山西大同山隧道爆破設計與施工

平山隧道是山西省大同至三山旅游道路上唯一的隧道。隧道始建于1969年,由于受到當時條件的限制,洞內只對Ⅲ類圍巖進行了襯砌,而70%的為裸露圍巖,洞內滲水嚴重,無排水、通風、照明設施,因隧道現有狀況嚴重阻礙了旅游業(yè)的發(fā)展,所以亟待改建。隧道全長552m,為山嶺重丘區(qū)二級公路二車道隧道,設計寬度8.5m,凈高5m。隧道大地構造位置位于北岳恒山大斷裂南側400m。隧道洞身距恒山水庫大壩70m,距國家級重點文物保護對象已有1500年歷史的懸空寺也僅有100m,且洞身右側為懸崖峭壁,壁邊又有多處危石,崖底是水庫庫區(qū)和懸空寺管理場所,所以爆破對于恒山隧道的施工成了重中之重。1研制保護、爆破方案項目部成立以項目經理為組長的文物、環(huán)境保護領導小組,針對施工現場的特殊性,制定出切實可行的保護方案以及對恒山水庫、懸空寺震動影響的監(jiān)測及炮點藥量控制方案,在開工前應會同恒山水庫管理局及山西地震震害研究所共同研制保護措施、爆破方案。在隧道洞內及山體多處進行地震及地形變化的監(jiān)控量測,責成專人每天負責觀察并記錄變化數據,分成各相關部門的縱橫上、下的聯防網絡,以確保施工期間大壩及懸空寺的安全不受影響。2監(jiān)測儀器設備應根據國家規(guī)定,聘請專職人員進行檢測,并配備相應的儀器設備:監(jiān)測儀器使用中國科學院武漢巖土力學研究所生產的RSM-16HE動測儀,記錄儀使用筆記本電腦,傳感器為中國地震局哈爾濱工程學院研究所生產的891-Ⅱ型拾震器。3監(jiān)測方法在實施爆破之前,首先要進行多次地震效應的監(jiān)測和實驗,以確保恒山水庫大壩和懸空寺的安全性。3.1爆破后局部震動用同類型號的傳感器分別布設于爆破點不同距離的觀測點,記錄采集爆破時產生的震動時程波形曲線,在時域分析處理中,可求得不同距離的震動量,即質點震動速度。3.2離炮點爆破的確定根據爆破實驗所確定的不同距離的振動速度,結合爆破點(隧道)與恒山水庫、懸空寺的實際距離,計算出微差爆破時最大一段的炸藥量,以確定恒山水庫大壩、懸空寺的安全性。該隧道開挖爆破屬既有隧道擴建,爆破時不需要掏槽眼,其爆破震動比相同斷面和地質的新建隧道要小得多,這給水庫大壩和懸空寺文物保護帶來了先天優(yōu)勢。因此在弱爆破的前提下,盡可能多用人工或機械開挖。3.3確定爆破時炮點點最大炮點的爆破量在實施爆破之前,首先取得恒山水庫大壩、懸空寺未受爆破影響的自振周期和頻率,然后根據爆破實驗結果,確定實施爆破時炮點最大炸藥量。對恒山水庫大壩、懸空寺進行不同距離的地震效應,根據測試記錄系統(tǒng)對采集的震動時程波形曲線進行時域處理,求得質點震動速度,給出恒山水庫大壩、懸空寺的安全距離,以確保其不受損壞。3.4爆破頻率的確定1)根據爆破方法、藥量、距離、地質狀況等因素,確定爆破最大振幅、頻率,使其滿足安全保護所要求的數據;2)監(jiān)測爆破時地面的震動影響,宜在鉛垂方向及相正交兩個水平方向(其中一方向為爆破點方向)上同時測定;3)監(jiān)測爆破震動值的空間衰減情況時,至少應設3個測點。4爆破材料的起爆在施工工藝上采用弱爆破的方式:短進尺、密布眼、少裝藥,以減弱爆破時對山體與大壩的震動,同時在爆破材料上采取的措施為:1)采用毫秒雷管微差順序起爆,采取周邊眼同段雷管起爆時差,邊爆破邊產生臨空面,盡可能減少起爆震動威力;2)周邊眼宜用小直徑藥卷(=20mm);3)采用低爆速炸藥,優(yōu)先使用3號巖石硝銨炸藥及其2號巖石硝銨炸藥。5懸空寺地震影響實驗與監(jiān)測計劃5.1最大爆破藥量確定通過對恒山隧道實驗爆破的爆破震動效應研究,得出該地區(qū)爆破地震安全距離公式中的場地系數和衰減系數,最終給出隧道各爆破點的最大爆破藥量。由于該工程地形、地質條件比較復雜,爆破震動效應可能存在異常情況,因此有必要對日后正常爆破作業(yè)進行實地監(jiān)測,并根據監(jiān)測結果及時調整爆破作業(yè)方案。5.2懸空寺地面振動的速度確定古建筑大部分修筑年代較長,尤其是懸空寺距今已有1500年的歷史,抗震能力很差,很難與現在的建筑物比較,因此不好參照其它建筑物或構造物的安全標準。由此可見,確定懸空寺地面質點的安全震動速度對本次工作來說是比較重要的。為了合理地確定懸空寺地面質點的安全震動速度,擬采用歷史地震法和實際測試法進行綜合確定。1)歷史地震法。有地震監(jiān)測以來,懸空寺遭遇了1989年大同～陽高6.1級地震,1991年大同～陽高5.8級地震,1999年大同～陽高5.5級地震,以及1999年應縣4.3級地震,這四次地震對懸空寺的影響烈度均在4度以上,但都未對懸空寺造成任何破壞,因此認為4度影響爆破不會對懸空寺造成任何破壞,但考慮到多次爆破作用的累計效應,安全標準降為3度較為合適。2)實際測試法。通過對多次爆破效應進行測試以及對懸空寺的客觀調查,找到一個安全的速度值。綜合分析兩種方法的結果,最終確定懸空寺地面質點的安全震動速度。6實驗及監(jiān)測速度測試由于本次確定懸空寺地面質點的安全震動物理量及速度,因此在實驗及監(jiān)測過程中測試物理量及地面質點震動速度,測試三個方向,即橫向、徑向和豎向。6.1爆破安全實驗首先根據爆破安全規(guī)程中8.2.2條爆破安全距離表2給出的典型場地系數以及前面確定的懸空寺地面質點震動的安全速度計算出不同距離的實驗藥量?？紤]到與后爆破作業(yè)條件的一致性,擬定在隧道兩頭進行爆破實驗。除按計算得到的藥量進行兩次實驗外,還對隧道兩頭按理論計算的1/3藥量、1/2藥量計算,總共實驗6次。每次實驗共布設三個測點,各測點與爆破源的距離按指數衰減關系,以保證6次實驗18個測點均勻分布在衰減曲線上。6.2隧道爆破質量分析在懸空寺距離爆破源最近的古建筑地面布設一個測點,用來監(jiān)測隧道施工中每次爆破對懸空寺的震動效應,并根據監(jiān)測結果與宏觀調查及時調整爆破方案。7隧道開挖爆破前排除危石恒山隧道進口右側上方10m處有塊巖石直立開裂,與山體分離嚴重。裂縫長約8m～10m,裂縫下部寬約3cm～5cm,上部寬約20cm,一旦施爆,引起危石下落,將危及到右下方高壓電桿、懸空寺管理局辦公服務區(qū)及來往游客,故在隧道開挖爆破前須排除此危石。以下為具體處理措施:7.1噴注建立了粘結劑1)巖石裂口內用高標號砂漿填塞,裂縫用高標號砂漿噴注,砂漿配比應添加粘稠劑;2)危石兩側垂直方向上各打3排～4排錨桿,用U型鋼筋(型鋼)把危石箍住,兩頭與錨桿焊接,必要時用錨索代替錨桿進行圍箍。7.2鋼筋網連焊保護網在危石下方打上幾排短鋼軌,短鋼軌用鋼筋網連焊形