城市浅埋隧道爆破原理及设计

摘要

本书依据大连地铁爆破施工情况，重点介绍了浅埋隧道施工工法、柱状装药爆破原理、爆破振动控制指标选择、复杂条件下浅埋隧道爆破设计及爆破安全管理问题。2100433B

爆破振动对周边环境的影响已成为制约城市浅埋隧道安全施工的一项主要瓶颈，探索浅埋隧道近区爆破振动传播机理和衰减规律，实现爆破振动的准确预测和有效控制，对保证施工安全具有重要的理论价值和现实意义。本课题将对浅埋隧道爆破振动高程放大效应机理、爆破振动预测系统的建立和投影寻踪技术预测模型的相对优越性能展开系统的研究。主要包括分析地形高程与爆破地震波的内在联系，构建浅埋隧道爆破地震波传播的数理模型，研究地震波传播中的透射与反射动力学过程、频率变化规律以及能量的耗损方向，获得浅埋隧道爆破振动高程放大效应机理。在大量现场监测数据的基础上，运用投影寻踪技术，模拟振动峰值的生成与演变过程，阐明不同参量对速度峰值的影响规律，明晰爆破参数对预测结果的调控机制，建立普适性的高精度投影寻踪模型，实现爆破振动速度峰值的准确预测。同时对比分析投影寻踪模型预测法与一般预测法、波形叠加预测法的准确合理性。

探索浅埋隧道近区爆破振动传播机理和衰减规律，实现爆破振动的准确预测和有效控制,对保证施工安全具有重要的理论价值和现实意义。传统的爆破振动预测方法大多是建立在平坦地形条件下，没有反应地形高程的影响，而工程爆破绝大多数是在地形有起伏的场地上进行的。本课题以北京市昌平地铁隧道为工程背景，以高程条件下的爆破振动为研究对象，运用理论分析、现场实测和模型实验、数值模拟、计算机软件开发等相结合的方法，对浅埋隧道爆破振动高程放大效应机理、爆破振动预测系统的建立和投影寻踪预测模型的相对优越性能展开系统的研究。 通过项目研究，主要取得以下成果： （1）从平面射线理论、界面群效应和鞭梢效应三个角度阐述了爆破振动的高程放大效应机理，分析了爆破振动与地形高程变化之间的关系。 （2）进行了浅埋隧道爆破振动的实验研究，主要包括现场原位测试和小比例模型试验，采集相关爆破数据并进行分析、整理，研究隧道近区爆破振动的传播与衰减规律，分析了爆破振动高程放大效应产生的可能性，并将实验数据作为后续爆破振动预测和预警系统建立的依据。 （3）将投影寻踪预测理论引入爆破振动灾害预测领域，在理论分析的基础上，认识影响爆破振速峰值的控制因素；在合理定义参量的基础上，运用投影寻踪技术，结合现场收集的相关资料，模拟了爆破振动的生成与演变过程；综合实验、理论分析的研究结果，建立了爆破振动的投影寻踪回归模型，实现了爆破振动的准确预测。 （4）根据试验结果，分别采用传统的萨道夫斯基公式、萨道夫斯基拓展公式、BP神经网络和有限元数值模拟方法对爆破振速峰值进行了预测，并与投影寻踪回归模型的预测结果进行对比，得到了投影寻踪预测方法的相对优越性能。研究表明：五种预测方法中，投影寻踪回归模型预测结果最为准确，误差率仅为6.36%；数值模拟和BP神经网络次之，平均误差率分别为11.08%和12.45%，但数值模拟方法受诸多条件限制，预测结果不稳定；萨道夫斯基拓展公式和萨道夫斯基公式的预测精度较低分别为21.68%；25.32%。 （5）利用Visual Basic和Matlab联合开发了爆破振动计算机预测系统，内嵌四个模块，即可采用不同预测方法进行爆破振速的预测，还可以进行不同预测方法预测结果的对比分析，为地形起伏条件下爆破振动的安全预警提供了一种便捷的新方法。 2100433B

城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法适用范围

《城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法》适用于最大含水量≤58%、渗透系数≥10^-8的淤泥地层以及类似地层的地下过街通道、地铁出入口及其他地下浅埋暗挖工程。

城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法工艺原理

《城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法》的工艺原理叙述如下：

在导向管引导下，采用无收缩浆液，先通过二重管垂直、水平或倾斜注浆加固淤泥地层，在型钢钢架＋网喷混凝土 锁脚锚管联合支护与内撑条件下，用注浆辅助喷锚构筑法顺作施工竖井；在井内用夯管锤夯设超前管棚，辅以周边TSS注浆管超前加固地层后，暗挖通道按分层多部、先上后下进行开挖、支护、先拱后墙法衬砌。

城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法施工工艺

• 工艺流程

《城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法》的施工工艺流程如下：

一、淤泥地层竖井施工工艺流程（图1）。

二、淤泥地层浅埋暗挖通道施工工艺流程（图2）。

三、大管棚施工工艺（图3）。

四、二重管钻机注浆（机械配置图参见图4、工艺流程参见图5）。

参考资料：

• 操作要点

《城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法》的操作要点如下：

一、淤泥地层特点与变形控制标准

淤泥地层的特点是自稳能力极差，具有高压缩、高灵敏、高蠕变、高含水率、低强度、低透水的特性，在该种地层当中施工极易发生地层蠕变、下沉，掌子面易发生坍塌，地表沉降、管线变形、建筑物倾斜，沉降波及的范围较大，地层加固困难。

变形控制标准则需根据工程地质、工程涉及既有建筑和周围环境、已有的经验成果和设计要求等因素而确定，该工法几个工程实例的变形控制标准参考值为：地面隆起控制在≤20毫米，总体沉降控制在≤50毫米。

二、断面与支护参数设计

1.竖井

断面通常设计为矩形较简洁，采用注浆辅助喷锚构筑法施工，支护用C20网喷混凝土 I20工字钢 连接筋组成。封底采用间距1米的I20工字钢 双层网片 C20喷射混凝土。竖井施工前采用二重管无收缩浆液对竖井周边2米、底部3米范围进行注浆加固（图6）。整个竖井周边四角设TSS锁脚注浆锚管。

2.过街通道

一般为直墙圆拱形断面，拱部180°范围布设ф≤108毫米（壁厚8毫米）、L≤40米的钢管管棚，环向间距200毫米，周边设径向超前小导管（6.0米长，纵向搭接3.0米），与管棚共同形成超前棚幕支护。大管棚内填注水泥浆，小导管做成TSS注浆管形式管内注水泥水玻璃双液浆，同时对开挖周边进行补充注浆。整个开挖轮廓线外拱部、周边2米，底部3米以及开挖断面采用二重管无收缩浆液进行注浆加固，浆液采用水泥水玻璃双液浆，以形成整体封闭，防止开挖中淤泥涌入。一般断面设计尺寸和参数参见图7。

三、竖井施工

在施工竖井口锁口圈后，根据拱架分节情况将竖井分为4部对称开挖，整体每开挖5米，进行临时封底，并对竖井周边进行注浆回填和土体改良。到达底部后及时完成封底。

四、过街通道施工

为避免地表沉降槽明显及方便下半断面垂直补注浆，宜采用分层分部双CD法开挖，先上后下。每部间用工字钢设置临时隔墙和临时仰拱，初期支护采用C20网喷混凝土，临时支护采用C20素混凝土。每部间距控制在3～5米，尽快做到封闭成环（图8）。

防水层在初期支护全部完成后，根据监控量测结果，在洞室基本处于稳定时，采取换撑或拆撑的形式进行防水层的铺设，施工缝遇水膨胀止水条和沉降缝钢边止水带。

二次衬砌采用模板台架先墙后拱法施工，混凝土采用自防水混凝土（C30、S8），每循环衬砌长度6～9米。

五、施工要点

1.大管棚施工

先在竖井壁布置管棚施钻的导向管，并严格控制导向管和大管棚的成型精度。管棚夯进完毕后注人水泥浆液填充，以增强管棚刚度。

2.注浆施工

1）注浆方法

用二重管无收缩浆液注浆法，水平作业，其特点是：

①具有成孔和双液注浆功能，能够确保钻孔和注浆连续、快速进行。

②可直挖采用钻杆注浆，但要将钻机预设一定的上仰角度，认真控制钻进中的上仰角，防止孔位偏离。

③钻孔角度可调，能够实现洞内斜向注浆。

④注浆长度控制在≤20米。

⑤浆液须有良好的渗透性、凝结时间可调、凝结最短时间可控制在10秒、有微膨胀性、可有效控制浆液在地层中的扩散距离。

⑥设备配套简单、轻便、易操作、效率高。

2）注浆工艺（图9）

为了达到良好的注浆加固效果，暗洞注浆最好是一次施工完成，如暗洞长度过长可分段进行，每次加固长度可达20～30米（20米之前效果较好）。根据孔位布置图在掌子面画出每个孔的位置，按照先周边后中间的顺序进行注浆。注浆孔位布置见图10。

3）注浆材料

可用超细水泥 水玻璃、HSC特种灌浆材料、普通水泥 水玻璃三种注浆材料，但需视地层情况进行合理选择。经地层情况、施工工艺和经济比较，选用普通水泥水玻璃作为主要加固用材料。

4）注浆参数

浆液凝结时间：30~60秒；浆液扩散半径：0.35~0.6米；注浆速度：20~50升/分钟；注浆分段长度：15~30厘米；注浆压力：0.5~1.0兆帕。

5）单孔注浆量

公式：Q=πR²Hα。式中Q——注浆量（立方米）；R²——扩散半径（米）；H——注浆长度（米）；α——土层填充率，一般取25%~30%。

6）注浆控制要点

①要有一定厚度的反压层（止浆墙），即掌子面需封闭，以保证注浆效果和施工安全。

②注浆顺序宜先周边后中间、先底部后上部，并用跳孔的方式进行。

③严格控制与检查浆液配比及搅拌时间。

④注浆时要密切监控地面和地表构筑物，根据监测反馈情况，随时调整浆液凝结时间，控制变形在允许值之内，防止地表隆起超量而引起事故。

⑤如对掌子面实施洞内注浆，其他工作面不宜施工。

3.通道开挖及初期支护

1）采用分部人工开挖，每部开挖后尽快支护封闭成环，以缩短围岩暴露时间，减少时间效应的影响。

2）每循环进尺0.5米，一榀一循环。

3）要保证格栅的连接刚度和混凝土喷射的密实性、及时性。

4）仰拱下20厘米换填碎石并预埋注浆管，待混凝土喷射完毕达到一定强度后，进行注浆，增加基底承载能力。

5）及时进行初支背后回填注浆，填充初期支护与围岩间的空隙，控制围岩变形。

6）发现掌子面注浆加固效果不好，应及时加强封闭，重新补充注浆。

7）在经济合理的前提下尽量提高初期支护的刚度。

4.施工监测

按照规范、设计文件，结合工程地表及地下既有设施进行。浅埋地下过街通道断面小，埋深浅，可参照表1的内容进行。

5.防水层施工

1）防水层施工前。要根据监控量测情况决定初期支护的拆撑或换撑。以减少和控制沉隆，拆撑或换撑视防水层每循环铺设长度分段进行。

2）防水层铺设前先进行净空检查、基面处理和初期支护表面明水处理。

3）防水层施工和二衬钢筋绑扎完成后，要进行严格的防水层复检，避免因钢筋施工损坏防水板的情况存在。

4）施工缝和沉降缝要严格按要求施工和检验，必须达到设计要求。

6.二次衬砌施工

1）混凝土采用双掺技术（优质粉煤灰、高效减水剂），减少水泥用量，降低水化热，控制粗细骨料质量、抑制温度裂纹产生。

2）控制好混凝土的坍落度，尽量使拱部填充饱满。

3）不得随意改变混凝土的配比，加强灌注中的捣固，保证混凝土结构质量达到设计要求。

4）模板拆除后，待混凝土达到一定强度时及早进行二衬背后填充注浆。

六、施工中容易出现的问题与对策

1.超前加固注浆效果不理想

注浆宜采用先周边后中间的顺序，孔位布置外密内疏。如开挖过程中发现注浆效果不理想，应进行二次补注浆。产生该问题的原因可能是浆液配比不合理、孔位布置不合理、注浆过程操作不当，要针对具体原因采取不同对策。

2.竖井施工过程中出现过量下沉

产生此问题的原因可能是注浆加固不到位或是竖井一次性开挖断面过大，应进行二次补注浆或减少一次性开挖面积。竖井发生过量沉降时，必要时进行反压。控制沉降进一步发展，不可盲目加密周边锁脚锚杆，否则可能出现相反的效果，造成沉降面积加大。

3.暗洞净空收敛加大

产生此问题的原因可能是初期支护刚度不够或是拱架连接不牢靠，应适当加强初期支护刚度并加强拱架连接，必要时还需在洞内加设临时支撑进行加强。

4.暗洞拱顶沉降加大

产生此问题的原因可能是初期支护刚度不够或基底承载能力不够，应适当加强支护刚度或是对基底进行注浆加固，注浆过程中一定要注意仰拱情况，不能破坏仰拱结构。

• 劳动力组织

《城市淤泥地层地下过街道浅埋暗挖工法》的劳动力组织按开挖、混凝土喷射施工三班进行，重点是组织好注浆班，其余施工按进度情况调整。具体情况见表2。