文章编号：1009-6825（2013）06-0156-02谈高速铁路隧道施工控制爆破方案设计收稿日期：2012-12-15作者简介：赵君（1980-），男，工程师赵君（中铁十八局集团有限公司，天津300222）摘要：就京沪高铁金牛山隧道下穿既有公路的综合施工技术作为研究内容，结合金牛山隧道的特点，采用经验公式对爆破方案进行设计，以此确定单段最大装药量，从而为工程实践提供参考。
关键词：隧道，数值计算，爆破中图分类号：U455．6文献标识码：A1工程概况京沪高速铁路作为我国高速铁路网中“四纵”的重要组成部分，于2008年4月开工建设，线路总长度达1300余千米，设计时速350km/h，是新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路，京沪高速铁路现已建成并于2011年6月正式开通运营。
本文研究之金牛山隧道位于山东省泰安市岱岳区六郎坟村与高新区小官庄村之间，隧道进口里程为DK465+335，出口里程为DK467+240，隧道全长1905m，隧道内为单面坡，坡度3ɢ和12ɢ的上坡，隧道所处地形起伏较大，其中隧道最大埋深为35．37m，隧道在里程为DK466+230 DK466+330区段下穿京福高速公路C匝道，此区段内埋深仅为9．8m，属于超浅埋隧道，在DK466+560 DK466+660段下穿京福高速公路正线，其中高速公路宽度为36m，隧道与公路匝道和正线的交角分别为14．57ʎ和36．7ʎ，属于斜交。
隧道的工程地质情况为风化花岗片麻岩，局部夹杂角闪岩和部分石英，其中围岩已经风化，尤其接近地表埋深较浅处节理裂隙较发育，岩石比较破碎并有地下裂隙水发育，属Ⅳ级围岩。
2控制爆破方案设计当隧道采用钻爆法进行开挖时，由于炸药的爆破产生的震动，对既有隧道的结构和洞周围岩影响非常大，并且使得既有隧道比静力状态下更容易遭到破坏。
京沪高铁金牛山隧道为超浅埋隧道，围岩风化比较严重，加之地表有既有高速公路通过，在进行爆破开挖时，这种破坏将会更加严重。
所以如何将爆破对隧道支护结构、围岩以及上部的既有公路的影响减小到最低限度是本文所要研究的核心内容。
1）现行爆破震动影响控制标准。
工程中常以引起结构的位移、速度和加速度等物理量来衡量爆破震动的强度，那么就必须要有一个临界值或者说标准来衡量这些物理量对既有结构的影响，并由此来判断爆破震动强度。
在实际爆破工程中以上几个因素一旦超过临界值，就认为相应岩体已经被破坏，而这一临界值被称为爆破震动的破坏标准。
对爆破震动的影响进行了文件性总结并给出了极限值（见表1）。
表1爆破的影响和特定的Ⅴ极限值的文件性总结表种类V/cm·s－1类型岩石注释地下爆破试验（美国）46引发值砂岩在直径2m 10m的毛洞中进行高强爆炸使用，实验中有些岩石落下Koi隧道（日本）33．8引发值花岗岩混凝土衬砌中出现小裂缝瑞典30临界值杂岩未衬砌隧道中有石块落下瑞典7限值短时间连续爆破时，采用该值北美空防联合司令部5．6引发值旁边隧道爆破时，地下洞室无损坏瑞士3限值使用或未使用混凝土衬砌的地下室和隧道需强制实行该限值Dinorwic（英国）4．5限值强制实行该限值主要在于防止破坏预应力混凝土和安装的仪器我国学者吴德伦等人参考欧洲国家的做法，建议的爆破震动标准见表2。
表2爆破震动控制建议标准建筑物分类频率范围/Hz质点震动速度/cm·s－1现浇混凝土结构＜103．5钢结构10 403．5 4．0坚固堡坝40 1004．0 5．0良好设计的砖混结构＜102．5一般条石砌筑堡坝10 402．5 3．0挡土墙40 1003．0 3．5灰岩砂浆或条石建筑＜101．5砖木混合结构10 401．5 2．0木结构40 1002．0 2．5陈旧危险建筑＜100．8精密防震设备建筑10 400．8 1．0历史建筑40 1001．0 1．2水工隧道、下水管道10 5012有支护的地下洞室或构筑物50 20013综上所述，可以看出不同的国家、科研部门以及不同的学者对爆破震速的认识和想法是不同的，因此提出爆破震动速度的限值差别很大，在实际工程中，由于地质条件、爆破方式、隧道结构形式存在差异，所以可操作性很差，针对不同的隧道施工项目应从工程实际情况角度出发，提出相适应的爆破方案。
根据GB6722-2003爆破安全规程中的规定，各类建筑物的爆破震动安全允许标准如表3所示。
设计中只考虑爆破对已衬砌隧道的结构安全。
根据规定，隧道安全允许震速标准值为10cm/s 20cm/s，设计中取安全控制值为10．0cm/s。
a．选取建筑物安全震速时，应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。
b．省级以上（含省级）重点保护古建筑物与古迹的安全允许震速，应经专家论证选取，并报相应文物管理部门批准。
c．选取隧道、巷道安全允许震速时，应综合考虑构筑物的重要性、围岩情况、断面大小、埋深大小、爆源方向、地震震动频率等因素。
d．非挡水新浇大体积混凝土的安全允许震速，可按表3给出·651·第39卷第6期2013年2月山西建筑SHANXI ARCHITECTUREVol．39No．6Feb．2013的上限值选取。
2）金牛山隧道爆破设计。
根据以往的经验，一般来说，起爆的药量越大，所产生的爆破震速也就越大，所以金牛山隧道在爆破施工过程中，要保证在距离既有公路最近的地段的起爆药量小于产生临界爆破震速的临界药量，这样就能够保证既有路面的安全使用。
目前，国内外对于涉及到爆破震速问题，一般情况下采用前苏联学者萨道夫斯基提出的经验公式来确定最大分段装药量，如式（1）所示：V=K（Q1/3/R）α（1）其中，Q为最大分段装药量，kg；R为爆心距，m；V为爆破安全震动速度值，cm/s；K为与岩石性质、地质条件、爆破规模等综合因素有关的系数；α为地震波的衰减系数，大小与地质条件以及距爆破中心的距离有关。
表3爆破震动安全允许标准序号保护对象类别安全允许震速/cm·s－1＜10Hz10Hz 50Hz50Hz 100Hz1土窑房、土坯房、毛石房屋0．5 1．00．7 1．21．1 1．52一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物2．0 2．52．3 2．82．7 3．03钢筋混凝土结构房屋3．0 4．03．5 4．54．2 5．04一般古建筑与古迹0．1 0．30．2 0．40．3 0．55水工隧道7 156交通隧道10 207矿山巷道15 308水电站及发电厂中心控制室设备0．59新浇大体积混凝土龄期/d：初凝0 3；龄期：3 7；龄期：7 282．0 3．0；3．0 7．0；7．0 12注：1）表列频率为主振频率，系指最大震幅所对应波的频率。
2）频率范围可根根据类似工程或现场实测波形选取。
选取频率时亦可参考下列数据：硐室爆破小于20Hz；深孔爆破10Hz 60Hz；浅孔爆破40Hz 100Hz由式（1）可知，当具体工程的K，α确定之后，单段最大爆破药量Q和爆破震速V有直接关系。
隧道爆破时，由于工程地质条件、爆破条件以及爆破点距测点距离的差异，介质系数K和震动衰减系数α变化很大，为了确保各参数的真实性，其取值应由现场试验确定。
我国GB6722-2003爆破安全规程对介质系数和震动衰减系数K，α的建议值如表4所示。
表4爆区不同岩性的K，α值岩性Kα坚硬岩石50 1501．3 1．5中硬岩石150 2501．5 1．8软岩石250 3501．8 2．0根据本工程所处围岩地质资料和GB6722-2003爆破安全规程建议值，介质系数K暂取250、震动衰减系数α暂取1．8。
对目前各工程上常用的几种工业炸药进行比对，最终选择了铵梯炸药和乳化炸药，如果爆破中炮眼里没有水，使用铵梯炸药，有水则使用乳化炸药。
金牛山隧道下穿京福高速公路段，最小埋深为9．28m，根据式（2），计算得到的单段最大装药量：Q=R3V()K3α（2）计算得到的单段最大装药量为3．7kg。
在实际工程中，应该在每次爆破之前，首先确定爆破点距离监测点的距离，然后再根据萨道夫斯基公式进行计算，理论上讲在一定的装药量的前提下，爆破产生的爆破震速和爆心距是成反比的。
炮眼布置图见图1。
图1台阶法开挖炮眼及掏槽眼布置图1711971575656754321997793988098190709032.99515094×25051390515094×250512012524836450°58°61°531356注：1）本图尺寸均以cm计；2）炮眼旁边数字表示雷管段数；3）本设计根据以往爆破经验设计，实际施工过程中要根据爆破效果进行适当调整采用台阶法、三台阶法开挖采用光面弱爆破。
光面爆破参数应通过爆破试验方法确定。
当无试验条件时，有关参数根据表5选用。
表5光面爆破参数表岩石类别周边眼间距E/cm周边眼抵抗线W/cm相对距离E/W装药集中度q/kg·m－1极硬岩50 6055 750．8 0．850．25 0．30硬岩40 5050 600．8 0．850．15 0．25软质岩35 4545 600．7 0．850．07 0．12同时，在药量选择上还要考虑爆破震动速率对隧道结构物以及地表建筑物的影响。
·751·第39卷第6期2013年2月赵君：谈高速铁路隧道施工控制爆破方案设计。