大直徑中空孔直眼掏槽微振動(dòng)爆破參數(shù)研究

張祖遠(yuǎn)，王海亮

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東青島 266590)

0 引言

當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)，其爆破開(kāi)挖引起的振動(dòng)可能會(huì)對(duì)上方建筑物造成墻體開(kāi)裂等破壞后果。為最大限度降低爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響，需嚴(yán)格控制爆破振速。一般認(rèn)為掏槽爆破引起的爆破振速最大［1－2］，因此，如何降低掏槽區(qū)爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)，顯得尤為重要。當(dāng)前，中空孔直眼掏槽方式作為隧道微振動(dòng)爆破的一種，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用和研究。文獻(xiàn)［3－5］對(duì)中空孔掏槽爆破中的空孔作用機(jī)制進(jìn)行分析和研究;文獻(xiàn)［6］建立了典型空孔直眼掏槽的力學(xué)模型，從理論上得出了影響空孔直眼掏槽效率的影響因子;文獻(xiàn)［7－8］在青島膠州灣海底隧道分別通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了中空孔掏槽能夠創(chuàng)造第二自由面，具有良好的減振效果。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［9］通過(guò)城市隧道不同掏槽方式掘進(jìn)進(jìn)行對(duì)比，得出了大直徑單中空孔的掏槽方式在炮眼利用率及減振效果方面具有優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于中空孔直眼掏槽的研究多集中在中空孔作用機(jī)制和掏槽效果上，而對(duì)中空孔掏槽爆破參數(shù)的減振效應(yīng)研究較少。本文以青島地鐵3號(hào)線太延區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段隧道爆破開(kāi)挖為背景，對(duì)大直徑中空孔直眼掏槽爆破參數(shù)進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究，為中空孔掏槽微振爆破提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 工程概況

青島市地鐵一期工程(3號(hào)線)土建03標(biāo)太延區(qū)間全長(zhǎng)1 286.4 m，主要施工方法為臺(tái)階法。正線西端往太平角公園站方向下穿多棟建筑物，其中下穿的伊美爾整形醫(yī)院始建于2004年，大樓為地上6層、局部3層，建筑物為磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)均為毛條石基礎(chǔ)。該建筑物的基礎(chǔ)與隧道拱頂?shù)淖钚∝Q直距離為6.4 m。區(qū)間隧道下穿伊美爾整形醫(yī)院的左右線長(zhǎng)度均為36 m。該區(qū)間段圍巖級(jí)別綜合判定為Ⅳ至Ⅴ級(jí)，圍巖主要是花崗巖，地表振動(dòng)速度要求控制在1.0 cm/s以下。伊美爾整形醫(yī)院與隧道的剖面關(guān)系如圖1所示。

圖1 伊美爾整形醫(yī)院與隧道剖面關(guān)系圖Fig.1 Profile showing relationship between the tunnel and the plastic surgery hospital

2 上臺(tái)階整體鉆爆設(shè)計(jì)

本工程采用臺(tái)階法施工。上臺(tái)階共計(jì)炮眼113個(gè)，分3次爆破，采用中空孔直眼掏槽，循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。單段最大裝藥量為0.15 kg，開(kāi)挖面積為16.03 m2，比鉆眼數(shù)為 7.13個(gè)/m2，炸藥量為12.1 kg(其中掏槽眼、輔助眼和周邊眼單孔0.1 kg，底板眼單孔0.15 kg)，炸藥單耗為1.51 kg/m3。起爆順序:第1炮起爆Ⅰ－1，Ⅰ－2，Ⅰ－3，之間用20段雷管進(jìn)行孔外延期;第2炮起爆Ⅱ－1，Ⅱ－2，之間用20段雷管進(jìn)行孔外延期;第3炮起爆Ⅲ－1，Ⅲ－2，之間用20段雷管進(jìn)行孔外延期。上臺(tái)階炮眼布置如圖2所示。

3 中空孔掏槽爆破參數(shù)的確定

3.1 中空孔孔徑

在掏槽爆破中，空孔的作用一是作為裝藥眼爆破時(shí)的輔助自由面，二是作為破碎體的補(bǔ)償空間，也即空孔具有空孔效應(yīng)。因此，對(duì)于大直徑中空孔直眼掏槽而言，空孔的孔徑越大越好，但現(xiàn)場(chǎng)受制于鉆眼的設(shè)備及鉆眼水平，空孔孔徑為42～150 mm，大部分時(shí)候采用潛孔鉆機(jī)鉆取孔徑為120 mm或150 mm的空孔。

3.2 裝藥炮孔數(shù)目

為確定良好的掏槽效果，選擇合適的裝藥炮孔個(gè)數(shù)很重要。U.蘭格福斯認(rèn)為，掏槽爆破合理裝藥孔的數(shù)目為4～8。同時(shí)應(yīng)根據(jù)空孔的直徑、裝藥孔與空孔的距離、最小抵抗線和工程條件來(lái)確定工程實(shí)踐中的合理裝藥孔數(shù)目。本次下穿伊美爾整形醫(yī)院標(biāo)段隧道掏槽爆破基本確定為4個(gè)掏槽眼和4個(gè)擴(kuò)槽眼。實(shí)際掏槽形式如圖3所示。

圖2 上臺(tái)階具體炮眼布置(單位:mm)Fig.2 Layout of blasting holes in top heading(mm)

圖3 實(shí)際掏槽形式Fig.3 Actual cutting form

3.3 首響孔與中空孔的距離

影響首響孔與中空孔之間距離的因素是很多的，但主要有炸藥的爆炸能量、炮眼的體積和爆破作用指數(shù)。炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆炸能量應(yīng)盡可能滿足破碎掏槽眼與空孔之間巖體所需要能量的要求，否則將產(chǎn)生沖炮;炮孔的體積(空孔與裝藥孔體積)應(yīng)滿足裝藥孔與空孔之間被破壞的巖石因巖渣碎脹所增加的體積，否則將產(chǎn)生巖渣擠死現(xiàn)象;爆破作用指數(shù)應(yīng)滿足既使裝藥孔與空孔之間巖石能夠擠入空孔，而又不能出現(xiàn)再生巖?？梢?jiàn)，合理的炮眼間距應(yīng)同時(shí)滿足以上3個(gè)條件，并取其中的最大值為優(yōu)先使用值。

首響炮孔與空孔的距離可由膨脹余量確定，也就是考慮膨脹余量問(wèn)題。在這種情況下，首響裝藥孔與空孔中心的距離

式中:r為首響孔半徑，m;R為中空孔半徑，m;h為裝藥系數(shù)，即裝藥長(zhǎng)度與炮眼長(zhǎng)度之比;K為巖石膨脹系數(shù)，可參照表1選取［6］。

表1 巖石膨脹系數(shù)K的取值Table 1 Values of rock expansion coefficient K

根據(jù)式(1)，對(duì)小里程左線下穿伊美爾整形醫(yī)院段選取里程ZK4+811.8～+814.89為試驗(yàn)段，對(duì)首響孔與中空孔距離進(jìn)行確定。該段圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，在掌子面正上方進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，首響孔距測(cè)點(diǎn)距離約為9 m。

按式(1)計(jì)算，取 r=0.021 m，R=0.075 m，h=0.17，K=1.77，算得 a1=0.341 m，實(shí)際取 a1=0.35 m。

由a1=0.35 m設(shè)計(jì)大直徑中空孔直眼掏槽，應(yīng)用于里程ZK4+811.8～+813.35。同時(shí)，鑒于本工程下穿的建筑物為一所整形醫(yī)院，將爆破振速控制在1.0 cm/s以下是監(jiān)管單位要求的針對(duì)建筑物磚混結(jié)構(gòu)無(wú)害的指標(biāo)，而實(shí)際施工中，院方曾以實(shí)施手術(shù)過(guò)程要求施工時(shí)無(wú)強(qiáng)烈振感。因此，為進(jìn)一步減小爆破振動(dòng)對(duì)該院的擾動(dòng)，應(yīng)用于里程ZK4+813.35～+814.89理論上設(shè)計(jì)間距取a2=0.2 m。首響孔與中空孔的不同距離如圖4所示。首響孔與中空孔的不同距離引起的振動(dòng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖4 首響孔與中空孔的的不同距離Fig.4 Different distances between first-blasting hole and empty hole

表2 首響孔與中空孔的不同距離引起振動(dòng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)Table 2 Vibration measured under different distances between first-blasting hole and empty hole

對(duì)首響孔與中空孔距離為350 mm和200 mm分別進(jìn)行3次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可知，由膨脹余量考慮首響孔與中空孔距離a1=350 mm時(shí)，首響振動(dòng)值大于a2=200 mm時(shí)首響振動(dòng)值，但相對(duì)于監(jiān)管單位所要求的振速指標(biāo)1.0 cm/s，振動(dòng)控制符合要求。從爆破效果看，首響孔與中空孔的距離為350 m和200 mm都能取得良好的爆破效果，基本可滿足每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m的設(shè)計(jì)要求。從最大限度控制爆破地震效應(yīng)來(lái)考慮，在選取首響孔與中空孔距離時(shí)，應(yīng)在考慮膨脹余量算出的距離前提下，進(jìn)一步縮小首響孔與中空孔的距離。就本工程而言，首響孔距中空孔的距離取200～350 mm都是可行的。

3.4 掏槽逐孔起爆時(shí)差

采用大直徑中空孔直眼掏槽時(shí)，為充分利用空孔及先響炮孔提供的自由面，通常需要進(jìn)行逐孔起爆。掏槽是為后續(xù)炮眼提供自由面和巖石破碎補(bǔ)償空間，掏槽眼爆破后，碎塊在槽腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)需要一定時(shí)間，如果擴(kuò)槽眼與掏槽眼之間的起爆時(shí)差太短，腔體內(nèi)碎塊可能尚未拋出，且在不同時(shí)刻，剩余的碎塊量不同。因此可能導(dǎo)致振動(dòng)速度過(guò)大［11］。

為確定掏槽孔爆破時(shí)能使炮孔之間的巖石恰當(dāng)移開(kāi)的最小延期時(shí)間，在里程 ZK4+805.3～+810.8處，分別設(shè)計(jì)了最小為25 ms和40 ms 2種逐孔起爆方案。大直徑中空孔掏槽不同起爆時(shí)差如圖5所示。

最小起爆時(shí)差為25 ms時(shí)，選取里程ZK4+806.8處上臺(tái)階掏槽爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)波形為典型研究對(duì)象，掏槽最小起爆時(shí)差為25 ms時(shí)振動(dòng)波形如圖6所示。圖中紅、藍(lán)、綠3種波形分別為監(jiān)測(cè)到同一炮次的3個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)，即水平軸向x、水平切向y和垂向z。

圖6 掏槽最小起爆時(shí)差為25 ms時(shí)典型振動(dòng)波形Fig.6 Typical vibration waveform when minimum detonating delay time of cut is 25 ms

最小起爆時(shí)差為40 ms時(shí)，選取里程ZK4+808.3處上臺(tái)階掏槽爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)波形為典型研究對(duì)象。掏槽最小起爆時(shí)差為40 ms時(shí)產(chǎn)生的波形如圖7所示。圖中紅、藍(lán)、綠3種波形分別為監(jiān)測(cè)到同一炮次的3個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)，即水平軸向x、水平切向y和垂向 z。

圖7 掏槽最小起爆時(shí)差為40 ms時(shí)典型振動(dòng)波形Fig.7 Typical vibration waveform when minimum detonating delay time of cut is 40 ms

由圖6和7可知，掏槽爆破最小起爆時(shí)差為25 ms時(shí)，第1，2，3，4段雷管由于起爆間隔時(shí)間短，尚不能使槽腔內(nèi)的碎石恰當(dāng)移開(kāi)，起爆時(shí)易受夾制作用形成波峰。掏槽爆破最小起爆時(shí)差為40 ms時(shí)，除第1，3段雷管自由面不充分而產(chǎn)生波峰外，其余掏槽眼都因先響炮孔創(chuàng)造了良好的自由面，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的波峰。因此，對(duì)于炮眼深度為0.6～0.8 m的大直徑中空孔直眼掏槽，為降低掏槽爆破振動(dòng)速度，逐孔起爆的最小時(shí)差宜為40 ms以上。

3.5 中空孔的布設(shè)位置

中空孔在工作面(掌子面)上的布設(shè)位置，不僅直接關(guān)系到爆心與地表質(zhì)點(diǎn)和建筑物基礎(chǔ)的距離，而且對(duì)于每循環(huán)需單孔單段分多次起爆的斷面，如果中空孔的布設(shè)位置不合理，將使每循環(huán)爆破的時(shí)間延長(zhǎng)，從而影響整體施工效率。最初設(shè)計(jì)時(shí)，按照大多數(shù)設(shè)計(jì)的思路，將中空孔布設(shè)于上臺(tái)階斷面中心，在進(jìn)行分次起爆時(shí)，由于第1次起爆掏槽部位，爆落的渣石常在尚未裝藥起爆的左右兩側(cè)底板眼成堆，使得第2次起爆前需人工或者啟動(dòng)挖機(jī)進(jìn)行扒渣，部分底板眼還被碎石塊堵塞，需進(jìn)行吹孔，耗費(fèi)大量的時(shí)間。即使通過(guò)孔外延時(shí)使第1次多起爆2組炮眼，由于雷管段別限制，很難一次起爆下部的全部炮孔。因此，合理的中空孔布置，應(yīng)盡可能使第1次起爆斷面下部的全部炮眼。在布置中空孔時(shí)，盡可能布置在斷面中下部位，使得第1次即可起爆斷面下部全部炮眼，以節(jié)約第2次的裝藥時(shí)間。

4 中空孔直眼掏槽爆破的應(yīng)用

通過(guò)左線里程ZK4+805.3～+814.89段的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定中空孔爆破參數(shù)后，左線下穿伊美爾整形醫(yī)院的后續(xù)鉆爆開(kāi)挖工程都應(yīng)用此掏槽方式進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)表明，在里程ZK4+814.89～+839共45個(gè)循環(huán)開(kāi)挖中，除2次由于工人鉆眼質(zhì)量欠佳，振速超標(biāo)外，爆破振速基本控制在0.5～0.7 cm/s，證明了該掏槽方式及爆破參數(shù)的可行性。圖8為選取前20個(gè)掘進(jìn)循環(huán)(里程ZK4+814.89～+826.7)的每循環(huán)第1炮次爆破對(duì)應(yīng)的3個(gè)軸向振速峰值。

圖8 掘進(jìn)循環(huán)數(shù)與各軸向的振速峰值Fig.8 Driving cycles with axial vibration velocity peak

5 結(jié)論與建議

隧道爆破中，掏槽爆破的效果決定后續(xù)輔助眼及周邊眼的爆破質(zhì)量，同時(shí)，一般認(rèn)為掏槽爆破是斷面爆破的爆心，產(chǎn)生的振動(dòng)最大。因此，如何控制好掏槽爆破的振動(dòng)是實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)爆破技術(shù)的關(guān)鍵。本文就大直徑中空孔直眼掏槽的爆破參數(shù)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)分析，得出結(jié)論與建議如下。

1)中空孔孔徑越大越好，采用直徑為120～150 mm的大直徑中空孔，可滿足膨脹余量的要求。

2)本工程從膨脹余量的角度考慮，算出圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)時(shí)，首響孔與中空孔的距離取值a1=350 mm，該距離產(chǎn)生的首響振動(dòng)值較距離為 a2=200 mm時(shí)大，但仍可滿足監(jiān)管單位振速指標(biāo)為1.0 cm/s的要求。從減小掏槽振動(dòng)的角度考慮，在選取首響孔與中空孔距離時(shí)，應(yīng)在考慮膨脹余量算出的距離的前提下，進(jìn)一步縮小首響孔與中空孔的距離?？傊?，就本工程而言，首響孔與中空孔的距離取200～350 mm是可行的。

3)對(duì)于炮眼深度為0.6～0.7 m的大直徑中空孔直眼掏槽，為降低掏槽爆破振動(dòng)速度，建議逐孔起爆的最小時(shí)差為40 ms。

4)本文對(duì)于大直徑中空孔直眼掏槽微振動(dòng)爆破參數(shù)的研究，僅依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果而得出結(jié)論，存在一定的局限性，且隨著炮眼深度的增加，首響孔與中空孔的距離和掏槽最小起爆時(shí)差等參數(shù)也將再次進(jìn)行調(diào)整。后續(xù)研究可通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)中空孔直眼掏槽各參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，并量化不同炮眼深度下的微振動(dòng)爆破參數(shù)，以期更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

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