁路既有线爆破施工的参数设计、安全防护方法、爆破振动控制等施工关键技术进行探讨，以期为类似工程提供借鉴和参考。

关键词：公路隧道光面爆破数值计算爆破安全临建既有线
中图分类号： U455.6 文献标识码：A
Key Technologies for Blasting Technology of Large Section Tunnel Adjacent to the Existing Line of High-speed Railway
YOU Chong-chong
（China Railway 20th Bureau Group 4th Engineering Co. , Ltd. ,
Qingdao, Shandong 266061, China）
Abstract: In recent years, with the rapid development of infrastructure construction and the refinement of exploration, design and construction levels in China, tunnels have become an important single component of Transportation engineering, tunnel form, section size and construction method are also perse, among which drill-blasting method is still an important method of tunnel excavation, especially smooth blasting has great development space in the
direction of standardization, digitization and quantification. Based
on the actual construction situation of Jiuhua Road Tunnel in Weihai City, combined with the site topography, geological condition and surrounding environment, this paper discusses the parameters and methods of blasting construction of a large section tunnel near the existing line of high-speed railway. The research content of this
paper can provide reference for similar projects.
Keywords: Highway tunnel；smooth blasting；numerical calculation；blasting safety；temporary existing line
0 引言
隧道施工过程中即使通过地质勘探能基本确定地质、水文条件、地层岩性、
裂隙发育、破碎带等情况，划分不同围岩等级，但是由于地层结构复杂性，在实
际施工中依然存在不确定性。

因此光面爆破参数的确定，特别是临近既有铁路的
爆破参数及施工方法的选择必须经过精细设计和慎重选择。

本文以威海九华路隧道临近高速铁路既有线大断面隧道光面爆破施工为工程
背景，对爆破参数的理论计算、爆破参数调整、安全防护方法、爆破振动控制等
关键技术进行总结。

1 工程概况
1.1九华路隧道概况
九华路隧道位于威海市环翠区，为双洞双向设置，隧道左线长602m，隧道右
线长580m，最大埋深约75m，隧道双洞间距最小处11m，为分离式小净距隧道，
隧道净宽14m。

隧道进口正对青荣城际铁路，爆破场地距铁路距离为107米，进口隧道拱顶
高程与高铁路肩高程持平，自青荣城际铁路下行左侧穿越山体与北侧道路相连接。

既有铁路为青荣城际铁路，桥下及施工区域无地埋和明敷铁路缆线，既有铁路设
备正常运营。

根据施工计划，九华路隧道进口施工段落全部为Ⅴ级加强围岩（左
右洞各113m）。

施工平面布置如图1所示。

图1 施工平面布置图
1.2进口段工程地质概况
隧道进口段围岩主要为强风化片麻岩、第四纪覆盖层等构成，岩体以块碎状
镶嵌结构为主。

洞身围岩主要由素填土、粉质黏土、全风化片麻岩、强风化片麻
岩（上带）、中风化～微风化片麻岩构成，围岩节理裂隙发育，含少量上层滞水，基岩裂隙水。

隧道位于威海市环翠区，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，地震动反应谱特征周期为0.35s。

地表多被松散层覆盖，地表未见有大断层、地
裂和塌陷等迹象，局部断裂破碎带发育。

2 施工方法
结合设计图纸、现场实际地质条件及施工工期的要求等，九华路隧道进口计
划拟采用三台阶施工方法（五步开挖法），施工顺序为上台阶，中台阶左侧、中
台阶右侧、下台阶左侧、下台阶右侧。

考虑到洞口出对铁路的防护措施要求过严，从洞口往洞内20m范围采用静态爆破为主，机械开挖为辅的开挖方法，洞内20m
以后采用光面爆破。

2.1爆破设计原则
根据隧道的地质、周边环境及施工等要求，制定设计原则如下[1-3]：
（1）确保施工安全，严格控制爆破振动、爆破飞石，做好安全防护，保证
爆区周围人身安全，确保既有高速铁路的行车安全。

（2）如期完成任务。

合理安排人员设备、施工方法，采用关键工序施工控制，突出关键线路；采用平行作业和流水作业方式，加强工序之间的衔接，统筹、科学规划，对劳动力及各种资源实行动态管理。

（3）保证施工质量。

开挖掘进是隧道施工的重要工序之一。

项目整体安全、质量、进度、效益等
和爆破密不可分，爆破控制不好严重时将会造成坍方影响施工安全；石碴块度过大，将会影响装运速度；超挖过大，增加回填量直接影响经济改益；欠挖补炮，
增加工序直接影响掘进速度；底板不平（不在同一平面内），影响下一进尺的开挖：炮眼利用率不高，增加钻眼的时间和工费。

因此，为了避免盲目施工并获得
良好的爆破效果，制定质量标准如下：
1）眼痕率硬岩不小于80%，中硬岩不小于60%。

2）岩面不应有明显的爆震裂缝，爆破后围岩的扰动深度小于0.8m。

3）隧道周边不应欠挖；
4）平均线性超挖值Ⅲ、Ⅳ级围岩拱部小于15cm，边墙小于10cm。

Ⅴ级围岩
拱部小于10cm，边墙小于10cm。

5）各级围岩最大线性超挖量小于25cm。

6）炮眼利用率达到90%以上。

2.2爆破方案选择
隧道洞身采用毫秒延时微振控制爆破技术，严格控制最大单响药量。

洞口往
洞内20m范围采用静态爆破为主，机械开挖为辅的开挖方法，洞内20m以后采用
光面爆破。

2.3爆破参数设计
隧道开挖所用炸药为φ32mm乳化炸药，药卷长度为300mm，每卷药卷重量为0.3kg[4, 5]。

2.3.1炮孔的设计
1）炮眼数量
炮眼数量主要由开挖断面大小，岩层性质，炮眼直径，炸药性能、钻孔工作量等决定。

一般根据各炮眼平均分配炸药量的原则来计算[6-8]。

其公式为:
N=qS/rα
式中：N—炮眼数量，不包括未装药的空眼数；
q—单位炸药消耗量，kg/m³；
S—开挖断面积，㎡；
α—装药系数，即装药长度与炮眼全长的比值。

r—每米药卷的炸药质量，kg/m，乳化炸药的每米质量为1.0kg。

查表得，单位炸药消耗量q=1.1kg/m³。

上台阶面积：S=35.37㎡，中台阶面积：S=61.77㎡，下台阶面积：S=52.01㎡。

装药系数α，上台阶取值0.4，中、下台阶取值0.6。

计算得，上台阶炮眼数量N上=97个，中台阶炮眼数量N中=113个，下台阶炮眼数量N下=95个。

考虑到施工进度，减少钻孔数量，且上、中台阶对底板要求不高，将上、中台阶底板眼间距调整为1m。

故上台阶炮眼数量N上=97-14=83个，中台阶炮眼数量N中=113-16=97个，下台阶炮眼数量N下=95个。

2）炮眼深度
炮眼深度是指炮眼底部至作业面的距离。

根据九华路隧道进口地质条件及涉铁段的特殊要求，本工程每次掘进循环进
尺取0.6m（一榀钢拱架间距）。

根据经验炮眼利用率m取0.9。

每循环爆破作业中要求炮眼利用率不低于90%，掘进中实际的炮眼长度为炮
眼深度和炮眼利用率的乘积。

根据计算公式
L=m×H（m）
L—爆破进尺（m）；
H—炮孔深度（m）；
m—炮眼利用率。

计算的炮眼深度H=0.67m，现场实际取炮眼深度为0.7m。

为保证其他炮眼充分发挥效能，掏槽眼应加深10~20cm。

底眼也应加深
5~10cm,且应多装药以达到翻渣的作用。

3）炮眼方向和角度
炮眼方向、角度的选择根据现场围岩实际情况确定，本工程掏槽眼和周边眼
布置如图2所示。

4）炮眼直径
炮眼的直径的大小与装填主要类型、规格，钻孔速度和爆破效果等息息相关，同时还要考虑机械设备等。

本工程炮孔直径选择直径为42mm。

5）炮眼布置
根据相关规范及施工经验，本隧道开挖断面较大，选用楔形掏槽方式。

①掏槽眼的布置
掏槽眼与作业面的倾角一般变化在55°-75°之间，也有采用直眼掏槽的。

本工程掏槽眼采用70°。

九华路隧道上台阶共布置6个掏槽眼，10个辅助掏槽眼，掏槽眼孔深0.9m，辅助掏槽眼孔深0.8m。

②辅助眼的布置
为加快施工进度，减小钻孔数量，辅助眼间距上台阶辅助眼间距选择0.8m，
中台阶和下台阶间距选择1m。

③周边眼的布置
通常周边眼应考虑0.03-0.05的外插斜率，同时在断面拐角处应布置。

最小抵抗线与开挖的隧道断面面积有关。

九华路隧道断面跨度大、岩石较破碎，光爆眼受到的抵抗力较小，最小抵抗线可以选择大一点。

由施工经验决定，
一般抵抗线V约为炮眼间距的60%-80%，故确定最小抵抗线（V）为0.60～0.80m。

通过公式K= E/V
式中：E为周边炮眼间距，cm；
V为最小抵抗线，cm；
K值总是小于1，当d=38～46mm，E=30～50cm，V=60～80cm时，K=0.4～0.8。

考虑到隧道岩石节理较发育，并参照规范周边眼间距取值范围30cm-50cm，
对周边眼间距取50cm,最小抵抗线值取75cm，K=E/V=0.67。

④底板眼的布置
对于上、中台阶对底板开挖断面要求不高，为加快施工速度，间距采用1m。

对于下台阶对底板开挖断面要求比较高，作用和周边眼基本相同，间距采用0.5m。

2.3.2装药量的计算和分配
炮眼装药量的多少是影响爆破效果的重要因素。

具体每个孔的药量应根据断面大小、炸药的性能、岩层性质、炮眼的直径和深度及循环的总用药量要求来确定。

本隧道先计算每个循环的总药量，然后根据炮眼类型及作用进行合理分配，再在实际施工过程中根据现场实际进行修正。

计算药量Q的公式为
Q=q×v
式中：Q—一个爆破循环的总用药量，Kg；
q—爆破1m³岩石炸药的消耗量，Kg/m³；
V—一个循环进尺所爆落的岩石总体积，m³。

计算得装药量Q上=1.1×35.37×0.6=23.3kg，Q中
=1.1×61.77×0.6=40.8kg，Q中=1.1×52.01×0.6=34.3kg。

总的炸药量应分配到各个炮孔中去。

由于各炮眼的夹制作用及受到岩石夹制情况不同，装药量也不同，通常按装药系数ａ进行分配，ａ值可参考下表取值，详见表1[4]。

表1 装药系数ａ值
炮眼名称
岩石坚固系数f
〉101085-63-4
1
-2
掏槽眼
.8
0.7
0.6
5
0.600.55
.5
辅助（内圈眼）
.7
0.6
0.5
5
0.500.45
.4
周边眼
.7
0.6
5
0.6
0.550.45
.4
1）各种炮孔的装药量计算：
上台阶：
①掏槽孔
Q=η×L×r 式中：η——炮孔装药系数，取η=0.5 L——孔深，L＝0.9m
r——每米长度炸药量，1kg/m
经计算Q=0.45kg。

②辅助掏槽眼
η=0.5，L＝0.8m，Q=0.4kg。

③辅助孔
η=0.4，L＝0.7m，Q=0.28kg，取0.3kg。

④底板孔
η=0.4，L＝0.7m，Q=0.28kg，取0.3kg。

⑤周边孔
周边孔主要是通过装药集中度确定，以kg/m表示，
通过现场实际试爆和经验数据确定q=0.2kg/m，计算得Q=0.14kg，取0.15kg。

经计算，上台阶总炸药量为Q=22.15kg，略小于按照体积公式计算的总装药量，所以按照此药量进行装药。

中台阶：
①辅助孔
η=0.55，L＝0.7m，Q=0.385kg，取0.4kg。

②底板孔
η=0.55，L＝0.7m，Q=0.385kg，取0.4kg。

③周边孔
q=0.2kg/m，计算得Q=0.14kg，取0.15kg。

经计算，中台阶总炸药量为Q=34.8kg，略小于按照体积公式计算的总装药量，所以按照此药量进行装药。

下台阶：
①辅助孔
η=0.6，L＝0.7m，Q=0.42kg，取0.45kg。

②周边孔和底板孔
q=0.2kg/m，计算得Q=0.14kg，取0.15kg。

经计算，下台阶总炸药量为Q=30.45kg，略小于按照体积公式计算的总装药量，所以按照此药量进行装药。

具体用药参数详见表2：小净距V级加强围岩三台阶法爆破参数。

表2 小净距V级加强围岩三台阶法爆破参数
部位段
别
孔
深/
㎡
孔
数/
个
单
孔装
药量
/kg
装
药量
/kg
第Ⅰ
次
起
爆1
.9
6
.45
2.
7
3
.8
6
.4
2.
4
5
.7
4
.4
1.
6
7
.7
4
.3
1.
2
9
.7
1
7
.3
5.
1
1 1
.7
3
1
.15
4.
65
1 3
.7
1
5
.3
4.
5
合计
8
3
22
.15
第Ⅱ
次
起
爆1
.7
7
.4
2.
8
3
.7
7
.4
2.
8
5
.7
8
.4
3.
2
7
.7
1
2
.4
4.
8
9
.7
8
.15
1.
2
1 1
.7
9
.4
3.
6
合计
5
1
18
.4
第Ⅲ
次
起
爆1
.7
6
.4
2.
4
3
.7
6
.4
2.
4
5
.7
7
.4
2.
8
7
.7
1
1
.4
4.
4
9
.7
8
.15
1.
2
1
1
.7
8
.4
3.
2
合计
4
6
16
.4
第Ⅳ
次
起
爆1
.7
7
.45
3.
15 3
.7
7
.45
3.
15 5
.7
5
.45
2.
25 7
.7
1
.45
4.
5
9
.7
5
.15
0.
75 1
1
.7
1
6
.15
2.
4
合计
5
16
.2
第Ⅴ
次
起
爆1
.7
6
.45
2.
7
3
.7
6
.45
2.
7
5
.7
4
.45
1.
8
7
.7
9
.45
4.
05 9
.7
5
.15
0.
75 1
1
.7
1
5
.15
2.
25
合计
4
5
14
.25
炮眼布置图见下图2：九华路隧道小净距V级加强围岩三台阶法炮眼布置图：
图2 九华路隧道小净距V级加强围岩
三台阶法炮眼布置图
3 安全防护
3.1对既有铁路的有害效应
1）爆破飞石有害效应；对既有铁路设施和设备的破坏。

2）爆破震动有害效应；对既有铁路桥梁、隧道结构的破坏。

3）爆破噪声有害效应；对周边学校、居民区的生活影响。

3.2对飞石的控制方法
爆破飞石安全距离的验算：
根据lundborg统计规律公式，结合工程实践经验，飞石安全距离计算公式如下[9-12]：
R
f =K
f
×q×d
K
f
：为与爆破方式、填塞长度、地质和地形条件有关的系数，取值范围1.0~1.5[5]；
q：为炸药单耗，kg/m3；
d：为炮孔直径，mm；
在最大装药参数情况下，K
取1.5，浅孔爆破时q取1.2kg/m3，d取40mm，
f
（max）=72.0m。

经验算得到爆破飞石距离R
f
因此九华路隧道爆破在取最大最极端的参数时不覆盖的情况下，飞石的最远
飞散距离为72米，但是要确保铁路的绝对安全，必须做好飞石的防护。

飞石问题除了主要通过填塞炮泥和炮被防护，同时在施工前摸清被爆介质的
情况，详尽地掌握被爆体的各种有关资料，然后进行精心设计和施工，选择合理
的起爆顺序和最佳的延期时间等来解决，同时还需要设置门架等防护措施。

根据工程经验和规范等要求，主要通过三道防护措施。

首先炮孔采用炮泥进行堵塞，长度不小于30cm，炮泥采用稍湿含细砂黄粘土，堵塞需分层捣固密实，填塞过程中注意对导爆管的保护。

本隧道内均采用塑料导
爆管毫秒雷管微差起爆。

爆破网络采用孔内延期，孔外采用簇连式链接，以保证
起爆的可靠性和准确性。

其次在洞内采用移动式炮被对飞石进行阻挡，此道防护是对飞石的主要防护，可以将飞石大部分阻隔在洞内。

移动式炮被采用建议钢架形式见图3，然后挂设
炮被，此钢架靠机械设备就可以移动，可以减少每次爆破时的工效。

图3 移动式炮被示意图
此移动式炮被采用I14工字钢。

最后在洞口采用门架（见图4）进行第三道
防护。

图4 洞外门架防护
此门架形式主钢架采用φ108×6mm钢管，副框架采用φ45×4mm钢管。

靠近洞门侧挂设3层草帘，主要起到对飞石和爆破噪音的消除，外侧挂设1层棉篷布，对爆破飞石进行进一步保护，而且可以满足冬季施工的部分措施。

通过在九华路隧道出口进行试爆后，此防护（见图5）效果可行。

图5 洞外门架防护效果图
3.3对爆破振动的控制方法
爆破振动主要通过控制每段的起爆药量来控制。

洞身爆破的起爆网路采用非电导爆管毫秒延期雷管，实行多段毫秒延时起爆，可以有效地控制最大单段起爆药量，减小爆破振动对既有铁路的影响。

考虑实际情况，既有设备和基础设施内部可能存在薄弱环节或者对振动敏感的设备，并根据中国铁路济南局集团有限公司对铁路周边主要设施爆破振动速度的要求，为确保运营铁路的绝对安全，在邻近既有线路的爆破施工过程中，对运营的铁路设施爆破振动速度应控制在0.15cm/s内。

爆破振动的验算：
根据《爆破安全规程》GB6722-2014爆破振动安全允许振速公式：
R=（K/V）1/αQ1/3
式中：R—爆破地点至被保护对象的距离（m）；
Q—炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量（kg）；
V—保护对象所在地质点振动安全允许速度（cm/s）；
K、α—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，
应通过现场试验确定。

根据围岩等级及现场勘查情况，结合类似工程评估原则，本工程中的爆破参
数采用K取250，α取1.8。

根据不同围岩等级爆破区域与既有铁路最近的距离，进行爆破振动速度验算结果详见下表。

根据隧道三台阶爆破方式，最近水平距离107m，K=250，α=1.8，最大段药
量Q=5.23kg，计算值V=0.148kg，小于控制值V=0.15cm/s。

通过爆破设计，严格按照设计方案进行施工，爆破开挖产生的振动均在安全
允许的范围内，爆破振动不会对既有铁路设施及列车运营等产生安全影响，如图
6和图7所示。

图6 TC4850爆破振动分析仪安放位置
图7 TC4850爆破振动分析仪监测数据
3.4九华路隧道爆破时对噪声的控制方法
爆破噪音的减小主要通过以下几方面措施进行：
1）将炮孔用炮泥堵塞严密；
2）通过防护门挂设草帘及棉篷布进行消音。

草帘挂设3层，每层中间间隔
5cm，并且在爆破的时候用水撒湿，可有效扰乱噪音声波的正常传播，从而起到
降噪的目的。

3）装药时必须严格按照设计施工，同时要确保炮孔的孔深、孔距、排距、
最小抵抗力线符合要求。

防止噪声过大。

4）积极和当地学校和居民区进行沟通，避免“天窗点”爆破噪声对周边居
民造成影响。

通过试爆，上述方法可有效降低噪声的分贝值。

3.5防护方法的优缺点
3.5.1优点
1）整体防护只需要3t左右的钢材以及若干草帘子、棉篷布等，较好的节约
了施工成本。

2）炮被采用移动式装置，有效解决每次爆破时都需要覆盖炮被的弊端，极
大的提高的施工时的工效。

3）洞口防护草帘和棉篷布对爆破飞石起到第二道保护，同时对爆破冲击波
及噪声有较好的消减作用。

4）此防护方法摒弃了传统的排架法（图8）笨重、费工、费材、费时的弊端，而且也对施工起到了有效地、既定的预期作用。

图8 防护排架
3.5.2缺点
1）移动式炮被无法移除洞外，使用完后只能放置在隧道中，隧道施工前期会占用隧道内有限的空间，对施工机械设备的运转有一定的影响。

同时移动式炮被无法完全将飞石挡住，需要洞口的第二道防护。

2）此防护对噪声的控制还是有一定的限度，不能完全杜绝噪声的影响。

4 结语
九华路隧道临近高速铁路既有线爆破过程中采用多排微差爆破及孔内空隙装药爆破技术。

不仅提高了爆破有效利用，降低炸药单耗，改善爆破质量，而且从根本上将爆破飞石、爆破振动及空气冲击波等有害效应控制在安全的范围内。

同时安全防护措施也以较少的投入达到了预期的理想效果，且安拆方便快捷。

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1。