2018年度陕西省科学技术奖公示信息

一、项目名称

邻近既有线隧道爆破开挖关键技术研究与工程应用

二、项目简介

中国是世界上隧道运营里程最长的国家，也是隧道在建里程最长的国家。由于地形条件对交通线路规划的限制，以及交通发展带来的复线建设需求，新建隧道邻近既有运营隧道的情况成为不可回避的工程问题。

邻近既有线隧道的爆破开挖是目前隧道建设领域的热点问题。新建隧道邻近既有隧道包括三种类型：下穿既有隧道、邻近既有隧道、上跨既有隧道。该类工程包含了两个互为制约的工程难题，一是如何保证新建隧道爆破控制下的开挖效率；二是如何将邻近爆破对既有隧道结构损伤控制在规范许可的范围，保证既有隧道低响应下的正常运营。解决这两个工程难题，需要三个方面的理论支持和技术创新，一是隧道开挖的爆破控制技术，二是节理岩体中的波传播规律，三是既有隧道的动力响应评价与加固处置技术。

自2009年起，课题组在国家自然科学基金、教育部归留学国国人员基金、陕西省科技统筹创新项目和中铁电气化局委托项目的支持下，针对邻近既有线隧道的爆破开挖问题，开展了以下三个方面的研究工作：

(1)建立了单节理的非线性位移不连续模型，提出了时域分析的求解方法，避免了复杂的数学运算，通过迭代计算即可求出透射波和反射波的数值解。系统研究了应力波入射角度、节理变形非线性、节理张开宽度、节理剪切滑移等因素对波传播的影响规律和能量传递规律，为爆破振动控制和既有隧道结构的动力响应评价提供了必要的理论支撑。

(2)针对翠华山隧道下穿既有小峪隧道工程，开展了爆破药量控制、不耦合装药与微差爆破相结合的综合爆破控制技术研究，给出了下穿工程中药量、不耦合系数与微差时间的优化参数。基于临空面对弱化爆破振动的优化分析，提出了邻近侧小炮开挖先行、背离侧主炮开挖跟进的施工方案，为翠华山隧道下穿工程的施工效率和安全，提供了技术保障。

(3)开展了既有小峪隧道和小瓢沟Ⅰ号隧道的动力响应研究，获得了小峪隧道和小瓢沟Ⅰ号隧道的动力响应规律，提出了衬砌背后钻孔注浆处理病害、自进式锚杆全断面加固与钢拱架加固相结合的既有隧道加固方案，为既有线隧道的结构安全和正常运营，提供了技术保障。在无相关加固规范的情况下，为类似工程中既有隧道的加固处置提供了技术与工程借鉴。

课题组出版《隧道工艺力学》专著1部，共发表学术论文20余篇，其中SCI收录1篇，EI收录5篇，授权发明专利3项，实用新型专利7项。研究成果在西康二线翠华山隧道、小瓢沟隧道、新两河关隧道、新铜羊沟隧道、新小河隧道、镇安隧道等工程的爆破开挖中得到了成功应用，为在建隧道的爆破开挖、邻近既有隧道的加固和运营安全提供了重要的理论支持和技术保障，创造直接经济效益约7738万元。经中国公路学会专家评议，认为项目研究成果总体达到国际先进水平，其中隧道工艺力学理论研究达到国际领先水平。

通过本项目研究，培养了一批隧道技术人才，包括博士3人，硕士21人。

三、客观评价

邻近既有隧道爆破开挖是目前隧道建设领域的热点问题。课题组在国家自然科学基金、教育部归国留学人员基金、陕西省科技统筹创新项目和中铁电气化局委托项目的支持下，针对邻近既有隧道爆破开挖面临的难点问题和关键技术展开研究，分析了节理岩体中波传播规律、给出了爆破控制技术的关键影响参数、提出了既有隧道加固措施，并顺利完成了相关项目验收和鉴定工作。

1.中国公路学会鉴定意见

2017年3月30日，中国公路学会在西安召开了成果评价会。评价委员会听取了课题组的汇报，审阅了相关技术资料，经质询、讨论形成评价意见。与本课题相关的评价意见及结论有：

揭示了节理岩体中爆炸波传播的理论规律与围岩的损伤机理，提出了爆破控制参数，并在隧道爆破工程中得到验证。

首次提出了隧道工艺力学的概念，建立了隧道工艺力学理论体系。

项目研究成果总体达到国际先进水平，其中隧道工艺力学理论研究达到国际领先水平。

2.工程应用评价

课题组提出的综合爆破技术在中铁电气化局西康二线西铁工程项目部承建的翠华山隧道和小瓢沟Ⅱ号隧道中应用。基于临空面对弱化爆破振动的优化分析，课题组提出邻近侧小炮开挖先行，背离侧主炮开挖跟进的施工方案，很好地控制了爆破振动效果。在既有隧道衬砌背后通过钻孔注浆处理病害以及R32N自进式锚杆全断面加固既有隧道，保证了在建隧道的高效开挖和既有隧道的正常运营。与其他开挖方式相比，可节约成本投资和后期既有隧道维护费用约1942.5万元。

课题组提出的综合爆破技术在中铁十九局西康二线项目经理部承建的新小河隧道和新两河关隧道中应用，通过调整爆破药量、增加临空面、调整微差爆破时间等措施很好地控制了爆破振动效果；采用I16型钢钢架对既有隧道进行加固，保证了在建隧道的高效开挖和既有隧道的正常运营。与其他开挖方式相比，节约成本投资和后期既有隧道维护费用约3903.5万元。

课题组提出的综合爆破技术在中铁十二局西康铁路工程指挥部承建的新铜羊沟隧道和镇安关隧道中应用，通过调整爆破药量、调整微差爆破时间和不耦合装药系数等措施很好地控制了爆破振动效果；采用I16型钢钢架对既有隧道进行加固，保证了在建隧道的高效开挖和既有隧道的正常运营，节约成本投资和后期既有隧道维护费用约1902万元。

3.国内、外查新情况

项目组委托“教育部科技查新工作站（Z08）”对下述课题研究内容和相关创新点进行了国内、外查新：

(1)建立节理岩体波传播的理论模型，系统地研究了应力波在单个节理、多个节理和张开节理中的传播规律；分析了节理变形非线性、节理张开宽度和节理剪切滑移等因素对波传播的影响规律和能量传递规律。

(2)对影响爆破振动控制的关键因素进行研究，分析了爆破药量、微差爆破、临空面、不耦合装药等对隧道爆破振动控制的影响作用。提出多技术综合的爆破开挖方法，以减少新建隧道开挖对邻近既有建筑物的振动响应；

(3)分析既有结构的振动响应机理，优化既有结构的加固方案，为既有构筑物安全提供技术保障。

查新报告结论如下：

“从综合分析比较可以看出：在国内、国外公开发表的文献中与本项目创新点完全相同未见报道。”

4.学术论文、专著及引用情况

通过研究，课题组出版《隧道工艺力学》专著1部；授权发明专利3项，实用新型7项；发表学术论文20余篇，其中SCI收录1篇，EI收录5篇，他引80多次。

四、主要知识产权目录（限10条，与推荐书主件一致）

五、推广应用情况（属于技术发明、技术开发、技术推广和社会公益类项目准备此部分）

新建隧道邻近既有隧道主要包括三种类型：下穿既有隧道、上跨既有隧道和邻近既有隧道。课题组从爆破振动控制效果、应力波在节理岩体中的传播规律以及既有隧道结构的振动响应等方面入手，提出了邻近既有隧道施工的综合爆破开挖技术。针对三种类型隧道的特征，给出了具体的邻近爆破开挖的关键参数和施工关键技术。在没有规范可依的前提下，总结出一套适用于邻近爆破条件的既有隧道加固措施，既实现了在建隧道的高效开挖，又保障了既有隧道的正常通车，具有良好的社会效益。研究成果在中铁电气化局、中铁十九局和中铁十二局承建的西康二线工程中得到成功应用：

1、下穿既有隧道；

秦岭翠华山隧道在D1K66+210～+386段下穿既有线小峪隧道，新建隧道与既有隧道间岩层净距约8.0m。新建隧道施工前，采用D24便梁对直接立交影响段内的既有隧道进行分段落两次加固。对K64+710～K64+780段内既有隧道衬砌背后钻孔压注水泥浆。采取R32N自进式锚杆对上跨小峪隧道进行全断面加固，锚杆长L-3.5m，间距@1.0×1.0m，梅花形布置。

新建隧道施工通过采取减少药量、增加临空面、调整微差爆破时间和不耦合装药系数等措施有效地控制了爆破振动效果，保证了既有隧道的安全和正常通车，得了良好的经济和社会效益。

2、上跨既有隧道

新两河关隧道在K192+230~K192+325段（既有线里程）上跨既有线隧道。新建隧道开挖前，采用I16型钢钢架，按1榀/m架设，对既有隧道进行加固。

项目在实施过程中，项目部结合工程实际特点和课题研究成果，对爆破开挖方案进行优化，采用小孔掏槽以增加临空面，采用合理的微差爆破时间和不耦合系数，取得了良好的爆破效果。在工期紧、任务中的情况，既保证了新建两河关隧道的安全高效掘进，又保证了既有隧道的正常安全运营，取得了良好的经济和社会效益。

3、邻近既有隧道

新铜羊沟隧道、小瓢沟Ⅱ号隧道、新小河隧道和镇安隧道与既有隧道的距离均较近，最小净距在4.8~10米。较大的净距为20~40m。为确保既有隧道安全，在距离既有隧道稍远处进行爆破开挖时，对既有隧道衬砌背后钻孔压注水泥浆，注浆压力不大于0.5Mpa。当在建隧道离既有隧道较近时，采用I16型钢钢架对既有衬砌进行加固，架设段落据新线施工进度确定，待新建结构稳定后拆除，继续向前倒用。

新建隧道施工过采取减少药量、增加临空面、调整微差爆破时间和不耦合装药系数等措施有效地控制了爆破振动效果。基于临空面对弱化爆破振动的优化分析，提出了邻近侧小炮开挖先行、背离侧主炮开挖跟进的施工方案实现了新建隧道的高效安全开挖。同时保证了既有隧道的安全，具有良好的经济和社会效益。

六、主要完成人情况

七、完成人合作关系说明

宋林、王新宇、乔汝佳是第一完成人的博士研究生，共同完成了邻近隧道爆破波传播的规律、爆破振动控制技术和既有隧道结构振动响应的相关研究工作，合作发表论文12篇。

赵秋林、袁溢、谢君泰作为中铁第一勘察设计研究院集团有限公司的项目研究人员，与第一完成人共同完成了既有隧道加固及邻近既有隧道爆破振动控制的研究和现场应用。

王铁军、黄国涛作为中铁电气化局西康二线西铁工程项目五分部的项目研究人员，与第一完成人共同完成了翠华山隧道、小瓢沟隧道爆破振动控制的相关研究工作。

李心平作为中铁十二局西康二线指挥部的项目研究人员，与第一完成人共同完成了新铜羊沟隧道和镇安隧道爆破振动控制技术的相关研究工作。

八、主要完成单位排序及贡献

九 完成单位合作关系说明（仅有一个完成单位的项目不要填写此部分内容）

十、主要论文专著目录（横版限20条，与推荐书主件一致）