新建高铁隧道近距离下穿既有重载铁路隧道爆破控制研究

新建高铁隧道近距离下穿既有重载铁路隧道爆破控制研究

 ,牛景峰

身份证号码：132526197812221276

【摘要】 为解决新建高铁隧道下穿既有重载铁路隧道安全、防止既有铁路隧道变形开裂及轨道变形，确保在隧道施工过程中既有线运营安全，以新建京张高铁草帽山隧道下穿唐呼铁路隧道为例，施工中采用爆破控制技术，通过动态调整爆破方案可以将既有隧道处最大振速控制在2.0cm/s以下，小于报警值3cm/s，满足爆破振动速度控制标准值，确保既有重载铁路隧道运营安全。

【关键词】高铁隧道近距离下穿重载铁路隧道 爆破控制

0  引言

新建高铁隧道近距离下穿既有铁路隧道安全风险大、沉降变形控制要求高，为安全完成下穿施工，防止既有隧道运营受到影响，对新建高铁隧道下穿既有重载铁路隧道施工过程中进行控制爆破，减小对既有铁路隧道的振动，保证既有铁路隧道运营安全。本文以新建京张高铁草帽山隧道下穿唐呼铁路隧道为研究背景，考虑下穿隧道交叉段互相影响等问题，开展爆破控制试验，调整爆破参数，减小振动速度，确保下穿施工安全，为今后交叉隧道施工提供参考。

1 工程概况

京张高铁草帽山隧道全长7340m，起止里程DK172+980～DK180+320。隧道为单面上坡，最大坡度为20‰。隧道穿越草帽山的主脉，山势陡峭，地形起伏较大。隧道在DK173+862～DK174+057段下穿唐呼重载铁路，京张高铁草帽山隧道与唐呼铁路北草帽山隧道交接里程DK173+965（唐呼铁路IDK25+620），平面交角76°22′，相交段落京张高铁草帽山隧道拱顶距唐呼铁路隧道底距离约16m，京张高铁草帽山隧道为全～强风化凝灰岩，Ⅴ级软弱围岩。

2爆破振动控制标准及爆破开挖振动监测试验

以京张高铁草帽山隧道工程下穿爆破开挖为研究对象，对施工过程中的振动控制标准、实时振动监测、振动分析等得到爆破地震波衰减规律、预测质点振动速度，最大单响起爆药量，结合隧道施工及时调整爆破振动控制方案，使新建高铁隧道开挖爆破施工中的振速值控制在安全范围以内，对指导隧道下穿开挖爆破施工和保证既有铁路隧道安全起到重要作用。

2.1爆破振动控制标准

根据《爆破安全规程》（GB6722-2014）中对交通隧道的要求，考虑本项目地质复杂多变且下穿运营重载铁路的安全，施工专项方案评审会专家设立了本监测方案爆破振动速度的控制值、预警值和报警值详见表1所示。

表1 监测报警阈值

2.2爆破开挖振动监测试验

在下穿既有线隧道施工前，在隧道进口段选择地层相似段落进行爆破试验，开展爆破振动监测，取得爆破振动参数及爆破振动波衰减规律，确定下穿施工段爆破振动影响范围，为制定下穿施工段爆破开挖方案提供参考。试验段总装药量78kg，单段起爆最大药量16kg。

2.2.1爆破振动试验

（1）测振仪布置

测振仪安装在隧道边墙2 m高位置处，一条水平线布置，第一个测振仪距离掌子面15m，后面测振仪依次间距5m布置，具体安装位置可根据现场实际情况做出调整。测振仪采用夹片等固定在初支混凝土面上，测振仪紧贴混凝土。

（2）监测数据采集

无线网络测振系统测振仪内置Wi-Fi、4G模块将数据上传互联网到专用服务器，实现监测数据高速、实时传送，通过后方电脑软件对监测数据进行分析处理。

2.2.2 爆破振动分析

将监测数据统计分析，距离隧道掌子面15m处测振仪振速数值最大，为3.42cm/s。具体监测结果详见表2。

表2 实测监测数据

2.3 下穿施工段振动监测及爆破控制方案

2.3.1既有线唐呼铁路隧道振动自动监测系统

在新建高铁隧道施工至下穿施工段之前，利用既有唐呼线天窗点时间，在既有线隧道内安装测振仪（采用5台网络版测振仪）、光纤通讯系统和设备调试组网，完成自动化振动监测系统调试。

测振仪安装在既有线唐呼铁路隧道爆破方向的边墙上，爆破时测振仪实时采集数据，通过网络自动将采到的爆破振动数据与波形上传到互联网专用服务器，通过电脑可远程控制、实时查看爆破振动数据。每次爆破作业后，系统及时分析监测数据，服务器将监测数据及时发送给相关人员，并根据设置报警阈值进行预警。

2.3.2 振动监测数据分析

根据新建隧道洞内试验段爆破振动监测数据，可知距开挖爆破15m处振速为3.42cm/s，不满足爆破振动控制标准的最大振速3cm/s的要求，需要对新建隧道原来的爆破开挖方案进行调整以满足要求。

使用测振仪对现场爆破振动数据采集，通过网络及时传输至服务器用数据处理软件分析，得到爆破合成速度峰值，再对合成速度峰值进行回归分析得到新建隧道爆破开挖施工对既有铁路隧道衬砌结构的影响。

2.3.3 下穿施工段爆破控制方案

根据试验段爆破方案计算，爆破最小安全距离为24.32m，两隧道的垂直净距16m，因此原爆破方案不满足要求，需要调整爆破开挖方案。

根据隧道实际地质情况采用多段毫秒雷管起爆、分区爆破、多打孔少装药、减少单段起爆药量，其中减少单响起爆药量能有效降低爆破振动影响，对爆破进行实时监测，根据振动监测情况动态调整和优化爆破方案。

依据萨道夫斯基公式可以推导出最大单响药量的计算公式。

式中，R—两隧道的垂直净距16m，V—爆破安全振速3cm/s，K、α根据现场试验得到，分别为K=181.69，α=1.81，计算得出隧道交叉点时最大单响药量为4.55kg。

交叉段施工过程中，每次爆破都要严格控制最大单响起爆药量，不得超标。隧道下穿段施工，对既有隧道爆破振动速度进行实时监测，根据监测数据分析下穿隧道爆破开挖施工中，随着开挖掌子面距离交叉点距离越来越小、爆破振动速度越来越大，在交叉点处爆破开挖时测得的振动速度最大，交叉点实测振动速度为2.0cm/s，小于报警值3.0cm/s，满足爆破振动速度控制要求。

3 既有隧道变形监测

3.1变形监测方案

下穿交叉段隧道施工过程中，爆破开挖存在对围岩扰动、地层出现松动变形等会引起上方既有隧道的沉降变形，严重时会引起既有隧道衬砌开裂、变形，影响既有隧道正常运营。为保证既有隧道正常运营，实时掌握既有隧道的变形情况，若变形数据异常，及时调整爆破参数。既有隧道内拱顶位移、隧道净空收敛监测数据采用非接触量测，沉降监测元件采用精度为0.001mm的液压式静力水准仪（PT124B-226），自动采样频率5分钟一次。既有线隧道交叉范围布置3个断面、间距10m，光纤和4G数据传输，无线自动采集。

3.2 变形监测结果

下穿段施工过程中既有铁路隧道沉降监测数据先缓慢下降，随着开挖的距离变近沉降的数据不断增大，沉降数据在新建隧道仰拱钢架闭环后趋于稳定，观测数据显示交叉点断面累计最大沉降值12mm，满足既有隧道变形要求。

4 结论

新建京张草帽山隧道下穿既有唐呼铁路隧道施工段,通过爆破振动试验取得爆破振动参数及爆破振动波衰减规律，确定下穿施工段爆破振动影响范围，为制定下穿施工段爆破开挖方案提供参考。在实际下穿过程中，交叉点实测振动速度为2.0cm/s，小于报警值3cm/s，满足爆破振动速度控制要求，下穿段交叉点断面累计最大沉降值12mm，满足既有隧道变形要求，保证既有隧道运输安全。

参考文献

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