復雜環(huán)境下微震控制爆破技術在隧道開挖施工中的應用研究

劉繼國

（中鐵三局六公司，山西 晉中 030600）

1 前言

（1）在隧道穿過較長的人口房屋密集段、地表覆蓋層薄弱、圍巖較差的情況下，開挖一般采用靜態(tài)爆破法、微振爆破法或機械開挖法進行掘進。

（2）靜態(tài)爆破無聲、無爆破振動，但是成本投入巨大；機械開挖法同樣無振動干擾，但是工效比太低，很難滿足工期要求；微震控制爆破施工在微震控制爆破振動傳播速度滿足相應的規(guī)范許可值內，是不會對房屋造成結構損害的，而且對圍巖的干擾較小，不會產生大的施工地表沉降，威脅不到隧道頂部結構物安全，在3種開挖方法中有最高的功效比。

2 工程概況

鞏登高速公路3A合同段線路全長1.405 km，里程樁號K19+980～K21+385，主要工程北莊隧道按分離式雙向4車道設計，設計車速100 km/h。左線隧長1 255m，右線隧長1 300m，共計2 555m。隧道處于S形綜合曲線內，線路最大縱坡2.4%。

北莊隧道隧址所處位置地形復雜，地勢起伏大，地質主要為沖洪積碎石土，圍巖自穩(wěn)性差，且埋深較淺，隧道中心線位置頂部覆蓋層厚度為30～50m，易坍塌。隧道下穿村莊，穿過段長度為450m，該段隧道頂部地表建筑物集中，房屋多為磚石結構、土坯結構，抗震能力差。居住人口密度較大，分布范圍較廣。

3 微震控制爆破的應用

3.1 微震控制爆破的目的和方法

（1）微震控制爆破的振動速度要保證建筑物安全、穩(wěn)定。

（2）通過不同結構物的爆破振動安全允許標準和實際的爆破衰減系數(shù)計算允許最大裝藥量，以達到控制總體藥量，調整爆破參數(shù)。

（3）在保障安全的前提下，尋求科學合理、高效可行的微震爆破施工方法。

（4）通過監(jiān)控量測、地表沉降觀測、爆破振速觀測實時監(jiān)督和驗證爆破方案的可行性。

3.2 微震控制爆破方案

3.2.1 爆破振動的安全判斷依據(jù)對于爆破振動強度的估算，通過經驗公式來計算：

式中：V：質點振動速度；

K：與地質地形有關的參數(shù)，對一般巖石常為40～650；

α：衰減指數(shù)，對一般巖石為1～1.75；

ρ：等效藥量，或稱等效距離、比例距離。

式中：Q：炸藥用量，kg；

R：測點至爆破中心的距離，m。

由允許安全振動速度通過以下公式計算最大一段允許炸藥用量：

式中：Qm：最大一段允許用藥量，kg；

Vkp：振動速度控制標準，cm/s；

R：爆源中心至振速控制點距離，m；

K：與爆破技術，地質地形有關的系數(shù)；

α：爆破振動衰減指數(shù)。

K，α值，有條件的工點可以通過試驗爆破及振動觀測直接得出，或通過手冊資料工程類比確定。

由上式可知，質點的爆破振動強度與一次爆破的炸藥用量和至爆源的距離有關。由于爆炸的震動效應只存在于介質的彈性傳播區(qū)范圍內（該公式只適用于距爆源5～3 000m的范圍內）。

已有的觀測資料表明，在堅硬巖層中爆破振動頻率較高，軟弱圍巖中振動頻率較低。在一座泥巖、砂巖的隧道中，全斷面開挖爆破時實測距離距開挖面48～62m時，圍巖的爆破振動頻率為100～200Hz。同時，隨著隧道至爆源距離的增加，周期較短的高頻振動迅速衰減，而周期較長的低頻振動則可以傳播得比較遠。由于低頻振動作用持續(xù)時間長、振動幅度大，因而會對圍巖或建筑物造成較大的傷害，所以爆破對軟弱圍巖的危害較大；對地面建筑物的損害比隧道等地下結構要大。

隧道工程爆破，通常使用毫秒雷管，因而爆破振動的主振相是對應于各段爆破多次出現(xiàn)的。炸藥量Q值的選取應以出現(xiàn)最大振動速度時相對應的那段藥量進行計算是合理的。

3.2.2 計算允許的單段最大共同作用裝藥量確定

我國《爆破安全規(guī)程》中，對各類建筑物所允許的安全振動速度有相關規(guī)定。在實際應用時，每個工程都要結合工程的具體情況，作出相應的安全規(guī)定，如建筑物的質點峰值振動速度安全控制標準。

鞏登高速公路北莊隧道通過與以往相似穿過構造物的同類地質條件隧道相比較，并結合北莊村建筑物多為磚石結構，而且較為破碎，所以選定的安全振動速度為不大于1.0 cm/s，是較為合理的判定。其中，爆破系數(shù)K按照同類地質情況選擇為300；爆破振動衰減指數(shù)α選定為1.90。

Ri為爆源中心至振速控制點距離（m），分別選定不同距離。

V=1.0 cm/s；

K=300；

α=1.90。

由公式（2）Qm=R3（Vkp/K）3/a計算出的不同Ri時允許的最大段裝藥量，得出Q=0.000 122R^3 kg。

結合北莊隧道埋深及與左右線隧道平面位置關系，選擇空間半徑R=40m的最大裝藥量微震控制爆破，Q≤7.85 kg為標準設計微震控制爆破參數(shù)。

3.3 施工方法及技術措施

3.3.1 微震控制爆破方法及要求

根據(jù)北莊隧道穿過北莊村段左右線圍巖的自身特點，制定具有針對性的微震控制爆破開挖方法。

3.3.1.1 Ⅴ級圍巖作業(yè)流程

Ⅴ級圍巖采用環(huán)形開挖留核心土法，施工順序為：長管棚注漿預支護（超前注漿小導管）—上弧形導坑開挖—上弧形導坑初期支護—核心土開挖—下半斷面拉中槽開挖—邊墻初期支護封閉仰拱。環(huán)形開挖進尺長度控制在1.0～1.2m。

3.3.1.2 Ⅳ級圍巖作業(yè)流程

Ⅳ級圍巖采用上下斷面臺階法施工，施工順序為：上斷面開挖—上斷面初期支護—下斷面開挖—邊墻初期支護。上半斷面采用微震控制爆破，開挖進尺長度為1.0～1.2m。

3.3.2 微震控制爆破設計

為了實現(xiàn)安全、優(yōu)質、快速掘進，在施工前根據(jù)隧道地質條件、開挖斷面、開挖方法、掘進循環(huán)進尺、鉆眼機具、爆破材料和出渣能力等因素制定切合實際的鉆眼爆破措施，需做到巖變施工方法即變，在北莊隧道穿北莊村段施工中，初步設計單次微震控制爆破進尺長度為1.2m。

3.3.2.1 起爆方式及裝藥結構

爆破方式：硬巖宜采用微震控制爆破，軟巖宜采用預裂爆破，分部開挖可采用預留控制層微震控制爆破。局部開挖宜采用淺眼爆破，防止振動對支撐結構產生不良影響。采用半斷面或臺階法開挖，眼深為1.0～3.0m的淺眼爆破時，單位耗藥量可取0.4～0.8 kg/m3。

3.3.2.2 選擇合理的起爆段間時差（雷管）

軟弱圍巖中爆破振動頻率比較低，一般多在100 Hz以下；振動持續(xù)時間大多為100～200ms。為避免段間振動疊加，段間隔時間一般應大于100ms。而在硬巖隧道工地的觀測資料表明，這時爆破振動頻率較高，通常僅幾十赫茲，振動持續(xù)時間也較短，因而可以認為，堅硬完整巖層中隧道爆破可以選用段間隔時間不小于50ms即可。

對于常用的25ms遞增間隔的Ⅲ系列非電毫秒雷管，控制設計選擇跳段使用，即采用1段、3段、5段、7段、9段、10段、11段、13段、15段雷管，每段延時均不小于50ms，滿足設計要求。

3.3.2.3 掏槽形式的選定

一般情況下，掏槽爆破的震動強度比其他任何部位炮眼爆破時的都要大。因此，從減小掏槽爆破的震動強度出發(fā)，選用楔形掏槽，布置在隧道底部。本微震控制爆破方案中采用多重復式楔形掏槽，以最大限度使掏槽區(qū)炮眼最大共同裝藥量減少，降低振動強度，也有利于取得最佳的掏槽效果。

3.3.2.4 確定整個爆破設計

北莊隧道微震控制爆破設計本著短進、弱爆、控制用藥量、減少振動的原則，按照淺密原則布置。周邊炮眼應按預裂爆破設計，必要時應在兩裝藥孔間加打空眼以減振，周邊眼還采用小直徑藥卷不耦合裝藥或串狀間隔裝藥結構。

3.3.2.5 微震控制爆破作業(yè)

微震控制爆破參數(shù)根據(jù)計算依據(jù)以及結合軟硬巖的爆破炸藥用量共同編制后經試爆后，對于穿過北莊村段隧道采用炸藥采用二號巖石硝銨炸藥，鉆爆參數(shù)為掏槽眼14個，1段裝藥5.4 kg，3段裝藥7.2 kg；掏槽輔助眼8個，5段裝藥7.2 kg，壓炮眼9個，7段裝藥4.05 kg；輔助眼20個，7段裝藥1.8 kg，9段裝藥7.2 kg；周邊輔助眼25個，10段裝藥7.5kg；周邊眼49個，11段裝藥7.2 kg，13段裝藥7.5 kg；底板眼13個，15段裝藥5.85 kg。合計138個眼，總裝藥量為60.9 kg。

3.4 微震控制爆破實施過程中的監(jiān)控方案

北莊隧道穿過北莊村段因其具有房屋密集，居住人口眾多的獨特地理環(huán)境，微震控制爆破用藥量及爆破參數(shù)均采用公開透明原則，以便當?shù)卮迕窳私獠⒅?。而且現(xiàn)場還采用了地質超前預報、視頻監(jiān)控、監(jiān)控量測及地震波監(jiān)控等多方式、全方位的監(jiān)控手段進行監(jiān)督并指導修正鉆爆參數(shù)。

經中國地震局監(jiān)測振動速度最大值為1.366 cm/s，符合設計及規(guī)范要求。

4 結論

隧道處于復雜外部環(huán)境和較差的圍巖情況下，通過判定圍巖振動衰減系數(shù)和地表結構物的抗震級別，合理進行爆破參數(shù)的設置。同時，控制起爆的最大藥量及單孔最大裝藥量，可有效地降低爆破振動速度，從而滿足施工安全和施工進度要求。