小凈距隧道施工中減振技術(shù)研究

趙禹鋒

（中鐵八局集團(tuán)第一工程有限公司 重慶 400050）

張家山隧道位于重慶云陽縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)為分離式隧道，穿越的地層是Ⅱ～Ⅳ類侏羅系中統(tǒng)上砂溪廟組砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖，該隧道左線長1386m，右線長1436m，最大埋深約為135m，其中隧道雙線進(jìn)口段K183+180～K183+600的420m區(qū)段內(nèi)，左右線中夾巖柱厚度為由洞口的10.0m漸變至K183+600里程的28.8m。在這420m的小凈距隧道區(qū)段中，K183+180～K183+220里程的40m段處在Ⅱ類淺埋偏壓巖質(zhì)地層中，K183+220～K183+600里程380m小凈距段是處在Ⅲ類圍巖地層中。其中K183+180～K183+300的120m區(qū)段中夾巖柱的厚度為10.0～18.8m漸變，是典型的小凈距隧道。設(shè)計(jì)文件對120m典型小凈距段提出了明確的要求，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了必須嚴(yán)格控制施工爆破。

1 小凈距隧道爆破施工的難點(diǎn)

在小凈距隧道的爆破施工中，先行洞開挖時(shí)其圍巖出現(xiàn)了首次應(yīng)力重分布，當(dāng)后行洞爆破開挖時(shí)，先行洞圍巖出現(xiàn)再次應(yīng)力重分布，所以后行洞的爆破直接影響先行洞的圍巖穩(wěn)定。

在小凈距隧道雙洞開挖時(shí)，后行洞靠先行洞側(cè)的中夾巖柱實(shí)際上是處于懸空狀態(tài)，后行洞爆破時(shí)，可能對中夾巖柱造成嚴(yán)重的二次擾動(dòng)，導(dǎo)致中夾巖柱破壞。

張家山隧道單洞最大開挖斷面為102.93m3，毛洞最大跨度12.4m，大斷面因素增加了施工中控制爆破的難度。

在小凈距段，隧道處于淺埋偏壓位置且隧道軸向與巖層產(chǎn)狀小角度相交，這些地質(zhì)方面的不利因素也增加了爆破施工的難度。

在保證施工安全的前提下，如何有效控制爆破，加快施工進(jìn)度，確保先行隧道及中夾巖柱的穩(wěn)定，就成為小凈距隧道爆破施工控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 影響爆破振動(dòng)強(qiáng)度的因素

我國現(xiàn)行的《爆破安全規(guī)程》（GB6722-86）中用于計(jì)算爆破地震振動(dòng)速度的公式[2]：

式中：V—振動(dòng)速度，cm/s；K，α—場地系數(shù)；Q—單段起爆藥量，kg；R—爆源到計(jì)算點(diǎn)的距離，m。

從定性的角度分析可以看出，決定振速V大小的主要因素有：由幾何關(guān)系決定的爆心距R，由爆破條件決定的裝藥量Q和由地質(zhì)條件決定的參數(shù)K，α，但爆破產(chǎn)生的振動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的瞬間過程，相互獨(dú)立地使用上述三個(gè)條件參數(shù)所得的結(jié)果與實(shí)際相差較大，實(shí)際上三者是耦合作用的。

2.1 幾何距離的影響

根據(jù)大量的洞內(nèi)爆破振動(dòng)測試結(jié)果分析，爆破振速最大值與爆心距的關(guān)系基本上可回歸成指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系，說明比例距離與振動(dòng)速度有良好的對應(yīng)關(guān)系，這與式（1）是一致的，是影響爆破振動(dòng)強(qiáng)度的重要因素之一。

2.2 爆破條件的影響[3]

爆破條件包括炸藥的重量、性能和裝藥結(jié)構(gòu)以及爆破介質(zhì)臨空面的夾制條件等。在這些因素中，除考慮單段最大爆破藥量Q外，爆破的夾制條件是影響爆破振動(dòng)強(qiáng)度的另一重要因素。

炸藥的種類：本工程中使用的是2號(hào)巖石硝銨炸藥，其性能穩(wěn)定。炮眼直徑為40mm，裝藥結(jié)構(gòu)參見《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[5]（JTJ042-94）條文釋義第5.4.9中圖29。

當(dāng)其他爆破條件相同時(shí)，爆破振動(dòng)的最大峰值振速出現(xiàn)在掏槽爆破和底限爆破時(shí)。掏槽爆破時(shí)，只有一個(gè)臨空面(掌子面)，因此掏槽爆破是在較大夾制作用下的強(qiáng)拋擲爆破。夾制爆破導(dǎo)致更多的爆炸波能向巖體內(nèi)部傳播，造成臨近隧道的較強(qiáng)振動(dòng)，如底眼一般要下傾，特別是兩角的底眼，其臨空面內(nèi)折，爆破時(shí)夾制作用增大，所以底眼爆破時(shí)也引起較大振動(dòng)。已有的資料顯示，不同爆破條件下測得的爆破振動(dòng)速度回歸分析，爆破夾制作用與爆破振動(dòng)速度衰減經(jīng)驗(yàn)公式中K值有一定的對應(yīng)關(guān)系。夾制力作用最大的掏槽爆破條件下，式（1）中K值最大；擴(kuò)槽爆破時(shí)臨空面增大，夾制作用減小，K值減??；周邊爆破臨空面最大，夾制作用最小，K值也最小。

2.3 地質(zhì)條件的影響

對于小凈距隧道爆破施工，隧道圍巖類別，巖層的厚度、破碎程度、軟弱夾層或斷層，巖層走向與隧道軸線的夾角大小，洞頂覆蓋土層的厚度以及地下水等內(nèi)在因素，和先行洞的橫斷面形狀、襯砌支護(hù)情況等，都是影響參數(shù)的條件。

3 后行洞開挖鉆爆設(shè)計(jì)

小凈距段隧道的先行洞施工與普通單行隧道一樣，但后行洞必須落后先行洞一定的距離，其距離因圍巖類別不同而不同，一般情況下，對Ⅱ類圍巖先行洞開挖斷面超前后行洞的開挖斷面控制在35～45m，Ⅲ類圍巖控制在35～45m，Ⅳ類圍巖控制在35～45m[4]。在爆破施工中，對先行洞影響最大的爆破參數(shù)是最大段裝藥量和間隔時(shí)間，其次是掏槽形式、炮眼布置、炮眼深度及起爆網(wǎng)路等。下面介紹后行洞在不同類別圍巖下的鉆爆設(shè)計(jì)。

3.1 最大段裝藥量

如果采用的雷管不出現(xiàn)延時(shí)或竄段現(xiàn)象時(shí)，先行洞內(nèi)最大振速出現(xiàn)在裝藥量最大段位。在小凈距段要求光面爆破的張家山隧道，裝藥量段位布置等見表1、表2。

表1 Ⅱ類圍巖鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 Ⅲ類圍巖鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 間隔時(shí)間

合適的間隔時(shí)間既可以避免爆破振動(dòng)的疊加，也可以獲得光面爆破的最好效果，這樣一方面保證了先行洞的安全穩(wěn)定，另外還可以取得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效果。以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：普通毫秒雷管的振動(dòng)波形疊加較多，特別在低段位時(shí)；25ms等間隔高精度毫秒雷管只在個(gè)別段位出現(xiàn)疊加，也是出現(xiàn)在低段位；50ms等間隔高精度毫秒雷管基本不疊加。因此，選用50ms等間隔高精度秒雷管，也就是說在后行洞爆破中，段間隔采用50ms較合適。

3.3 爆破參數(shù)

鑒于雙線隧道間距較小，從振動(dòng)安全角度考慮，爆破規(guī)模較大的全斷面開挖顯然不能有效控制爆破振動(dòng)。所以，結(jié)合已有隧道施工的經(jīng)驗(yàn)，對Ⅱ類圍巖段采用臺(tái)階分部法、Ⅲ類圍巖段采用短臺(tái)階上下斷面法爆破掘進(jìn)的方案[3]，如圖1、圖2。

圖1 Ⅱ類圍巖施工工序

圖2 Ⅲ類圍巖施工工序

（1）掏槽形式

在對隧道爆破振動(dòng)的多次監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，一般掏槽孔爆破在整個(gè)斷面爆破中比相同裝藥量的其他炮孔爆破產(chǎn)生較大的振動(dòng)速度，因此選擇合理的掏槽形式及掏槽孔位置，是后行洞開挖中控制爆破振動(dòng)的關(guān)鍵措施。楔形掏槽具有掏槽效果好、能為輔助眼爆破創(chuàng)造較好的臨空面等特點(diǎn)，可以減少輔助眼爆破時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度，在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)張家山隧道的地質(zhì)條件、開挖方法以及機(jī)械設(shè)備和工人的技術(shù)水平，決定采用楔形掏槽。

（2）炮眼布置

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ042—94）第5.4.3條中(5)規(guī)定[5]：光面爆破各參數(shù)如周邊眼間距（E）、最小抵抗線（E）、相對距（E/V）和裝藥集中度（q）等，可按照表5.4.3選用[2]，決定選用符合軟巖（飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb≤30MPa）的光面爆破參數(shù)：裝藥不偶合系數(shù)D=2.0(炮眼直徑為40mm)，周邊眼間距E=40cm，周邊眼最小抵抗線V=50cm，相對距E/V=0.8，周邊眼裝藥集中度q=0.15kg/m。小凈距段后行洞炮眼布置如圖3、圖4，爆破參數(shù)如表1、表2。

圖3 Ⅱ類圍巖鉆爆設(shè)計(jì)（單位：cm）

圖4 Ⅲ類圍巖鉆爆設(shè)計(jì)（單位：cm）

3.4 減振措施

（1）采用小循環(huán)進(jìn)尺，分區(qū)開挖。對小凈距及振動(dòng)要求較高的施工條件，進(jìn)尺小則循環(huán)爆破方量小，一次爆破藥量小，相對地爆破振動(dòng)也小，分區(qū)開挖則也減小了一次起爆的藥量，且為后續(xù)的區(qū)間爆破創(chuàng)造了更多臨空面，也可以減小爆破振動(dòng)。

（2）微差爆破。在選擇雷管段數(shù)時(shí)，應(yīng)加大相鄰段的段位差。微差爆破是把一次起爆的許多炮孔分為若干組按先后順序起爆，其實(shí)質(zhì)一方面是減少一次起爆藥量，另外是為避免微差爆破延時(shí)時(shí)間不夠或延時(shí)誤差造成應(yīng)力波疊加。所以微差爆破既有利于相鄰兩段振動(dòng)的主振相分開，避免振動(dòng)疊加，也有利于為后排爆破創(chuàng)造更充分的臨空面，減輕爆破夾制作用，因而能達(dá)到降低爆破振動(dòng)的目的。

（3）加強(qiáng)炮孔堵塞。加強(qiáng)炮孔堵塞可以提高炸藥能量利用率、有效地降低單位耗藥量，減小爆破振動(dòng)。

（4）光爆層[6]。對于光面爆破，一方面，在隧道斷面主爆破孔爆破時(shí)，光爆層有效地保護(hù)了對設(shè)計(jì)輪廓線以外的巖石，使得主孔爆破對圍巖的損傷明顯降低，減小了主孔爆破對先行洞圍巖的振動(dòng)；另一方面，光爆層由于臨空面條件較好，減少了巖石的夾制作用，所以減震效果也較為顯著。

（5）炮孔側(cè)向最小抵抗的大小對先行洞的振動(dòng)影響很大，適當(dāng)?shù)乜s小側(cè)向最小抵抗線有利于減小既有隧道的振動(dòng)強(qiáng)度。

4 振動(dòng)監(jiān)測

4.1 測點(diǎn)布置

在先行洞的Ⅱ類圍巖段選取K183+203、Ⅲ類圍巖段選取K183+245兩個(gè)斷面布設(shè)爆破振動(dòng)觀測點(diǎn)位，布置如圖5。

圖5 先行洞爆破振動(dòng)觀測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)隧道的最大振速監(jiān)測結(jié)果可以看出：先行洞迎爆側(cè)邊墻上的振速最大，其值為14.8cm/s，小于《安全爆破規(guī)程》的允許值[V]=15cm/s；迎爆側(cè)拱肩處為第二峰值區(qū)，約為最大振速的92%；拱頂處為第三峰值區(qū)，約為最大振速的80%；迎爆側(cè)底角和背爆側(cè)拱肩處為第四峰值區(qū)，約為最大振速的65%；背爆側(cè)邊墻中部以下直到底角部位的振速最小，不到最大振速的10%。

（1）先行洞迎爆側(cè)邊墻上振速最大，此區(qū)正是爆炸波正入射作用點(diǎn)。迎爆側(cè)底角雖然應(yīng)力水平很高，但由于該部位受中夾巖柱和底板圍巖的擠壓作用較大，其振速相對較小，故迎爆側(cè)底角不是最危險(xiǎn)的振動(dòng)破壞區(qū)。拱頂?shù)淖畲笳袼俳咏侗瓢踩?guī)程》規(guī)定的交通隧道的允許振速[V]=15cm/s，其振動(dòng)破壞的危險(xiǎn)性也很大。背爆側(cè)邊墻中部以下區(qū)域的峰值振動(dòng)速度小于最大振速10倍以上以及背爆側(cè)拱肩振速不大，主要是由于已開挖完畢的先行洞起到了減震溝的作用，所以背爆側(cè)墻的安全性大大提高。

（2）通過試驗(yàn)觀測分析，在小凈距隧道后行洞的開挖中，采用臺(tái)階分部法和上下臺(tái)階開挖，對降低爆破振動(dòng)峰值速度較為有利。從實(shí)踐結(jié)果來看，在相同藥量、相同凈距、相同支護(hù)條件下，上下臺(tái)階開挖最大振動(dòng)速度比全斷面明顯開挖減小，而對軟弱的Ⅱ類圍巖段，宜采用臺(tái)階分部法開挖，能有效控制先行洞圍巖的振速。

（3）對于先行洞迎爆側(cè)邊墻，爆破振動(dòng)在掌子面前方測得的振動(dòng)速度比后方要小，可能是在掌子面后方的雙洞開挖形成中夾巖柱整體力學(xué)性能降低造成的。

5 結(jié)論

（1）通過對先行洞不利斷面的爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其最大振速小于相關(guān)規(guī)范的允許值，同時(shí)爆破過程中未出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂和大的變形，證明在張家山隧道小凈距段采取的爆破控制技術(shù)是成功的。

（2）小凈距段爆破產(chǎn)生的振動(dòng)與掏槽形式、單段裝藥量的多少、起爆順序、周邊眼的爆破方式、段間隔時(shí)間和爆破的規(guī)模（一次爆破的總藥量）等因素有關(guān)。采用爆破振動(dòng)控制技術(shù)，可較大幅度降低爆破地震振速。

（3）在小凈距隧道的施工中，后行洞爆破開挖將對先行洞產(chǎn)生極大的影響，影響最大的部位是先行洞的迎爆側(cè)邊墻，迎爆側(cè)邊墻峰值振速是遠(yuǎn)離爆破側(cè)峰值速度的十倍以上，也說明在施工過程中，迎爆側(cè)邊墻是爆破開挖控制的薄弱部位，應(yīng)重點(diǎn)對迎爆側(cè)水平方向速度進(jìn)行監(jiān)控，了解結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，為及時(shí)處理反饋信息。

（4）對凈距較小及振動(dòng)要求高的爆破施工，分區(qū)開挖、循環(huán)施工的方案是切實(shí)可行的，不僅可以減小爆破振動(dòng)，還可以顯著降低爆破炸藥單耗。

（5）合理的爆破設(shè)計(jì)如采用合理的間隔時(shí)間、適當(dāng)?shù)墓獗穸鹊榷囗?xiàng)減振措施，可有效阻隔爆破能量的傳遞，顯著降低爆破效應(yīng)危害的范圍及程度。

[1]JTJ026-90，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB6722-86，中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]楊年華，劉慧.近距離爆破引起的隧道周邊振動(dòng)場[J].工程爆破，2000，6(2).

[4]楊轉(zhuǎn)運(yùn)，王羽，劉會(huì).雙洞小凈距隧道施工控制要點(diǎn)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，Vol42(2)，2005.

[5]JTJ042-94，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]張志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程師手冊[M].北京:人民交通出版社，2002.