城市淺埋隧道下穿建筑物的微振動爆破技術研究

周 宜，王海亮，張祖遠，孫 松

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島 266590)

0 引言

伴隨著城市地鐵隧道的快速發(fā)展，隧道掘進爆破引起的振動危害越來越受到人們的重視，特別是隧道下穿地表或地下建筑物時，爆破振動的有害效應成了爆破施工過程中最重要的問題之一［1］。目前，國內外學者對爆破振動控制做了大量的研究工作。如薛里等［2］通過研究不同類型炮孔K，α的衰減規(guī)律，提出增加中心孔來優(yōu)化掏槽方案，成功地控制了爆破振動;吳亮等［3］對爆破參數(shù)的選擇和裝藥結構進行了深入的探討;唐果良等［4］通過對掏槽眼增加減振孔、周邊眼增加導向孔，不僅提高了炮眼利用率，而且還滿足了安全振速要求;楊昆鵬等［5］將毫秒導爆管雷管的孔內延期和孔外微差結合起來，采用分組串聯(lián)的聯(lián)線方式，使各個炮孔的引爆時間全部錯開，有效地降低了爆破振速。

目前，關于城市地鐵隧道爆破振動控制的研究比較單一，且大多集中在掏槽爆破方面，而對于從爆破施工的整體過程控制來實現(xiàn)微振動的研究較少。因此，在前人研究的基礎上，依據(jù)精細爆破的相關理論［6］，對炮眼深度、掏槽型式、裝藥結構和爆破網(wǎng)路等環(huán)節(jié)進行了嚴格的設計和控制，降低了爆破振動速度，保證了地表建筑物的結構安全。

1 工程概況

青島市地鐵一期工程(3號線)土建03標太延區(qū)間全長1 286.4 m，主要施工方法為臺階法。正線往太平角公園站方向下穿多棟建筑物，其中下穿的如家快捷酒店始建于1977年，大樓為地上4層，基礎均為毛條石基礎。該建筑物的基礎與隧道拱頂?shù)淖钚∝Q直距離為10.3 m。區(qū)間隧道下穿如家快捷酒店的左右線長度分別為18 m和45 m，該區(qū)間段圍巖級別綜合判定為Ⅲ～Ⅴ級，圍巖主要為花崗巖，地表振動速度要求控制在2.0 cm/s以內。如家快捷酒店與隧道的剖面關系如圖1所示。

圖1 如家快捷酒店與隧道的剖面關系Fig.1 Profile showing relationship between Home Inn and tunnel

2 爆破振動控制原理

從過去對爆破振動控制的研究［7］來看，爆破振動控制的技術方法大致分為3種。一是針對爆源采取的控制措施，二是針對保護對象采取的措施，三是針對爆破地震波在傳播過程中采取的措施。目前，在工程中應用最廣泛的是如何針對爆源來控制爆破振動。

衡量爆破振動強度的指標有峰值振動速度、質點位移、加速度、振動主頻和振動持續(xù)時間等，但在目前工程實踐中，大多數(shù)仍采用質點振動速度作為表征爆破安全的主要物理量。爆破引起的質點峰值振動速度的衰減規(guī)律一般用薩道夫斯基經(jīng)驗公式表示。

式中:v為保護對象所在地的質點振動速度，cm/s;Q為炸藥量，kg，齊發(fā)爆破時為總藥量，延時爆破時為最大一段的藥量;R為爆源與測點之間的最短距離，m;K，α為爆源與計劃保護對象之間的，與地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)。

從薩道夫斯基經(jīng)驗公式可以看出，在進行爆破施工時，地表質點的振動速度與單段最大起爆藥量成正比。因此，要想針對爆源來控制爆破振動，最直接有效的措施就是嚴格限制單段最大起爆藥量。除此之外，設計合理的掏槽型式、裝藥結構和孔網(wǎng)參數(shù)等，都是從爆源來控制爆破振動的主要措施。

3 微振爆破方案的設計

根據(jù)設計要求，本工程采用臺階法施工，臺階長度控制在5 m左右，上臺階循環(huán)進尺0.6 m，下臺階循環(huán)進尺1.0 m。上臺階開挖面積約16 m2，高度控制在3.2 m左右?？傮w遵循“短進尺，多打眼，少裝藥，內外延時”的原則。由于上臺階爆破時只有1個自由面，屬于爆破振動控制的關鍵部位，因此，本文只對上臺階進行論述。

3.1 炮眼深度

炮眼深度不僅決定著爆破循環(huán)進尺及掘進速度，而且還影響著爆破效果，是影響爆破地震效應的主要因素之一。若選取的炮眼深度過大，爆破時巖石的夾制作用大，炮孔利用率低，會導致爆破產(chǎn)生的能量向自由面釋放，形成爆破的內部作用，產(chǎn)生強烈的地震效應。本工程炮眼深度主要由下穿如家快捷酒店所允許的安全振速決定，炮眼深度取0.7 m，掏槽眼適當加深10% ～15%，取0.8 m。

3.2 掏槽型式的選定

選擇合理的掏槽型式及掏槽位置，是淺埋隧道開挖中控制爆破振動的關鍵措施［8］。因此，采用大直徑中空孔直眼掏槽，中空孔直徑150 mm，掏槽眼以中空孔為中心，環(huán)形分布。最內側掏槽眼距中空孔邊沿100 mm，掏槽眼間距向外逐步擴大，其他炮眼布置在中空孔周圍，如圖2所示。結合薩道夫斯基公式反算和現(xiàn)場試驗得到爆破時的最大一段藥量，掏槽眼單孔裝藥量取0.15 kg，單段最大藥量取0.15 kg。

圖2 掏槽眼布置示意圖(單位:mm)Fig.2 Layout of cut holes of upper bench(mm)

3.3 輔助眼

輔助眼采用直線形與弧形相結合的布置方式。輔助眼的間距a和排距b應不小于周邊眼的最小抵抗線W，而a，b的取值與炮眼的單孔裝藥量有關，要降低炮眼的單孔裝藥量，應相應縮小炮眼的間排距。本設計取a=400 mm，b=350 mm。外圈的輔助眼連線大致與隧道開挖輪廓線一致。

輔助眼的裝藥量與圍巖的堅硬程度、炸藥單耗、炮眼長度及輔助眼的炮眼數(shù)量及間排距等參數(shù)有關。輔助眼的單孔裝藥量計算公式為

式中:q為輔助眼的單孔裝藥量，kg;Ka為炸藥單耗，kg/m3;a為輔助眼的間距，m;W為炮眼爆破方向的抵抗線，m;L為炮眼深度，m;λ為炮眼所在部位系數(shù)［8］。

對于炮眼深度為0.7 m的輔助眼，炮眼的部位系數(shù) λ =1.0，則單孔裝藥量 q=1.95 ×0.4 ×0.3×0.7 ×1.0=0.16 kg，取 q=0.15 kg。

3.4 周邊眼

周邊眼的爆破效果直接影響著隧道斷面成型質量及圍巖的穩(wěn)定。按光面爆破要求，周邊眼沿隧道開挖輪廓線布置，開眼偏差值不大于30 mm，各炮眼相互平行，眼底保持在同一水平面上。為了機械鉆孔的方便，周邊眼不能與工作面完全垂直，須保持0.03～0.05的外插斜率。考慮到下穿如家快捷酒店區(qū)間隧道拱頂部位的圍巖較軟，周邊眼間距取350 mm。為了使應力波在相鄰炮孔間的傳播距離小于應力波至自由面的傳播距離，周邊眼密集系數(shù)Kb(Kb=E/W)取0.8較為適宜［10］。因此，光爆層厚度W應取400 mm。

周邊眼的單孔裝藥量主要由圍巖類型、炮眼間距、裝藥集中度等因素決定。光面爆破的參考值如表1所示。取光面爆破的裝藥集中度為0.20 kg/m，對于0.7 m長的光面爆破炮孔，單孔裝藥量為0.15 kg，單段最大藥量為 0.3 kg。

表1 光面爆破常用參數(shù)Table 1 Common parameters of smooth blasting

上臺階的炮眼布置如圖3所示，爆破參數(shù)如表2所示。

圖3 上臺階炮眼布置(單位:mm)Fig.3 Layout of blast holes of upper bench(mm)

表2 上臺階爆破參數(shù)Table 2 Blasting parameters of upper bench

4 裝藥結構及填塞

掏槽眼和輔助眼采用連續(xù)裝藥，雷管插入孔底藥卷。周邊眼采用空氣間隔裝藥，炸藥均勻分布在炮孔中，間隔藥卷利用同一段雷管起爆。本工程所使用的炸藥是標準藥徑(φ32 mm)的2號巖石乳化炸藥，因此，所有炮眼均采用不耦合裝藥，不耦合系數(shù)為1.31。

裝藥完成后，對各炮孔進行填塞，填塞材料采用炮泥組分(m土∶m砂∶m水=1∶3∶1)。炮孔填塞質量要求密實，不能有空隙和間斷。周邊眼和掏槽眼的裝藥結構及填塞如圖4和圖5所示。

圖4 周邊眼裝藥結構Fig.4 Charging structure of perimeter hole

圖5 掏槽眼和輔助眼裝藥結構Fig.5 Charging structure of cut hole and reliever

5 爆破網(wǎng)路設計

目前在城市爆破中，毫秒爆破得到了廣泛應用。毫秒爆破可以使起爆藥量從大藥量分解為小藥量的單孔單段或單孔多段，成功地限制了單段最大起爆藥量。采用毫秒爆破時，其爆破效果取決于后期起爆的裝藥能否充分地利用先期起爆裝藥形成的自由面。因此，在掏槽型式和孔網(wǎng)參數(shù)一定的情況下，起爆順序和炮孔之間的延期間隔時間成為需要控制的關鍵因素。本工程上臺階采用20段的普通毫秒延期雷管，對前5段進行了跳段使用，將炮孔之間的延期間隔時間控制在50 ms以上。根據(jù)研究表明，延期時間大于50 ms時，基本可以避免爆破地震波的疊加［11］。

由圖3可知，通過對雷管的布置，將上臺階分為了5個分斷面，為了選擇合理的起爆順序，利用孔外延期技術對上臺階的爆破網(wǎng)路進行優(yōu)化，如圖6所示。利用大段別的孔外延期雷管，對Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3個分斷面的簇聯(lián)網(wǎng)路進行有序的捆聯(lián)，進行一次起爆分部延時爆破;同理，Ⅳ，Ⅴ分斷面網(wǎng)路的聯(lián)接同上分斷面的聯(lián)接方式，單獨起爆。一次爆破的組數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調整，但必須遵循先期爆破分斷面的最大延期時間小于后期爆破分斷面的最小延期時間的基本原則。

圖6 爆破網(wǎng)路示意圖Fig.6 Blasting network

6 微振動效果與分析

為了研究采用本設計思路爆破時地表質點的振動效果，在掌子面正上方布置監(jiān)測儀器，監(jiān)測地表質點在垂直方向、水平軸向和水平切向的振動情況。圖7為本工程某一掘進循環(huán)振速最大的爆破振動波形圖。由圖7可知，本次掘進循環(huán)的爆破振速峰值出現(xiàn)在第2炮的Ⅳ分斷面，最大振速為1.76 cm/s。為進一步證明本設計的有效性，對連續(xù)20個循環(huán)進尺的爆破振動數(shù)據(jù)進行整理分析，選取每循環(huán)進尺的振動最大值v作為縱軸、每掘進循環(huán)的次數(shù)n為橫軸，繪制曲線，如圖8所示。

圖7 某一掘進循環(huán)典型爆破振動波形圖Fig.7 Typical blasting vibration wave in a driving cycle

圖8 掘進循環(huán)次數(shù)n和每循環(huán)振速最大值v的關系Fig.8 Relations between driving cycle number and maximum blasting vibration velocity

對于連續(xù)20次的爆破掘進施工，采用大直徑中空孔直眼掏槽、孔內外延期等技術手段，嚴格控制單段最大起爆藥量，得到20次掘進循環(huán)的平均最大振速為1.66 cm/s，振動速度最大值全部控制在2 cm/s以內，未發(fā)生超振現(xiàn)象，順利地通過了如家快捷酒店。

7 結論與討論

下穿如家快捷酒店的隧道爆破施工對爆破振動要求嚴格，通過微振動爆破設計、選用合理的掏槽型式和裝藥結構、優(yōu)化爆破網(wǎng)路等一系列減振綜合措施，并對掌子面正上方地表的爆破振動進行連續(xù)監(jiān)測，得出以下結論:

1)采用“大直徑中空孔直眼掏槽，周邊眼空氣間隔裝藥，孔內外延期技術”的微振動措施是可行的，使如家快捷酒店地表質點振動速度控制在2.0 cm/s以內，有效地控制了爆破振動效應。

2)在本工程中，毫秒爆破和孔外延期技術的有機結合使上臺階單個循環(huán)進尺的爆破次數(shù)從5次減少至2次，爆破時間也相應節(jié)省了1/3，既保證了掘進效率，又滿足了爆破安全振速的要求。

3)在爆破時，為防止分斷面Ⅰ爆破產(chǎn)生的飛石砸斷傳爆網(wǎng)路，應使分斷面Ⅱ，Ⅲ的導爆管收緊并密貼壁面，在條件允許的情況下，可以使用硬質紙盒或油布對分斷面Ⅱ，Ⅲ的導爆管進行覆蓋處理。

本文通過理論設計和現(xiàn)場試驗，達到了爆破微振動的目的，所采用的技術手段具有一定的新穎性和實用性，對現(xiàn)場施工具有一定的指導意義。但文中所用的掏槽型式和爆破網(wǎng)路僅僅是控制爆破振動的單一模式，因而存在一定的局限性，后續(xù)研究應當繼續(xù)不斷地嘗試和設計其他降振技術，進一步豐富城市淺埋隧道的爆破降振技術體系。

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