大跨隧道下穿既有高速公路的爆破減震技術(shù)研究

吳建文++王路

摘 要：以貴廣鐵路斗篷山隧道為依托工程，通過對爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果的回歸分析，確定合理爆破振動(dòng)速度。并結(jié)合該隧道爆破開挖施工，從爆破藥量、掏槽形式、爆破參數(shù)、起爆順序、地質(zhì)條件和傳播距離等方面提出隧道爆破施工振動(dòng)控制技術(shù)。研究結(jié)果表明，公路內(nèi)振速以垂直振速為主，隧道開挖采用預(yù)裂爆破，周邊眼采用密集鉆孔，少裝藥，先于掌子面的其他炮孔起爆，可顯著降低爆破振動(dòng)對周圍結(jié)構(gòu)物的不利影響。

關(guān)鍵詞：大跨隧道；下穿公路；爆破振動(dòng)監(jiān)測；減振

中圖分類號(hào)：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Blasting Shock Absorption Technology for Largespan

Tunnel Passing Through Existent Expressway

WU Jianwen WANG Lu

（1. Sichuan Engineering Technical College， Deyang 618000， Sichuan， China；

2. Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， Sichuan， China）

Abstract： Based on a tunnel project of GuiyangGuangzhou highspeed railway located in Doupeng Mountain， the speed of blasting shock was determined by means of the regression analysis of the monitoring results. Combined with the construction of blasting excavation， blasting shock absorption technology was proposed in aspects of explosive dosage， cuthole pattern， blasting parameters， blasting order， geologic conditions and propagation distance. The results show that the impact of blasting shock on peripheral structures could be remarkably diminished by using presplitting blasting and drilling intensive holes peripherally and loading less explosive and blasting ahead of other holes on the tunnel face.

Key words： largespan tunnel； passing through highway； blasting shock monitoring； shock absorption

0 引 言

爆破振動(dòng)對地表及其他建筑物會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，每年因爆破施工不當(dāng)引起路面大量沉降甚至坍塌的事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[1]。因此，隧道近距離下穿高速公路是淺埋暗挖施工中需要高度重視的問題。長期以來，國內(nèi)外專家對工程爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究工作，主要可歸納為以下幾個(gè)方面：爆破地震波特征及傳播規(guī)律研究；爆破振動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測研究；爆破振動(dòng)安全評估研究；結(jié)構(gòu)在爆破地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究；爆破振動(dòng)強(qiáng)度的影響因素及減振措施研究[26]。本文以貴廣鐵路斗篷山一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道工程為依托，通過進(jìn)行爆破進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測確定合理爆破振動(dòng)速度，從而修正和優(yōu)化爆破施工設(shè)計(jì)，并針對節(jié)理發(fā)育巖體的爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了一整套適宜于節(jié)理發(fā)育巖體的爆破減振輔助措施。

1 工程概況

斗篷山隧道為貴（陽）廣（州）高速鐵路線上的1座I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道里程為DK98+841～DK106+210，全長7 369 m，最大埋深為470 m，最大跨度為14 m。隧道位于貴州省黔南州都勻市西郊，地處苗嶺山脈的腹部區(qū)。全隧通過二條斷層破碎帶，主要不良地質(zhì)為巖溶、古崩塌堆積體、下穿兩條既有高速公路、軟質(zhì)巖大變形和巖爆等。洞身地質(zhì)主要以灰?guī)r、白云巖為主，節(jié)理較發(fā)育，地表溶蝕及洞內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地下水為巖溶管道水，含水量豐富。Ⅴ級(jí)圍巖長564 m，占全隧總長的7.7%；Ⅳ級(jí)圍巖長1 540 m，占全隧總長的20.8%；Ⅲ級(jí)圍巖長5 005 m，占全隧總長的67.9%；Ⅱ級(jí)圍巖長130 m，占全隧總長的1.8%。隧道縱斷面為人字坡，進(jìn)口段上坡坡度為3‰，坡長2 159 m，中間段下坡坡度為16.7‰，坡長4 500 m，出口段為坡度173‰的710 m下坡。斗篷山隧道進(jìn)口段在DK99+760、DK99+930，下穿廈蓉高速公路，與其交角分別為12°、15°，其路面距本隧拱頂約30 m。出口段在里程DK106+023下穿貴新高速公路，相交角度為60°，路面距本隧道拱頂20.13 m。

2 淺埋隧道下穿高速公路的爆破監(jiān)測

2.1 監(jiān)測儀器及測點(diǎn)布置

本工程將對振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測儀器采用TC3850振動(dòng)記錄儀儀器。監(jiān)測流程示意圖及儀器見圖1和圖2所示。本工程中對貴新高速公路（DK106+023）三處斷面上進(jìn)行監(jiān)測。高速公路測點(diǎn)布置在公路兩邊，具體布置如圖3和圖4所示。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果共17組，如表1所示。從表1可看出，最大振動(dòng)合速度為6.82 cm·s-1，小于爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)（10 cm·s-1）。滿足高速公路運(yùn)營要求，說明所采用的爆破方案和爆破參數(shù)是有效的。endprint

3 節(jié)理發(fā)育巖體爆破參數(shù)優(yōu)化研究

在現(xiàn)場爆破振動(dòng)測試的基礎(chǔ)上，確定爆破振動(dòng)的場地、圍巖影響系數(shù)、爆破振動(dòng)頻率及持續(xù)時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用爆炸力學(xué)及巖土動(dòng)力學(xué)的理論和方法對爆破設(shè)計(jì)參數(shù)（單段爆破用藥量、掏槽眼位置、掏槽形式、導(dǎo)爆管段差、孔眼布置等）進(jìn)行優(yōu)化研究[79]。

3.1 炸藥選型及裝藥量

理論和實(shí)踐證明，炸藥爆速對爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有直接影響，爆速越高，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)越大，相反爆速越低，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)越小。因此工程選用小直徑低爆速爆速低的乳化炸藥，其具體參數(shù)見表3。

3.2 掏槽形式

隧道爆破的掏槽眼是爆破成敗的關(guān)鍵，也是產(chǎn)生最大振動(dòng)速度的部位，因此本隧道開挖掏槽的形式為楔形掏槽（斜掏）。

3.3 炮眼布置

炮眼布置方式主要由炮眼直徑和炮眼深度兩部分構(gòu)成。一般來說，炮眼直徑越大，裝藥量也就越多，爆破效果也就越好，但相應(yīng)的鉆眼速率降低，而且也影響圍巖穩(wěn)定性。

周邊炮眼應(yīng)沿隧道開挖輪廓線布置，輔助炮眼交錯(cuò)均勻布置在周邊眼與掏槽眼之間，周邊炮眼與輔助炮眼的眼底應(yīng)在同一垂直面上，掏槽炮眼應(yīng)加深10～20 cm。在確定炮眼直徑時(shí)，可以根據(jù)圍巖特性、鉆爆效率等因素，選取合理孔徑。隧道的炮眼直徑一般在32～50 mm區(qū)間之內(nèi)。炮眼深度對于隧道開挖掘進(jìn)速度和炮眼利用率均有影響，加長炮眼深度可以減少隧道循環(huán)作業(yè)的次數(shù)，有效提高工作效率。本次隧道屬于近距離下穿既有高速公路，需要進(jìn)行控制爆破，故炮眼深度為80 mm。

3.4 光面爆破

隧道爆破應(yīng)采用光面爆破或預(yù)留光爆層爆破，光面爆破參數(shù)通過試驗(yàn)確定。光爆孔沿隧道壁均勻布置，隧道壁光面爆破參數(shù)如下：光爆孔間為40 cm，光爆層厚70～80 cm，底部加強(qiáng)裝藥，裝藥量為200 g，孔口填塞50 cm，中間裝藥量為50 g，裝藥間隔為50 cm，用導(dǎo)爆索起爆。光面爆破采用Φ32 mm藥卷、導(dǎo)爆索、竹片捆綁下孔的裝藥結(jié)構(gòu)。

3.5 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

爆破振動(dòng)與同段起爆的炸藥量密切相關(guān)，采用非電毫秒雷管微差起爆技術(shù)，不但能控制單段雷管的起爆藥量，又能有效地控制每段雷管間的起爆時(shí)間，使爆破振動(dòng)波不疊加。毫秒爆破原理是雷管嚴(yán)格按照一定的順序起爆炸藥包組，使爆破前后階段的時(shí)間間隔極其短促，以毫秒計(jì)算。爆破產(chǎn)生的巖石破壞作用力可以相互疊加，使巖石極易被炸碎，同時(shí)前后段爆破傳遞到圍巖內(nèi)部的沖擊波又可以相互干擾、相互抵消，使沖擊波對圍巖的振動(dòng)破壞作用大為減弱。這樣既能保證巖石破碎達(dá)到理想爆破效果，又能消除爆破振動(dòng)的有害效應(yīng)。隧道采用孔內(nèi)同段、孔外微差的起爆網(wǎng)絡(luò)，在掏槽眼、輔助眼、底眼及周邊眼中，起爆藥量較大段別雷管間隔時(shí)差不小于20 ms，起爆雷管采用國產(chǎn)系列非電毫秒雷管，這樣可以使爆破振動(dòng)速度降低30%。

4 施工監(jiān)控量測結(jié)果分析

通過對路面沉降、洞內(nèi)拱頂收斂變形和爆破振動(dòng)合速度的監(jiān)控量測，綜合分析隧道施工過程中的減振效果。洞外路面沉降觀測埋設(shè)6個(gè)斷面共計(jì)46個(gè)觀測點(diǎn)，通過監(jiān)測，位移累計(jì)值最大的點(diǎn)是DK106+068的C4點(diǎn)，為32 mm。最大變化速率為15 mm·d-1。隧道正上方的點(diǎn)監(jiān)控量測情況見圖9。

圖10為洞內(nèi)拱頂下沉變化，從監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)來看，按優(yōu)化后的爆破參數(shù)施工，洞內(nèi)拱頂下沉、凈空變化的累計(jì)值均控制在基準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且變化趨于穩(wěn)定。輔以Φ108 mm大管棚超前支護(hù)及注漿固結(jié)圍巖，使隧道下穿高速公路施工的安全性又大大提高。在施工中，通過對貴新高速公路爆破震動(dòng)的觀測，測得爆破振速值在682 cm·s-1以內(nèi)，如圖11，達(dá)到設(shè)計(jì)要求（根據(jù)《爆破安全規(guī)程GB6722—2003》中爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，距隧道周邊凈距30 m處爆破振動(dòng)速度不得大于10 cm·s-1），說明爆破設(shè)計(jì)符合高速公路運(yùn)營安全的需要。

5 結(jié) 語

本文以貴廣高速鐵路斗篷山隧道下穿既有高速公路施工為依托，基于爆破振動(dòng)監(jiān)測確定合理振動(dòng)速度，優(yōu)化了爆破施工設(shè)計(jì)，提出了相應(yīng)的減振輔助措施，取得了如下結(jié)論。

（1） 公路內(nèi)振速以垂直振速為主，水平振速較小，且垂直速度一般為水平振速的1～3倍，故可選擇垂直振速作為控制因素；最大振動(dòng)合速度為6.82 cm·s-1，小于爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，滿足高速公路運(yùn)營要求，說明所采用的爆破方案和爆破參數(shù)是有效的，現(xiàn)場監(jiān)測起到了應(yīng)有的控制作用。

（2） 應(yīng)嚴(yán)格控制一次爆破的最大起爆藥量及單段最大起爆藥量，宜盡量采用短進(jìn)尺、多循環(huán)，實(shí)行淺孔爆破，避免深孔爆破，以有效降低爆破地震波對周邊結(jié)構(gòu)物的不利影響。

（3） 隧道開挖采用預(yù)裂爆破，周邊炮眼采用密集鉆孔，少裝藥，先于掌子面其他炮眼起爆，并沿開挖輪廓線形成一道裂縫。在其他炮眼爆破時(shí)，作為減振縫，能有效阻斷爆破地震波的傳播，顯著降低爆破振動(dòng)對周圍結(jié)構(gòu)物的不利影響。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint