摘要：针对重庆地铁10号线隧道（大跨）近距离下穿火车站地下广场，施工过程中伴随着结构的受力转换，围岩扰动次数多，应力集中，施工工艺复杂，施工风险和难度较大等施工难题，通过采取采取三拱两柱暗挖车站中洞法开挖，中洞衬砌施工采用工字钢与支架模板相结合的组合模架工法来从而确保施工安全；同时，结合安全药量和单眼装药量的计算结果，分别采用高精度非电导爆管毫秒雷管起爆法、电子雷管逐孔起爆法和电子雷管错相减震起爆法三种起爆方法来降低爆破振动速度峰值，确保将爆破振动对周边建筑物的影响降至最低。
关键词：硬岩地层；浅埋暗挖；中洞法；组合模架；错相减震
0 引言
浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各类型地下洞室暗挖施工的一种方法，此法施工的地下洞室具有埋深浅、地层岩性差、存在地下水、周边环境复杂等特点。
目前，在城市繁华地段以及复杂的围岩（尤其硬岩地层）地质环境下，采用中洞法、柱洞法及CRD工法等修建浅埋单拱大跨车站的施工方法在国内尚不多见。本文结合重庆地铁10号线重庆北站D区浅埋暗挖段工程实例，对硬岩地层单拱大跨超浅埋大断面暗挖隧道中洞法施工关键技术难点及应对措施进行了阐述，对同类工程具有较好的借鉴作用。
1 工程概述
1.1 工程概况
重庆市轨道交通10号线（建新东路～王家庄段）重庆北站位于国铁重庆北站南广场下方，与环线重庆北站同期建设。其中环线下穿3号线与10号线，三站之间为“H”形换乘，根据施工方法及使用功能不同，分若干区段进行施工，分别为环线A区明挖段、B区暗挖段、C1区明挖段、C2区暗挖段；10号线D区浅埋暗挖段及D区盖挖托换段。
其中，10号线重庆北站（D区）位于国铁重庆北站南广场负一层下方长180m，为14.6m岛式站台车站，包括D区浅埋暗挖段及D区盖挖托换段两部分。其中，D区浅埋暗挖段位于既有重庆北站南广场地下广场下方，为单孔三跨结构，总长113m，开挖宽度25.6m，高度11.9m，开挖断面面积272m2，主体结构与地下室桩基础的垂直距离约2.35~3.35m，与地下室交叉梁基础的距离为5.15m，属于超浅埋大断面暗挖隧道，开挖安全风险极高。
1.2 地质条件
盖挖段地层由上而下依次为：1）素填土，杂色，主要由黏性土组成，其中夹杂砂、泥岩块石和碎石；2）砂质泥岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，岩质较软，抗风化能力差；3）砂岩，灰色，属较软岩，岩体基本质量等级为Ⅲ级，岩质较硬，抗风化能力强。
1.3 亟待解决的关键技术难题
环线重庆北站与10号线重庆北站在平面上为T形换乘，10号线的结构底板为环线结构顶板，10号线交叉段衬砌结构完成后再进行环线交叉段施工，环线施工时如何控制10号线结构的沉降和变形，以确保结构的安全。
此外，D区暗挖断面面积大，通过施工通道进入暗挖区域施工，此过程伴随着结构的受力转换，加之围岩扰动次数多，应力集中，施工工艺复杂，施工风险和难度较大，如何通过有效的支护和对结构受力的监测分析以优化施工方案，是暗挖法隧道施工中的重难点。
鉴于以上工程特点，本工程采用中洞法8部开挖，上台阶采用机械开挖，以确保暗挖隧道和既有南广场地下室建筑物的安全。
2 中洞法进洞挑顶及体系转换技术
施工主通道与车站隧道正交，相交位置受力情况复杂，须精心组织以确保施工安全。其施工工艺流程如下：
1）施工通道局部临时弃渣回填，从施工通道上台阶进车站主体，进入车站主体上半断面前，在施工通道与车站主体初支的交叉口处密排4榀门型拱架（采用I25a工字钢），施做主体结构断面初支；
2）开挖中部岩体，开挖掘进时每掘进0.5m，架设门式钢架，打设锚杆，施做车站拱顶初期支护；
3）完成车站拱顶初支后，人工挖孔，安装临时立柱及临时横梁；
4）分段破除一侧钢架立柱，开挖中洞上导洞，形成车站主体中洞上导洞工作掌子面；
5）完成主体断面中洞上导洞初支后，开挖施工通道下台阶，由施工通道进入车站主体下半断面，安装侧洞处门式钢架，施做锚杆，喷射混混凝土（中洞处侧壁锚喷支护）。在门式钢架内侧安装车站主体结构下半断面钢拱架；
6）分段破除中洞下导洞锚喷支护，开挖中洞下导洞，形成车站主体中洞下导洞工作掌子面；
7）分段破除一侧钢架立柱，开挖侧洞上导洞，形成车站主体侧洞上导洞工作掌子面。完成侧洞上导洞后，再开挖侧洞下导洞，形成车站主体侧洞下导洞工作掌子面。
3 隧道中洞法施工技术
3.1 施工步序
D区车站主体开挖支护采用中洞法施工，先施工中洞上导坑（上导坑分上下台阶施工），上导坑贯通后，施工通道进行落底，施工中洞下导坑，中洞完成后，对称开挖两侧洞，形成初期支护。施工中严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行开挖施工。其施工工艺流程如下：
1）（如图1（a））：由施工通道上导洞进入车站，打设超前小导管，由上至下分步开挖各小导洞，（导洞分上下台阶，间距约5m），形成初期支护；
2）（如图1（b））：由施工通道下导洞进入车站，开挖3、4导洞，形成初期支护；
3）（如图1（c））：对称开挖两侧洞，形成初期支护。在开挖5、6导洞时，根据监测结果，必要时提前施做中洞二衬，二衬达到设计强度后，再开挖5、6导洞；
4）（如图1（d））：保留临时支撑，在中洞内施做防水、底纵梁、底板，再施做钢管柱、顶纵梁、顶板，并施做钢拉杆；
5）（如图1（e））：保留中隔壁，分段拆除斜撑，对称施做二次衬砌，完成车站主体结构；
6）（如图1（f））：施工站台板及附属结构。
（a）第1步 （b）第2步 （c）第3步
（d）第4步 （e）第5步 （f）第6步
图1 中洞法开挖施工步序图
3.2 钻爆法开挖
以振速控制为核心，计算爆破参数和进行炮孔布置设计，进行爆破设计时，与设计的开挖方式相适应。
3.2.1 钻爆参数选取
炮眼深度L：隧道开挖时要求立拱间距50cm，若要满足立拱及下一轮周边眼造孔的操作空间，一次需爆落的距离至少为70cm，1m深度的炮孔基本可满足要求。
抵抗线W及孔距a：W、a通常均小于炮眼深度，否则各个炮眼将成为各自独立的漏斗爆破，掌子面会炸成麻窝状，达不到理想的爆破效果。根据漏斗联合作用原理，漏斗联合作用点在1/3孔深处时掌子面比较平整，即当炮眼直径在35～42mm的范围内时，抵抗线W与炮眼深度有如下关系式：
W＝（0.3～0.6）L
在坚硬难爆的岩体中或炮眼较深时取较小系数，反之取较大系数。
3.2.2 安全药量计算
根据爆破安全规程所用振动计算公式分别计算不同部位不同安全距离的炮孔的最大安全药量，计算公式为：
式中，爆破质点振动速度取v=1.5cm/s，爆心距R分别取不同位置炮孔的安全距离，k、α根据本工号已完成相邻区域的设计参数取为：k=150、α=2。由于不同地段岩性有一定差别，其场地参数值也有可能发生一定变化，施工过程中需结合实测振速进行k、α值的回归调整。
3）单孔装药量的计算
根据炮眼所在的部位不同，掏槽眼要求抛掷；掘进眼只要求松动，而在掏槽部位的两侧与其上、下部位各部分的炮眼要求又不一样，侧部要求松动，上部要求弱松动，下部要求加强松动，周边眼则要求光面爆破，底板眼则要求用抛掷爆破的药量，否则可能底板爆破失败。所以各部位炮眼的装药量不同。炮孔单眼装药量可按以下公式计算：
q=k×a×w×L×λ
式中，q为单眼装药量（kg）；k为炸药单耗（kg/m3，本工程取1.1kg/m3）；a为炮眼间距（m）；w为炮眼爆破方向的抵抗线（m）；L为炮眼深度（m）；λ为炮眼部位系数。（单孔药量计算时，炮眼部位系数λ值得选取中硬岩隧道炮眼部位系数表。）
3.2.3 起爆方式及炮孔布置
本工程采用高精度非电导爆管毫秒雷管（）起爆法、电子雷管逐孔起爆法和电子雷管错相减震起爆法三种起爆方法。
当安全校核药量是单孔药量n倍时，采用高精度非电导爆管毫秒雷管起爆法，那么在这些区域采用高精度非电导爆管毫秒雷管微差起爆法；当安全校核药量大于等于单孔药量时，采用电子雷管逐孔起爆法；当安全校核药量小于单孔药量时，采用电子雷管错相减震起爆法，即采用电子雷管逐孔起爆法和电子雷管错相减震起爆法起爆。其中，电雷管起爆利用错相减震机理，能够使爆破振动速度峰值显著降低。
当开挖区域爆破开挖时有中隔板或（和）横隔板要保护，因此需留保护距离，此时要求每个分区要通过掏槽创造临空面。为增大安全距离，掏槽眼布置在该区域下部。
周边眼均采用经验公式和工程类比法确定。本设计为隔孔装药，炮眼间距350mm；抵抗线W＝（0.3～0.6）L；类似工程地质的装药集中度q=0.1～0.15kg/m，由于本设计眼间距350mm且为隔孔装药，装药集中度取大值q=0.15kg/m。
1）高精度非电导爆管雷管起爆方式适用区域炮孔布置及起爆顺序设计
按照上述设计原则对照爆破参数计算结果，可知该适用区域位于隧道下部。
2）电子雷管管雷管起爆方式适用区域炮孔布置及起爆顺序设计
按照上述设计原则对照爆破参数计算结果，可知该适用区域位于隧道下部隧道上部。
（1）电子雷管错相减震起爆设计
目前工程中常用的减震技术以分散装药、微差爆破、减少断面或进尺为技术核心，对临近建筑物的爆破，甚至采用机械破碎的方式，保证工程安全是以降低工程效率为前提[3-5]。
随着电子雷管制造技术日趋成熟，由于其延时精度高和段别设置不受限制，即使对大断面爆破也容易实现单孔单响的起爆技术。根据Basebi等的工程试验研究，采用单孔单响的电子雷管起爆爆破振动可以降低约三分之一。工程应用结果表明，错相减震爆破设计能够在保证爆破振动安全的前提下，提高爆破掘进效率。
（2）错相减震机理
错相减是指在多炮孔起爆时，通过控制炮孔之间的起爆延时间隔，使达到被保护点的爆炸波主振相错开约半个周期，实现爆破振动的降低。根据波动与振动原理，爆破振动可认为是一系列简谐波叠加的结果，即可表述为
式中：ωi为第i列波的角频率；t为振动持续时间；Δti为炮孔起爆间隔时间，φ为初相位，函数Ai(t)为第i个振动波形包络线，根据单孔爆破振动波形，其形式为：
其中：ɑ，β为正整数，且α＜β。
错相减震需要满足的条件为：
式中：n为整数，考虑波形包络线的变化，n=0时错相减震效果最好，ωi、ωj均属于主振圆频域。令ω等于主振圆频域的比例中值，代入ω=2πf得：
采用电子雷管起爆容易实现单孔单响，从而使爆破振动有所降低，使爆破振动能量在时频域分布更广，但是速度峰值个数增加，单孔爆破的振速峰值很难再降低。错相减震的机理在于通过精确的起爆延时间隔设计，从而使爆破炸波到达被保护点相位错开约1/2周期。由于电子雷管的起爆延时精度高，采用电子雷管起爆可以实现错相减震，使爆破振动进一步降低。
（3）隧道上部炮孔布置及起爆顺序设计
该区域安全校核药量小于单孔装药量，炮孔数多，传统非电导爆管毫秒雷管起爆方式不再适用。利用错相减震技术可以很好的达到减小爆破振动速度峰值，保证爆破开挖的顺利实施。
4 小结
针对重庆地铁10号线隧道（大跨）近距离下穿火车站地下广场，施工过程中伴随着结构的受力转换，围岩扰动次数多，应力集中，施工工艺复杂，施工风险和难度较大等施工难题，通过采取施工措施确保施工安全：
（1）采取三拱两柱暗挖车站中洞法8部开挖，上台阶采用机械开挖，很好地控制了沉降，确保了暗挖隧道和既有南广场地下室建筑物的安全；
（2）中洞衬砌施工采用工字钢与支架模板相结合的组合模架工法，为拱部施工提供了作业平台，提高了作业效率，降低了施工难度；
（3）结合安全药量和单眼装药量的计算结果，分别采用高精度非电导爆管毫秒雷管起爆法、电子雷管逐孔起爆法和电子雷管错相减震起爆法三种起爆方法。当安全校核药量是单孔药量n倍时，采用高精度非电导爆管毫秒雷管起爆法；当安全校核药量大于等于单孔药量时，采用电子雷管逐孔起爆法；当安全校核药量小于单孔药量时，采用电子雷管错相减震起爆法。其中，电子雷管错相减震起爆法利用错相减震机理，确保了爆破振动速度峰值显著降低。
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论文作者:李三虎
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：雷管论文; 药量论文; 炮眼论文; 隧道论文; 断面论文; 车站论文; 重庆论文; 《基层建设》2019年第1期论文;