隧道控制爆破深大減振孔減振效果對比

李克先，趙繼增，雷 剛

(1.青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266000;2.北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司，北京 100000)

0 引言

在硬質(zhì)巖層中，鉆爆法由于開挖成本較低，對地質(zhì)條件適應(yīng)性強等特點在隧道施工中得以廣泛應(yīng)用。隨著科技不斷進步，國內(nèi)外隧道爆破技術(shù)逐漸向自動化、數(shù)字化、機械化和專業(yè)化方向發(fā)展［1］。以地鐵施工為例，由于線路多位于既有道路下方，在爆破施工過程中不可避免地產(chǎn)生爆破振動效應(yīng)，對周邊建(構(gòu))筑物造成安全隱患。

為保證建(構(gòu))筑物的安全，必須將爆破振動控制在允許范圍之內(nèi)。對此，國內(nèi)外進行了大量的研究。爆破振動衰減規(guī)律主要通過介質(zhì)質(zhì)點振動速度幅值與裝藥量和爆心距的變化來反映，通常振動速度幅值隨炸藥量增加而增加，隨爆心距離增加而減少［2－4］，工程中經(jīng)常用薩道夫斯基公式來描述其規(guī)律［5－6］。目前對于隧道爆破中控制爆破振動的方法主要有干擾降振法、控制最大段藥量法、預(yù)裂隔振帶降振法、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)或低爆速炸藥降振法以及增加臨空面降振法等［7－9］。日本學(xué)者研究表明，采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可有效降低爆破產(chǎn)生的振動，如在日本新狩勝隧道爆破振動測試結(jié)果顯示，低振速炸藥產(chǎn)生的振動能量比2號 Dynamite炸 藥 降 低 20% ～60%［10］。印度 的P.K.Singh等對比了有自由面的炮孔爆破和離自由面較遠的夾制爆破的峰值速度，研究表明，改善臨空面條件能有效控制振動速度［11］。國內(nèi)學(xué)者丁松波等［12］以長沙地鐵汽車北站為例，在強風(fēng)化板巖和中風(fēng)化板巖中對現(xiàn)場有無減振孔爆破進行振動測試并對采集數(shù)據(jù)進行擬合分析，得到該工程減振孔的減振規(guī)律。郭濤等［13］、方向等［14］以實際工程為例，通過減振溝開挖前后2個階段爆破振動速度對比，得到減振溝的減振規(guī)律。由于地振波在經(jīng)過減振孔或減振溝時發(fā)生反射、繞射等，對減振效果沒有明確定量的認(rèn)識。

目前研究的熱點主要是根據(jù)爆破安全相關(guān)規(guī)程對爆破允許振速的規(guī)定，采取一定減振措施以降低爆破對周邊的影響，但對于一些加油站、燃氣管線等高危險建(構(gòu))筑物，未有相關(guān)規(guī)范對爆破安全進行詳細說明。如何保證這些具有高爆炸隱患工程的安全成為一個較困難的課題。本文以青島地鐵3號線某淺埋暗挖車站為例進行爆破振動實測，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行總結(jié)，研究高爆炸隱患工程周邊減振孔的減振規(guī)律及效果。本文采用的深大減振孔減振效果優(yōu)于類似減振孔工程，減振效果雖不及減振溝，但由于其施工工藝簡單，對隧道周邊高爆炸隱患工程的保護效果較好。

1 工程概況

該車站為雙層單拱大跨大斷面礦山法車站，開挖跨度達22.8 m，埋深11～13 m，位于夏莊路正下方，通過李村斷裂帶，洞身穿越地層以中風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化碎裂巖、微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化細粒花崗巖等為主。地下水主要為基巖風(fēng)化裂隙水，水量貧，富水性差。車站地質(zhì)斷面圖見圖1。

圖1 車站地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geological profile of the Metro station

車站主體結(jié)構(gòu)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(先拱墻后仰拱)施工，施工期間按“短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測”的方針進行施作，超前支護措施采用在臨時橫通道內(nèi)向主體方向打設(shè)超前大管棚及超前注漿小導(dǎo)管注漿加固圍巖;及時施作初期支護，充分發(fā)揮圍巖自身承載力，初期支護采用350 mm厚噴射混凝土+格柵鋼架間距0.5 m。

車站主體及B出入口臨近中國石油加油站，經(jīng)調(diào)查，該加油站建于1998年，為埋地油罐，3個汽油罐，2個柴油罐，共計5個儲油罐，各30 m3，共存油可達150 m3，油庫埋深4.3 m。該加油站主要服務(wù)于公交停車場600多輛公交車的加油工作。車站B出入口開挖邊線距加油站辦公用房約2.2 m，距加油機約15 m，風(fēng)險等級為Ⅱ級。B出入口開挖邊線距加油站更近。車站與加油站位置關(guān)系見圖2和圖3。

綜合以上情況，經(jīng)專家對臨近加油站專項設(shè)計進行評審，形成評審意見:1)為保證加油機正常運行及油庫安全，建議油庫區(qū)爆破振動速度控制在0.5 cm/s之內(nèi);2)加油站區(qū)域最大沉降值控制在10 mm之內(nèi)。

掏槽眼和輔助眼采用不耦合連續(xù)裝藥，周邊眼采用不耦合間隔裝藥，不耦合系數(shù)不小于2.0。炮孔的填塞長度為30 cm。先起爆掏槽眼，增加臨空面，而后按順序起爆輔助眼和周邊眼。采用激發(fā)針起爆方式，掏槽鉆2個120 mm大中空孔，中空孔周邊42 mm掏槽孔呈環(huán)形布置，兩中空孔之間布置1個42 mm孔。對于車站主體，加油站距車站最近處水平距離取26 m，爆破深度距離地面最小距離11 m，根據(jù)薩道夫斯基公式［5］得到最大分段裝藥量為1.03 kg。對于靠近加油站的B出入口，采用打φ120中空孔，創(chuàng)造臨空面，周邊布置φ42孔。掏槽采用直眼掏槽，最大分段裝藥量為0.637 kg。

圖2 車站與加油站位置關(guān)系平面圖(單位:mm)Fig.2 Plan showing relationship between the Metro station and the gas station(mm)

圖3 車站與加油站位置關(guān)系剖面圖(單位:mm)Fig.3 Profile showing relationship between the Metro station and the gas station(mm)

2 地面減振孔設(shè)計及施工

2.1 設(shè)計目的

在爆破施工前，在破碎區(qū)和保護區(qū)之間打一定直徑和深度的炮孔，以阻隔和干擾爆破產(chǎn)生的地振波向受保護的加油站的傳播，加快地振波的衰減，降低其對加油站的振動效應(yīng)，加強對加油站的保護。

2.2 設(shè)計方案

地面減振孔打設(shè)范圍為B出入口暗挖段以東，靠近加油站一層辦公樓區(qū)域，減振孔布置見圖4。減振孔共286個，鉆孔直徑110 mm，鉆孔深度30.8 m，鉆孔孔心間距0.3 m，排距0.3m，梅花形布置。鉆孔內(nèi)插外徑90 mm的PE聚乙烯管，此管為兩端封閉的中空管，管長30 m，插管后管頂上方0.8 m的鉆孔需封堵密實。待車站主體及B出入口施工完畢后，抽出PE聚乙烯管，同時在鉆孔內(nèi)注入水泥砂漿，將孔回填密實，恢復(fù)原地面。

由于減振孔鉆孔深度較深，需設(shè)置導(dǎo)向墻導(dǎo)向管保證鉆孔施工精度，導(dǎo)向墻采用C20素混凝土，截面尺寸為0.8 m×0.8 m。導(dǎo)向墻內(nèi)預(yù)埋內(nèi)徑為φ140 mm的導(dǎo)向管。導(dǎo)向墻大樣見圖4。

圖4 導(dǎo)向墻平面示意圖(單位:mm)Fig.4 Plan of guide wall(mm)

2.3 施工注意事項

1)開工前應(yīng)對坐標(biāo)進行復(fù)核測量，準(zhǔn)確放線，校核結(jié)構(gòu)與樓房的關(guān)系是否與提供的地形吻合。

2)開挖前詳細探明是否存在尚未明確的管線，對影響施工的管線及時和有關(guān)部門溝通協(xié)商，采取措施，保證管線安全和施工進度。

3)為保證精度，應(yīng)注意運用測斜儀，進行鉆孔偏斜度測量，嚴(yán)格控制打設(shè)精度。

4)作好鉆機和鉆具的選型工作，鉆機首先應(yīng)適合鉆孔深度和孔徑的要求，鉆機要求平穩(wěn)靈活。

5)減振孔為減小加油站振動的輔助措施，施工單位施工時，除減振孔之外的其他減振措施不得削減;根本上，還需在爆破時優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)計、精心施工，避免振動速度較大或速度離散較大，并加強監(jiān)測等。

6)B出入口暗挖段結(jié)構(gòu)目前考慮僅在拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管(L=3.5 m，t=3.5 mm，傾角7°～15°，環(huán)距0.4 m，縱距1.5 m)。出入口施工時，需嚴(yán)格控制小導(dǎo)管的打設(shè)精度，防止與減振孔發(fā)生碰撞而對其造成破壞。

3 爆破振動監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測目的

通過對受減振孔保護區(qū)和非保護區(qū)的監(jiān)測點進行同時監(jiān)測，對比分析2組監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異量，從而獲得減振孔措施對爆破振速的消減量，驗證減振孔措施對降低爆破施工對周邊環(huán)境影響的有效性和可行性。

3.2 監(jiān)測實施

3.2.1 監(jiān)測儀器

采用中科測控TC－4850型振動監(jiān)測儀進行監(jiān)測。每臺測振儀有3個通道，可同時記錄3個測點的單向爆破振動或1個測點的三分量振動，其記錄精度為 0.01 cm/s，讀數(shù)精度為 1‰［15］。

3.2.2 監(jiān)測點布設(shè)

1)監(jiān)測點分別對稱布設(shè)在加油站位置(監(jiān)測點1處，導(dǎo)向墻內(nèi)側(cè))和相對位置(監(jiān)測點2處，與監(jiān)測點1相對稱處)。監(jiān)測點布設(shè)如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點布設(shè)圖Fig.5 Layout of monitoring points

2)為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)具有可比性，監(jiān)測過程根據(jù)爆心的里程與相對于軸線的位置，采用丈量法保證2監(jiān)測點與爆心的的距離相等，即L1=L2。

3)隨著掌子面開挖推進，兩側(cè)監(jiān)測點也相應(yīng)推進，保證L1在爆心與地下油庫的最短連線上。

3.2.3 監(jiān)測注意事項

1)傳感器的測量方向必須準(zhǔn)確，安裝時應(yīng)使用水平尺及羅盤，確保三維測量方向準(zhǔn)確。

2)傳感器必須與被監(jiān)測物可靠粘結(jié)，粘結(jié)劑可選擇石膏粉、AB膠，也可以選擇以夾具或磁座方式，與被測物形成剛性聯(lián)接。

3)傳感器與儀器的連接必須可靠，連接完成后，可輕拽線纜，確認(rèn)線纜已接好;儀器進入信號等待狀態(tài)后，輕輕用手指敲擊傳感器，觀察儀器是否記錄，以確保傳感器及儀器的正常工作。

4 實測結(jié)果分析

4.1 實測數(shù)據(jù)對比

自2014年4月2日起，先后對15次爆破進行了振動監(jiān)測，采用爆破方式相同、用藥量相同，共獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)15組。將15組監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取振動的峰值速度來評估同等距離下打設(shè)減振孔對爆破產(chǎn)生的影響，進而評估減振效果。爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。加油站爆破振速對比見圖6。振速衰減比例見圖7。

表1 爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)表Table 1 Blasting vibration velocity monitoring data

由表1、圖6和圖7可知:

1)采取減振孔措施處，爆破振速均控制在0.5 cm/s，符合設(shè)計要求;未采取減振孔措施處，爆破振速大部分超過設(shè)計控制值(0.5 cm/s)。

2)通過打設(shè)減振孔能使爆破振動速度明顯衰減，衰減比例平均約為35.4%，有效降低了振動強度，減少了爆破對周邊環(huán)境的影響。

圖6 加油站爆破振速對比Fig.6 Blasting vibration velocity measured at gas station

圖7 振速衰減比例Fig.7 Vibration velocity attenuation ratio

4.2 與其他工程對比分析

對比類似爆破情況下減振孔的應(yīng)用效果，文獻［12］針對強風(fēng)化板巖和中風(fēng)化板巖，采用不規(guī)則的深孔臺階爆破，孔徑90 mm，孔深不同條件為5～6 m，孔距2.0～3.0 m，通過現(xiàn)場測試及分析擬合得到最大減振率為22.4%。與減振孔相比較，文獻［13］采用減振溝，即在爆破區(qū)和受保護區(qū)之間形成一條一定寬度和長度的溝，對地振波造成一定程度的干擾和阻隔，加快地振波衰減，降低其破壞作用。當(dāng)與爆心距較小時，減振溝的減振率幾乎達到50%，減振效果明顯。但從減振孔與減振溝的形成條件來看，減振孔的優(yōu)勢是由鉆孔成孔，減振孔的施鉆對近距離構(gòu)筑物的影響可以忽略，孔距越小減振效果越好，而且可以根據(jù)需要精確設(shè)計，工藝相對簡單;而由單排孔預(yù)裂形成的減振溝，其預(yù)裂爆破對近距離的構(gòu)筑物會造成一定程度的損傷，不適合在加油站等高爆破隱患工程周邊應(yīng)用。因此，本地鐵工程根據(jù)地質(zhì)條件和周邊實際，采用的深孔減振孔達到了保護高爆破隱患工程的目的。爆破振動減振效果對比見圖8。

圖8 爆破振動減振效果對比Fig.8 Comparison of blasting vibration damping effect

5 結(jié)論與建議

結(jié)合青島某淺埋暗挖車站中巖石爆破對周邊加油站的影響，進行了地面減振試驗，并布設(shè)爆破振動監(jiān)測點，對減振孔布設(shè)前后爆破振動值進行對比，研究得到以下結(jié)論:在爆破區(qū)和受保護區(qū)打一定數(shù)量的深大減振孔，減振效果較好，能有效控制爆破振速，爆破振速平均衰減比例約35.4%;減振效果優(yōu)于長沙地鐵采用的無振減振孔;效果雖不及減振溝，但深大減振孔施工工藝簡單，在城市爆破開挖施工中，對高風(fēng)險建(構(gòu))筑物的保護有良好效果，具有實用和推廣價值。

目前對于高爆炸隱患工程還沒有爆破振速控制標(biāo)準(zhǔn)及要求，減振孔需達到的效果也沒有定性要求，可在將來的研究中進一步考慮。

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