一种超近距叠线隧道远距离导坑先行控制爆破的施工方法与流程

本发明涉及一种叠线隧道暗挖的施工方法，特别是一种超近距离叠线隧道远距离导坑先行控制爆破的暗挖方法。
背景技术：
：随着城市地铁建设的大力开展，城市地下空间被不断地开发利用，小净距隧道也愈来愈多。而对于小净距隧道而言，中夹岩体厚度较薄，因爆破开挖的多次扰动而成为受力薄弱环节，围岩的稳定性差，因此，施工中对中夹岩体的保护将非常重要。小净距隧道施工的重难点是如何合理选取开挖顺序、控制爆破震动，确保隧道开挖过程围岩的稳定。目前，国内上下重叠小净距隧道愈来愈多，相对于水平小净距隧道，上下重叠小净距隧道更需要确定合理的开挖顺序及减震爆破，因为后行隧道处于先行隧道的扰动区内，对先行隧道有卸载作用，保留围岩会产生更大变形。前人对水平层状岩隧道、小净距隧道及上下重叠隧道施工技术等方面进行了大量研究，均认为必须选择合适的开挖时序，以减轻后行隧道对先行隧道的影响。即重叠隧道施工过程中，采用何种开挖时序，即先开挖上洞后开挖下洞，或先开挖下洞后开挖上洞的施工时序至关重要。叠线隧道“先上洞后下洞”开挖的施工风险主要有两点。首先，在上洞已开挖的情况下，下洞拱部爆破时中夹岩体会失稳甚至破坏；其次，下洞开挖时上洞会产生不均匀沉降，结构有可能开裂。尽管可采用减震爆破技术进行施工，降低施工风险，但在两个隧洞相距较近的情况下，仍需要采用非爆破法进行开挖，以确保下洞开挖时上洞结构及中夹岩体的安全与稳定，即叠线隧道最小间距的确定是决定后行洞采用何种开挖方法的关键。因此国内绝大多数重叠隧道施工均采用“先下洞后上洞”的施工方案，“先上洞后下洞”的施工方案一直亟待研究。技术实现要素：本发明的目的是提供一种超近距叠线隧道远距离导坑先行控制爆破的施工方法，要解决现有技术中叠线隧道“先上洞后下洞”开挖工序中存在的中夹岩体失稳破坏、下洞开挖时上洞会产生不均匀沉降，结构有可能开裂的技术问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超近距叠线隧道远距离导洞先行控制爆破的施工方法，施工步骤如下：步骤一，开挖叠线段的先行洞，对叠线段的先行洞施作加强初期支护，该加强初期支护采用比掌子面围岩的常规支护高一级的支护形式；步骤二，确定爆破网络设计的基础数据：根据叠线段先行洞和后行洞的设计平纵断面图，分析叠线隧道的位置关系，确定叠线隧道中夹岩体的厚度随里程的变化情况，以此作为后行洞爆破设计的基础数据；步骤三，确定爆破关键参数：设计爆破网络布置及开挖顺序，在后行洞进入叠线段之前的位置处建立爆破试验段，按照设计进行爆破试验，并结合步骤二中收集的基础数据，根据萨氏公式可得出不同爆心距下爆破的最大单段药量；步骤四，确定爆破方式：对需要开挖的后行洞分为依次开挖的两个分坑，两个分坑按照与先行洞的直线距离远近，分别为远距离导坑和近距离拱坑，并根据先行洞和后行洞的相对位置关系划出两个分坑在后行洞中的分界线的位置即临空自由面的位置；步骤五，施工远距离导坑的爆破布孔：在远距离导坑范围内布设导坑掏槽眼、导坑辅助眼和导坑周边眼；步骤六，施工近距离拱坑的爆破布孔：在近距离拱坑范围内不设掏槽眼，在步骤四中临空自由面的位置上侧设置底板眼，并自底板眼为起始至后行洞的拱顶采取逐层微差爆破，即每层均设置间隔布置扩挖眼，扩挖眼的连线与底板眼的连线平行，所述近距离拱坑范围内还间隔设有拱部辅助眼，近距离拱坑范围内、沿拱顶周边开挖轮廓线还间隔设有拱部周边眼，所述拱部周边眼分为交替设置的装药孔和减震孔，所述拱部辅助眼、拱部周边眼两者均自临空自由面的位置上侧围合底板眼、扩挖眼；步骤七，根据步骤三中计算得出的最大单段药量及步骤五、步骤六中网络设计的各孔眼中的装药量比例来进行爆破参数的设置；步骤八，在各个孔眼中布置炸药，采用非电起爆网路，用激发针起爆；步骤九，起爆远距离导坑，起爆顺序按导坑掏槽眼、导坑辅助眼和导坑周边眼的顺序逐排向外起爆，形成临空自由面；步骤十，起爆近距离拱坑，自从远距离导坑爆出的临空自由面开始起爆底板眼，起爆顺序按底板眼、扩挖眼、拱部辅助眼和拱部周边眼的顺序逐排向外起爆；步骤十一，根据先行洞掌子面与后行洞掌子面的直线距离确定后行洞需加强支护的范围，对叠线段的后行洞施作加强初期支护，该加强初期支护也采用比掌子面围岩的常规支护高一级的支护形式，开挖完成。所述中夹岩体的厚度不小于2m。所述装药孔和减震孔等距离间隔交替设置，所述装药孔的孔深小于减震孔的孔深。所述步骤七中，所述爆破参数包括炮孔数目、炮孔深度、炮孔间距、单孔装药量、单段药量和药卷直径。所述步骤七中，爆破参数为首先应控制各个孔眼的最大单段药量，最大单段药量按萨氏公式进行计算，拱部周边眼中的减震孔，其装药量按萨氏公式计算后再增加20％～30％。所述步骤五中，导坑掏槽眼选用复式楔形掏槽眼，导坑掏槽眼与掌子面交角55度～85度，孔底距10～20cm。所述步骤一和步骤十一中的叠线段还可以进行局部预加强施工，拱顶部位施设拱架，拱肩部位施设锚杆，并在中夹岩体进行预注浆加固。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明是为了减小重叠段后行洞爆破对中夹岩体的震动影响而研究的后行洞爆破开挖方法。针对最小净距段施工的特点，重点对爆破方案进行了设计优化，减小了爆破扰动程度。通过选用分部爆破的半断面爆破网路设计并根据前行洞和后行洞两线的距离结合爆破振速的要求来调整最大单段药量。一、本发明首次将先上后下法与超近距叠线地铁隧道矿山法施工进行结合，施工中后行洞采取远距离导坑先行爆破、周边眼设减震孔的创新性措施，有效减小爆破振动，建立了一套先施工上方隧道后施工下方隧道的超近距叠线施工工法。二、本发明采用分部爆破，远距离导坑开挖，为近距离拱坑开挖提供了临空面，同时减少了一次爆破开挖的断面面积，降低了爆破总装药量，达到了减震的效果，同时采用减震孔设计，可降低“先上洞后下洞”开挖所带来的施工风险，确定合理且安全的上下叠线隧道的施工方案，保证了总体施工进度，满足了相应节点工期要求，获得了良好的经济效益。在使用普通雷管的情况下，采用远距离导坑先行爆破为上部爆破提供临空面，可有效起到减震效果。三、本发明通过根据两叠线隧道净距的变化及爆破安全振速的要求，可及时调整爆破参数，并在施工中根据监测到的振速数据实时调整。采用减震爆破控制后行洞爆破震动，对先行洞已支护结构及中夹岩体的影响控制在最低程度。附图说明下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是本发明实施例中正线隧道与出场线叠线段平面位置关系图。图2是图1中B处剖面位置关系图。图3是图2的开挖顺序图。图4是试验段剖面示意图。图5是竖井测点平面布置示意图。图6是图5的竖井测点剖面布置示意图。图7是爆孔布置示意图。图8是复式楔形掏槽法的示意图。图9是图8的平面示意图。附图标记：1－先行洞、2－后行洞、3－远距离导坑、4－近距离拱坑、5－导坑掏槽眼、6－导坑辅助眼、7－导坑周边眼、8－底板眼、9－扩挖眼、10－拱部辅助眼、11－装药孔、12－减震孔、13－试验段、14－竖井、15－一级掏槽眼、16－二级掏槽眼。具体实施方式实施例参见图1-2所示，某地铁工程的出场线暗挖隧道与正线隧道斜交，叠线段长约58m。叠线段出场线隧道与正线隧道竖向净距最小处为2m，即所述中夹岩体的厚度L不小于2m，参见图1-2中的B处叠线段剖面位置关系图。出场线隧道与正线隧道在此处基本处于微风化混合岩中，出场线隧道与正线隧道开挖断面围岩均为Ⅲ级。本实施例中，正线隧道为先行洞1即上洞隧道，出场线隧道为后行洞2即下洞隧道。叠线隧道最小间距的确定是决定后行洞采用何种开挖方法的关键。随着减震爆破技术的进步，小净距隧道中夹岩体的厚度相比规范仍有压缩空间。本实施例为Ⅲ级围岩，叠线段最小中夹岩体的厚度规范最小限制为2.0B，而本申请的最小合理净距可达0.25-0.3B，其中B为隧道开挖断面宽度。即当中夹岩体的厚度大于1.6-2m时，后行开挖的下洞可采用减震爆破进行施工，本工程叠线段上下隧道净距均不小于2m，可采取减震爆破技术进行钻爆开挖施工。通过模拟计算并结合工程实际，确定叠线段隧道总体施工方案是“先上洞后下洞”时序开挖。上洞隧道采用全断面爆破开挖，初期支护为锚杆、钢筋网和喷射混凝土支护。下洞隧道爆破采取先进行远距离导洞即断面下部开挖，因下部断面与上洞隧道断面距离较远，采用常规爆破形式，为提高炸药的爆破利用率采取复式楔形掏槽形式。下部爆破开挖后进行上部开挖，上部断面因与上行隧道距离较小，在爆破设计时不设掏槽眼，采取逐层微差爆破，同时在周边眼设置减震孔，然后通过合理的爆破网络设计进行减震爆破。参见图3所示，开挖顺序为①②③。具体步骤如下：步骤一，开挖叠线段的先行洞，先行洞采用全断面爆破开挖，对先行洞施作加强初期支护，该加强初期支护采用比掌子面围岩的常规支护高一级的支护形式。本实例中加强初期支护为锚杆、钢筋网和喷射混凝土支护。如需要可以对先行洞进行叠线段的局部预加强施工，拱顶部位施设拱架，拱肩部位施设锚杆，并在中夹岩体进行预注浆加固。为进一步减少爆破影响，可在爆破减震的基础上加强既有建筑物或已成型隧道加固，缓冲震动波的对结构的影响，起到保护作用。为避免邻线隧道爆破时，对自身隧道的扰动而造成落石等危险，在隧道原有设计支护的形式上可采用更加稳固的支护形式，如原设计在硬岩段无格栅可增加格栅支护。步骤二，分析叠线隧道的位置关系，确定爆破网络设计的基础数据：根据叠线段先行洞和后行洞的设计平纵断面图，，在叠线段的里程及纵坡坡率，确定叠线隧道中夹岩体的厚度随里程的变化情况，细化至每0.5m两隧道间的立面净距，以此作为后行洞爆破设计的基础数据。步骤三，确定爆破关键参数：设计爆破网络布置及开挖顺序，在后行洞进入叠线段之前的位置处建立爆破试验段。参见图4所示，本实施例中，在出场线进入叠线段之前约80m处建立试验段13，试验段13以竖井14中心里程前后各D＝10m长度范围为准。在进行隧道断面开挖时，采取叠线段设定的爆破网络布置及开挖顺序。在出场线的竖井最下方井壁布置5个测点，参见图5-6所示，每个测点分别安放水平和垂直的振动速度传感器，通过是否设置减震孔对上部开挖时减震孔减震效果、采取全断面或分部爆破对上部开挖时分部爆破减震效果分别或同时进行试验。一、减震孔减震效果试验：同时在竖井中心里程前后相同距离的隧道断面进行减震孔的效果试验，即第一次爆破先不设减震孔，在对称的相应断面开挖时再设减震孔，其他参数不变。通过测得测点的振速进行对比，得出减震孔的设置对爆破震动的减小程度。表中为试爆段收集的相关数据。通过表中数据可以看出，有减震孔设计的爆破可以将爆破振速减少20％-30％，说明减震孔有效地吸收了爆破释放的能量。二、分部爆破减震效果试验：在试验段距竖井较远处的断面(例如里程相差8m或10m处)设置全断面爆破与分部爆破试验，其他爆破参数不做改变。分析分部爆破对减震效果的影响。表中为试爆段收集的相关数据。从上表可以看出采用分部爆破，先行下导洞开挖，为上导洞开挖提供了临空面，同时减少了一次爆破开挖的断面面积，降低了爆破总装药量，达到了减震的效果。按照设计进行爆破试验，并配合步骤二中收集的基础数据，根据萨氏公式可得出不同爆心距下爆破的最大单段药量；萨氏公式：公式中R为爆心至振速测点的距离量，式中、，根据现场试验，通过不同装药量Q(为最大单段药量)下测得的爆破振速V，利用Matlab进行编程计算回归分析，设X坐标为Y坐标为V，计算得到适用于本工程的K、α值，测试数据回归结果见下表。类型比例药量/(kg1/3·m‐1)Kα有减震孔0.016～0.4649.021.11无减震孔0.014～0.45411.8771.21因为叠线段采取减震孔设计，选取上表中第一组的K、α值，代入萨氏公式可得出不同爆心距R下爆破的最大单段药量。这就是施工中要严格控制的单段药量。施工中要加强爆破震动监测，根据实测数据指导施工，并调整K、α值。步骤四，参见图7所示，确定爆破方式：对需要开挖的后行洞分为依次开挖的两个分坑，两个分坑按照与先行洞的直线距离远近，分别为远距离导坑3和近距离拱坑4，并根据先行洞和后行洞的相对位置关系划出两个分坑在后行洞中的分界线的位置即临空自由面的位置；步骤五，参见图7所示，施工远距离导坑的爆破布孔：在远距离导坑范围内布设导坑掏槽眼5、导坑辅助眼6和导坑周边眼7；导坑掏槽眼选用复式楔形掏槽法，连续装药，复式楔形掏槽法是一级掏槽眼15与二级掏槽眼16采用不同段别的雷管，参见图8-9所示。掏槽眼与掌子面交角55度-85度，孔底距10cm-20cm。充分利用楔形掏槽的易抛掷和减震作用与贯通掏槽的贯通临空面来最大限度地减轻爆破振动。步骤六，参见图7所示，施工近距离拱坑的爆破布孔：在近距离拱坑范围内不设掏槽眼，在步骤五中临空自由面的位置上侧设置底板眼8，并自底板眼8为起始至后行洞的拱顶采取逐层微差爆破，即每层均设置间隔布置扩挖眼9，扩挖眼9的连线与底板眼8的连线平行，所述近距离拱坑范围内还间隔设有拱部辅助眼10，近距离拱坑范围内、沿拱顶周边开挖轮廓线还间隔设有拱部周边眼，所述拱部周边眼分为交替设置的装药孔11和减震孔12，所述拱部辅助眼10、拱部周边眼两者均自临空自由面的位置上侧围合底板眼8、扩挖眼9；其中装药孔的间距为45cm，装药孔11与减震孔12的间距为22.5cm。减震孔采用42mm中空减震孔。步骤五与步骤六中的爆孔均采取不耦合装药。隧道掘进每循环进尺1.5m。因此，导坑掏槽眼孔深1.5m，导坑辅助眼、拱部辅助眼、扩挖眼的孔深为1.3m，导坑周边眼和装药孔的孔深为1.2m，减震孔比装药孔深20～30cm，为节约施工循环时间，减震孔集中施作，一次钻孔深度为10m左右。步骤七，根据步骤四中计算得出的最大单段药量及步骤五、步骤六中网络设计的各孔眼中的装药量比例来进行爆破参数的设置；爆破参数包括炮孔数目、炮孔深度、炮孔间距、单孔装药量、单段腰梁和药卷直径。当中夹岩体厚度为2m时，断面设计爆破参数如下：远距离导坑断面爆破参数表近距离拱坑断面爆破参数表爆破参数为首先应控制各个孔眼的最大单段药量，最大单段药量按萨氏公式进行计算，装药孔之间设有减震孔，因此装药孔的装药量按萨氏公式计算后再增加20％～30％。步骤八，在各个孔眼中布置炸药，炸药选用φ32mm2#岩石乳化炸药。采用非电(毫秒导爆管雷管)起爆网路，用激发针起爆；采用YJGN-500型起爆器起爆，由于每次起爆雷管数不超过300发，所以是完全可以安全起爆的。采用毫秒微差爆破技术，避免地震波的叠加，减轻震动。步骤九，起爆远距离导坑，起爆顺序按导坑掏槽眼5、导坑辅助眼6和导坑周边眼7的顺序逐排向外起爆，形成临空自由面。步骤十，起爆近距离拱坑，自从远距离导坑爆出的临空自由面开始起爆底板眼8，起爆顺序按底板眼8、扩挖眼9、拱部辅助眼10和拱部周边眼的顺序逐排向外起爆。本发明中爆破震动监测：每炮应进行爆破震动监测。爆破震动速度以GB6722-2011《爆破安全规程》的要求进行控制。爆破后，应根据实测震速调整爆破参数。步骤十一，由于上洞隧道虽完成了叠线段的施工，其在后续的施工中仍有爆破开挖，故也需根据先行洞掌子面与后行洞掌子面的直线距离确定后行洞需加强支护的范围，对后行洞施作加强初期支护，该加强初期支护也采用比掌子面围岩的常规支护高一级的支护形式，如常规支护为裸洞、喷射混凝土，则后行加强初期支护采用格栅钢架、双层钢筋网和砂浆锚杆支护形式。格栅榀间距根据实际围岩情况适当调整，可视围岩及渗漏水情况考虑是否打设超前小导管。如需要可以对后行洞进行叠线段的局部预加强施工，拱顶部位施设拱架，拱肩部位施设锚杆，并在中夹岩体进行预注浆加固。当前第1页1 2 3