深隧爆破时隧拱围岩之上地质稳定性研究

［摘要］广州地铁6号线文化公园站的折返线暗挖隧道采用爆破开挖施工，隧道顶部围岩7m以上，岩石之上为流砂地质。该区段隧道施工采用采用“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、多循环、早封闭、强支护、勤量测”的方式，保持了隧道围岩的稳定，确保了工程的工期、安全和质量。

［关键词］隧道钻孔爆破、掏槽孔、辅助孔、周边孔光面爆破

中图分类号：U45 文献标识码： A

1 前言

城市轨道交通建设如火如荼，但在地下隧道的爆破开挖过程中，由于隧道的断面积较大，岩层结构不均匀，地质勘探不充分，地面上的建筑物差异大等因素的影响，在施工时如何确保其隧道顶部的安全，特别是遇到较复杂的地质情况如含水砂层地质等，应采取何种应对措施、何种爆破开挖方式来减轻对隧洞围岩的扰动，使隧道施工能顺利进行。下面主要以广州地铁文化公园站为例，采用矿山法施工，用小孔径40mm的钻孔爆破方法施工，根据施工过程中出现的情况，就此进行深入的探讨。

2 概况

文化公园站为广州市轨道交通六号线和八号线换乘站，车站位于镇安路与西堤二马路交叉路口的广州市文化公园内，八号线文化公园站呈南北走向。暗挖折返线采用矿山法施工。其中左右线各设1个竖井，竖井支护结构采用六道支撑，其中四道钢筋砼支撑，两道直径600mm的钢支撑，竖井周边进行了加固防水措施。

3 爆破施工方案

由于隧道及竖井较深，微风化岩层埋深浅且岩层厚度大，开挖石方的开挖量较大。加之本站位于闹市区，周边都是居民区，爆破施工不能扰民。另外周边建筑物密集，爆破施工震动不能过大，以免对周边建筑物造成影响。

采取相应的预防控制措施：

1、在爆破施工前对周围建筑物、结构物进行一次详细调查，并根据其结构特征和国家标准确定其爆破振动安全允许值（本工地一般为1cm/秒）。

2、爆破施工过程中，严格制定爆破施工方案，控制爆速、控制掏槽炸药的最大用量及炮眼布置形式、眼深、间距、雷管的段位等参数。爆破必须采用光面和松动爆破控制。

3、爆破施工过程中对重点保护建筑物进行爆破振动监测，通过对监测数据的分析总结，结合实际修改爆破参数，使爆破施工能快速、安全、有效地进行。

4、隧道爆破共分1区、2区、3区、4区四块区域，按照先上后下的原则先后进行爆破，每次进尺1.0m。隧道上部的1区、2区对拱顶围岩的稳定有着至关重要的影响。

4 爆破参数设计

本段地质，上部覆盖层主要为第四系全新统和上更新统地层，下伏基岩为白垩系红层，地质时代为白垩系上统下段三水组西濠段，岩性主要为泥质粉砂岩，局部为砂砾岩。

1、第四系土层中的空隙水：本段主要赋存于冲洪积的粉细砂、中粗砂层中，分布较广，连通性好，透水性强，根据抽水试验资料，渗透系数2～5m/d，本站地下水主要含水层的上部大部分有相对隔水层淤泥质土等覆盖，因此，第四系空隙水有一定的承压性，为微承压水。

2、基岩风化层中裂隙水：本段赋存于中、微风化岩中的风化裂隙之中，含水层无明确界限，埋深和厚度很不稳定，其透水性主要取决于裂隙的发育程度和性质、岩石风化程度等。风化程度越高、裂隙冲填程度越大，渗透系数则越小。基岩风化裂隙水为承压水，但富水性及渗透性极弱。

3、本工地范围内揭露有透水性中等的粉细砂及中粗砂层，同时透水层厚度较大，地层连续分布，往珠江方向的砂层厚度逐渐变薄但直通珠江底部。因此站位范围的第四系地层中的地下水与珠江水有较好的水力联系。地下水承压水头高度与珠江水相近，其主要补给源为珠江水。

本工地范围内未揭露有断层构造迹象。本站在地貌上为珠江三角洲海陆平原地貌，第四系覆盖土层较发育，其中透水性较好的中、粗砂层地层分布连续、厚度较大，结构地板主要为中－微风化泥质粉砂岩，承载力较高为本站良好的天然地基。爆破围岩土层主要为中风化岩层和微风化岩层。

地下水为第四系孔隙水和基岩承压水，地下水与珠江水有较紧密的水力联系。

隧道实际开挖水平最大跨度13m，高度9.85m，实际开挖断面面积119.76m2。根据初始设计，该隧道按V级围岩条件采用双台阶钻爆法施工，其中上台阶采用楔形掏槽、隧道轮廓周边眼采用小直径间隔装药的光面爆破方案，循环开挖进尺1m，爆破方量119.76m3，总断面爆破的总药量96kg（0.8kg/m3）。该隧道施工实际爆破单耗为1.04kg/m3。从实际效果来看，有以下问题存在。一是炸药利用率较低，爆破能量作用不均匀，主要表现在岩石破碎整体不均匀，存在局部破碎效果差而另一处岩石破碎率很高的现象。局部岩层整体性好的破碎效果较好，整体性差的爆破效果差。二是隧道周边轮廓成型较差，同时开挖面的整体平整度也较差，局部有超挖、欠挖现象。三是周边介质爆破振动响应差异性大，有的测点振动小，衰减快，但局部振动又极其危险。

采用矿山法施工时，施工顺序为1区-2区-3区-4区，断面炮孔布置图见下图

爆破参数见附表

文化公园站隧道断面爆破参数表

名称 炮孔号 数量 孔距（m） 排距（m） 孔深（m） 单孔药量(kg) 最大单段药量（kg） 雷管段别

1、2

掏槽孔 1~9 9 0.4 0.5 1.2 0.35 2.1 1、3

扩槽孔 10~21 12 0.6 0.5 1.2 0.3 1.8 5、6

扩槽孔 22~29 8 0.6 0.5 1.2 0.2 1.6 7

辅助孔 30~39 10 0.6 0.5 1.2 0.2 2.0 8

辅助孔 40~57 18 0.7 0.5 1.0 0.2 1.8 9、10

辅助孔 58~68 11 0.7 0.7 1.0 0.15 1.8 11

周边孔 69~87 19 0.5 0.6 1.0 0.15 1.5 12、13

底孔 88~95 8 0.7 1.0 0.25 2.0 15

3、4区

主爆孔 1~4 4 0.8 0.8 1.0 0.4 1.6 1

主爆孔 5~10 6 0.8 0.8 1.0 0.35 2.1 3

主爆孔 11~16 6 0.8 0.8 1.0 0.35 2.1 5

主爆孔 17~21 5 0.8 0.8 1.0 0.4 2.0 7

主爆孔 22~26 5 0.8 0.8 1.0 0.35 1.75 8

主爆孔 27~32 6 0.8 0.8 1.0 0.35 2.1 9

周边孔 33~50 18 0.5 1.0 0.2 1.8 10、11

隧道的爆破采用短进尺光面微差弱抛爆破。进行爆破作业时，采用微量、多孔、多次、多段爆破法。减少每次齐发爆破药量，减轻爆破对围岩的扰动及对支护结构的不利影响，同时也减轻对上面建（构）筑物的震动破坏，满足《爆破安全规程》对振速的控制要求。

（1）掏槽孔：对于区间隧道的爆破，因其只有一个爆破面，受岩石的夹制作用，爆破效果较差。因此，必须采用掏槽孔首先爆破，为主爆炮孔创造第二个临空面，提高爆破效果。

①掏槽形式：对于区间隧道联络通道，因工作面较小，可使用的抛掷距离太小，因此采取钻倾斜一定角度的水平孔，即炮孔与掌子面形成一定的夹角，减小向后抛掷量。

孔深：考虑到掏槽眼只有一个临空面，爆破条件较差，炮眼利用率低，故掏槽孔比其他炮孔加深20cm。

炮孔间距：根据岩性及工作面的大小、炮孔深度，孔间距取a=0.4～0.5m。

炸药单耗：根据岩性、节理裂隙发育程度以及岩石的可爆性，炸药单耗取q=1.0～2.5kg/m3

（2）辅助孔：

孔间距：辅助孔间距与岩石软硬、掌子面大小、炮孔深度密切相关，水平巷道爆破一般取a=0.6～0.8m。

排距：排距一般取b=0.5～0.7m。

炸药单耗：炸药单耗可控制在q=0.8～1.0kg/m3 。

(3)光面孔：

孔间距：孔间距取a=0.4～0.6m

光面层厚度：取b=0.5～0.7m

每延米药量：根据岩性，每延米装药量q线=0.15～0.2kg/m

堵塞长度：h=0.2～0.3m

装药结构：采用φ32药卷，间隔不耦合装药，

为降低爆破对周围及上部建构筑物的影响，隧道分多部分施工法和正台阶开挖，采用单端掘进方式，每循环爆破孔深1 m，爆破完成后，装车运走，进行下道循环的钻眼爆破。

6 爆破网络及连接形式

大把抓非电起爆网络示意图

孔外分段一次的大把抓非电起爆网络示意图

孔外分段二次的大把抓非电起爆网络示意图

7 爆破振动危害效应及相关参数的优化分析

隧道爆破危害效应主要为爆破地震、有毒气体等。

消除有毒气体的危害，主要方法就是加强隧道内通风，并按规定每次的通风时间必须在半小时以上，必要时，可以配相应的检测设备，对隧道内的气体的化学成分进行检测

该隧道爆破最主要的危害是爆破振动。由于该施工地段为珠江三角洲海陆平原地貌，第四系覆盖土层较发育，其中透水性较好的中、粗砂层地层分布连续、厚度较大，结构地板主要为中－微风化泥质粉砂岩，为保证地面附近建筑物的稳定，根据岩层节理裂隙发育情况、岩性软硬情况、岩石波阻抗大小等，设置合理的炸药单耗，并据此来优化设计炮孔孔距、排距、药量等参数。依据爆破台阶开挖规模和施工环境来优化设计爆破方案，主要是根据开挖掌子面的状态、循环施工要求、施工机械和条件等来设计掏槽方案、辅助眼布置、周边眼布置、爆破参数、毫秒延期起爆方案等。依据现场监测数据及结果对爆破方案参数进行适时修正改进。现场监测的内容包括主要监测点的质点振动速度监测、岩石破碎率观测、掌子面平整度观测、地表环境观测等。

根据地质条件的复杂性、开挖断面大、弱进尺的特性以及施工设备的条件，采用2台阶整体分段微差光面爆破的方案。为充分利用介质结构面发育的特点，改进炸药效果不均匀、工作面不平整、质点振动速度大等缺陷，增强爆破效果，炮眼布置应采用减少排间距、弱装药的原则进行设计。根据围岩特点选择周边眼间距及最小抵抗线，周边眼按要求采用光面爆破，周边眼间距为50cm，深度1.10m。为降低块状围岩结构面的影响，保障隧道周边轮廓的平整，需要减小周边眼起爆时差，周边眼装药优化为间隔装药、导爆索起爆，结构见图。

周边眼光面爆破装药结构图

8 爆破效果

隧道爆破施工极易诱发安全事故，特别是在不良地质条件下的大面积开挖状况下。合理有效的施工方案是建立在对主要问题准确把握并根据具体情况及时调整的基础之上的。该隧道爆破设计虽然综合考虑围岩物理力学性质、隧道区域地质条件等，在爆破过程中的爆破减震是采用非常严格的毫秒微差爆破方式，但由于该地段的地质条件特别复杂，地质勘探不够精细，致使个别地段出现相对较薄岩层的状况时，施工方案没有及时做出修改，隧拱产生了裂隙，并伴随产生了漏砂漏水现象，继而出现塌陷而导致了广州地铁的1.28事故。该事故造成了地面下陷，出现一个面积690平方米、深约30米的巨大空洞，共造成6栋楼房、11间商铺倒塌，部分路段实施双向封闭抢险，供水、供电、供气和通讯一度中断。由于发生地质变形时，及时地对施工人员和周边居民及商铺采取了疏散措施，因而此次事故并未造成人员伤亡，但由于发生在老城区商业旺地，建筑物老旧破损、地下管线众多、人口密集，牵涉面广、潜在危害影响大。通过此次事故，在今后遇到类似施工环境时，必须对施工地质进行详勘，从中吸取教训；同时，地铁隧道上部为流砂层地质时，要慎用爆破施工方式。

9 结论

(1)复杂薄弱的地质是此次塌陷事故的客观原因。康王南路与杉木栏路交界处临近珠江沿岸，此路段地质情况复杂，包含古河道或风化深槽，塌陷处更有岩石拱顶薄层或风化的可能，存在厚层淤泥夹沙的地层，易引起水土流失，天然脆弱的地质状况成为引发地面塌陷原因之一。

(2)地铁施工活动是塌陷事故诱因。一是地铁施工方大规模大范围的长时间地下建设活动触动了本已脆弱的地质环境，一定程度上改变了地下水的自然平衡条件，引起水位下降，地沙层压缩固结加快地面下沉；二是施工时采用爆破方式时长期的振动积累变形叠加，以致上层较薄的岩层产生裂隙漏水漏砂发生塌陷，引发地陷

(3)城市地铁过街通道的开挖，当遇到坚硬岩石时，如果开挖区地处闹市，周边环境复杂，就需要制定安全可靠的设计方案，严格控制单段起爆药量。对于较宽及较长的地下过街通道，可采取多断面渐次开挖，避免同一时段同一大断面同时爆破开挖，提高隧道施工的安全性。

参考文献

[1]、《爆破安全法规标准选编》――武汉安全环保研究院编

[2]、李启航, 栗龙发, 张智宇, 等. 城镇复杂环境下的顶管隧道爆破[J]. 爆破, 2012, 29(2): 54-56．

[3]、郝文广.水平岩层特长隧道的爆破参数优化与超欠挖控制[J].铁道建筑技术,2013(4)：13-17.