微地震精細爆破技術在2擴4隧道開挖施工中的應用

戴俊搴

(福建省交通建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督局 福建福州 350001)

引 言

本文依托沈海高速公路福建境泉州至廈門段大帽山隧道2擴4施工開展微地震精細爆破技術應用研究。該隧道擴建前左右洞均為兩車道隧道，擴建方案為:在原兩洞之間新建一座四車道隧道后開放交通，再將右洞擴建為四車道隧道。擴建隧道各級圍巖均采用單側壁導坑法開挖，單層初期支護。Ⅴ級圍巖采用φ108mm注漿大管棚超前支護，一般Ⅴ級圍巖采用φ50mm注漿小導管支護，Ⅳ級圍巖以下采用超前錨桿支護。Ⅴ級圍巖以機械開挖為主，局部實施低振動的松動爆破，Ⅳ級圍巖以下根據(jù)圍巖情況原則上采用光面控制爆破。為加快施工進度，確保人員、設備、周圍建(構)筑物安全和施工工期，復雜環(huán)境下爆破施工方案應優(yōu)先考慮采用微地震精細爆破技術。

精細爆破的核心是定量化和精細化。主要包含如下幾個部分:(1)精確數(shù)值化的爆破技術研究;(2)定量化的工程爆破設計;(3)高精度高可靠性的爆破器材選型;(4)精細化的爆破施工技術;(5)精細化的施工管理方法;(6)定量化的爆破效果評價等內(nèi)容。

1 設計原則

為了保證隧道爆破后輪廓線的平整度，減少爆破振動[1]對周圍建筑物的影響，采用“短進尺、弱爆破”的微差減震光面控制爆破技術方案。具體方案及設計原則如下:

1)以地面建筑物基礎底部(或地面)至爆源中心距離R為安全控制半徑，借助于經(jīng)驗公式:

式中:Qmax為一次起爆最大允許裝藥量，kg;R為爆區(qū)邊緣至保護建筑物的距離，m;V為被保護建筑物質(zhì)點振動波速度限值，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB4766－6003)取值。

以質(zhì)點振動波速度限值作為控制標準，進行反算各部分所允許的單段用藥量。并進行試爆試驗，取得合理的爆破參數(shù)。

2)根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)及施工條件，控制爆破規(guī)模和控制循環(huán)進尺，以達到控制質(zhì)點振動速度的目的。

3)合理選取鉆爆參數(shù)和單位炸藥消耗量，力求達到理想爆破效果;對Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用不同的單位炸藥消耗量。

4)必須采用光面爆破技術，嚴格控制圍巖的超挖量;軟巖地段光爆炮眼半孔殘留率控制66%，硬巖90%以上。

5)地面均需配合爆破振動監(jiān)測[2]，及時調(diào)整鉆爆參數(shù)，滿足環(huán)境及施工要求。

6)除了采用光面爆破施工的減振措施外，必要時可采用減震措施。如周邊密排空眼減震，開挖面增打減振孔、預留光爆層光面爆破等綜合減振措施。

2 鉆爆參數(shù)初步設計

爆破參數(shù)的確定采用理論計算法、工程類比法與現(xiàn)場試爆相結合，在保證爆破振動速度符合安全規(guī)定的前提下，提高隧道開挖成型質(zhì)量和施工進度。

2.1 開挖爆破

1)掏槽形式及參數(shù)

掏槽眼用來先掏出開挖面上的一部分巖石，增加臨空面，改善其它炮眼爆破條件[3]。掏槽選用直眼和斜眼掏槽。選用直眼掏槽時，風動鑿巖機鉆孔時可采用五梅花型中空孔掏槽，鉆孔臺車鉆孔時可采用大中空孔掏槽。選用斜眼掏槽時，可采用雙層復式楔形掏槽。從減震角度應采用斜眼掏槽——雙層復式楔形掏槽。雙層復式楔形掏槽設計有4對對稱的斜眼，成對的在炮眼底集中炸出一個楔形空間.楔形掏槽眼孔口距為分別80cm、60cm，底口距分別為60cm、60cm，孔深為1.0m、1.7m。炮眼數(shù)量為14個。

圖1 雙層復式楔形掏槽

2)周邊孔與底孔

光面爆破效果力爭達到周邊眼炮痕保留率達到90%以上，前后兩個循環(huán)周邊開挖輪廓錯臺小于10cm。采用經(jīng)驗公式和工程類比法確定。

普通段周邊眼間距 a:a=0.6m，周邊眼抵抗線:W=0.40m，孔底落在輪廓線外10cm。

減震段周邊眼間距E:

式中:d為炮眼直徑。本設計為隔孔裝藥，炮眼間距660mm，炮眼直徑46mm，能滿足E值要求。

周邊眼抵抗線W:

底眼:開口在底板輪廓線上，炮眼間距為0.66～0.4m，底眼抵抗線W=0.4m，孔底落在輪廓線外10cm處。

3)崩落孔

崩落孔用以擴大掏槽的體積，為周邊眼爆破創(chuàng)造有利條件。崩落眼應交錯均勻地布置在周邊眼與掏槽眼之間，垂直于開挖面打眼，力求爆下的石渣塊體大小適合裝渣要求。當炮眼直徑在36～46mm的范圍內(nèi)時，抵抗線W與炮眼深度L有如下關系式:

在堅硬難爆的巖體中，或炮眼較深時，應取較小的系數(shù)，反之則取較大的系數(shù)。

爆破炮孔間距:0.86 ～0.9m，抵抗線0.7 ～0.9m。

4)裝藥量計算

爆破一次總裝藥量估算:

式中:Q為爆破一次總裝藥量，kg;K為爆破每m3巖石所需炸藥量，kg/m3;L為炮眼深度，m;s為隧道上臺階斷面積，m3;η 為炮眼利用率，η =0.8～0.96;

各級圍巖爆破參數(shù)詳見(表1)和(圖2，圖3).

表1 隧道2擴4爆破參數(shù)表

圖2 KZ5－1、KZ5炮孔布置圖

圖3 KZ4、KZ3、KZ2 炮孔布置圖

2.2 既有隧道拆除鉆爆設計

1)隧道環(huán)向溝槽開挖爆破參數(shù)

(1)炮孔深度L

式中，L為炮孔深度，m;B為隧道襯砌厚度，m，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖中分別為 B=40，50，65cm，則炮孔深度分別取 L=40，50，65cm。

(2)炮孔間距a和排距b

(3)單孔裝藥量Q

式中，V為破碎巖石體積，m3，其余符號意義同前。

(4)堵塞長度

不裝藥部分全部堵塞。

2)各分段內(nèi)爆破參數(shù)

通過試爆拆除襯砌，有了工作面后，鉆爆參數(shù)作過調(diào)整 ，沿縱向鉆眼。這部分的鉆爆參數(shù)如下:

(1)炮孔深度L

為方便鉆孔作業(yè)，拱部采用傾斜炮孔，炮孔傾角α=45°～60°(實際傾角可以以鉆孔方便為原則確定，但必須保證相鄰炮孔平行。且因為炮孔是傾斜的，布孔時一定要注意根據(jù)藥包最小抵抗線的位置來確定孔間距。)。

其他部位炮孔均采用垂直炮孔，梅花形布孔，孔深為

(2)炮孔間距a和排距b(實際炮孔間距a和排距b可根據(jù)試炮結果和圍巖狀況調(diào)整)

(3)單孔裝藥量Q

(4)堵塞長度

不裝藥部分全部堵塞。

爆破參數(shù)計算結果詳見(表2，表3)。

表2 環(huán)形溝槽爆破參數(shù)匯總表(取q=1.6kg/m3，拱頂α=45°)

表3 各段內(nèi)爆破參數(shù)匯總表(取q=1.4kg/m3，拱頂α=45°)

3 減震措施

本隧道采用微震光面爆破，可有效減輕震動影響，減小對圍巖的擾動，亦是保證本隧道施工安全的重要措施，其施作要點如下:

1)配合爆破震動地震波測試，根據(jù)不同圍巖等級調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)，確保山頂及洞口鄰近房屋的安全。

2)合理安排段間隔時差:為避免爆破震動波形疊加，降低爆破震動強度，毫秒雷管跳段使用，段間隔時差控制在60ms左右。

3)根據(jù)以往施工經(jīng)驗，爆破產(chǎn)生大振速部位通常為:掏槽爆破、底板或底角爆破、周邊光面(預裂)爆破。復雜環(huán)境下隧道爆破開挖過程中 ，采用合理的掏槽方式 ，并進行掏槽眼的參數(shù)優(yōu)化以控制爆破地震危害是很有必要的。

4)若爆破震動接近規(guī)范允許值，分析原因，查明事實，調(diào)整鉆爆方案。同時，亦可考慮采取如下特別減震措施:

(1)設置干擾減振孔，周邊施打減振孔可以減振 30% ～60%。

(2)調(diào)整爆破工程傳爆方向:調(diào)整爆破工程傳爆方向，以改變與被保護物的方位關系。實踐證明，拋擲爆破時，最小抵抗線方向的振動最小，反向最大，兩側居中;而采用成排的群藥包爆破時，在藥包中心的邊線方向比在垂直于連線方向的振速降低66% ～46%左右。即優(yōu)化掏槽位置、裝藥結構和起爆順序。

(3)調(diào)整優(yōu)化微差間隔時間，提高爆破地震波的振動頻率。

4 鉆爆參數(shù)優(yōu)化

4.1 爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測

由于監(jiān)測的數(shù)據(jù)十分多，這里取中間既有四車道隧道在Ⅴ級圍巖擴挖爆破時典型的波形圖，如(圖4)所示。一般情況下測點的最大質(zhì)點振動速度發(fā)生單段最大藥量爆破的時候，所以要控制爆破振動，單段最大藥量是關鍵，也就是要使爆破質(zhì)點振動速度[4]不超過某一個值，就一定要把單段最大藥量控制在一個范圍內(nèi)，這樣就可以控制爆破能量不超過一定限值，達到對既有隧道影響降到最低程度的目的。

圖4 監(jiān)測質(zhì)點振動速度時程

4.2 精細爆破的數(shù)值分析

為了更好地對既有隧道進行穩(wěn)定性控制，確保隧道的順利施工和既有運營隧道的安全運行，采用ANSYS/LS－DYNA顯式有限元程序建立三維數(shù)值模型模擬隧道爆破開挖中對臨近隧道的影響情況。模擬過程中，選取埋設監(jiān)測儀器的斷面為研究對象，根據(jù)實際情況取隧道的埋深、圍巖的力學參數(shù)和初始地應力參數(shù)，建立三維模型。以形象地得到既有隧道的峰值振速，并且可以繪出與該爆破點相對應的隧道斷面振動速度隨時間變化規(guī)律。

在同一次爆破振動中，同時監(jiān)測掌子面前方和后方拱肩部位沿隧道傳播的振動速度，并采用上述模型進行模擬，得到既有隧道左線迎爆側拱肩振動速度計算值與實測值對比圖(見圖5)。

由(圖5)可知，既有隧道斷面處振速隨時間推移越來越小，最大振速為16.99cm/s，與實測值相差不大，并小于臨近振動速度。由(圖5)還可以看出，數(shù)值計算值稍大于實測值，但比較接近實測值，誤差較小，這樣既保證了數(shù)值計算的安全性，又保證了準確性，故可以用數(shù)值計算值來分析隧道爆破對既有隧道的振動影響。優(yōu)化后的爆破參數(shù)如(圖6～11)所示。

圖5 既有隧道左線迎爆側拱肩振動速度計算值與實測值對比圖

圖6 各開挖區(qū)域

圖7 實際KZ5－1炮孔布置圖

圖8 V級下導坑開挖順序平面示意圖

5 應用效果

(1)依據(jù)現(xiàn)場試驗和監(jiān)測分析結果，優(yōu)化后的最大裝藥量等爆破參數(shù)設計合理。在本工程中既有左線隧道肩部振動速度最大，但均未超過20cm/s，均小于規(guī)定的允許值，滿足工程要求，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖9 V級下導坑炮眼布置及裝藥參數(shù)一

圖10 V級下導坑炮眼布置及裝藥參數(shù)二

圖11 V級下導坑炮眼布置及裝藥參數(shù)三

(2)在大帽山隧道爆破掘進過程中，充分運用了現(xiàn)代化信息施工理論，把設計、施工和監(jiān)測緊密結合起來是非常必要的。在大規(guī)模施工前，應進行小范圍的爆破試驗，應用監(jiān)測結果數(shù)據(jù)對施工進行反饋設計，及時調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)，不同地段爆破的單段最大藥量應根據(jù)測算的K、α值和周圍建筑物的距離經(jīng)過計算后做適當?shù)恼{(diào)整，以保證隧道的順利開挖和臨近既有隧道的正常運行。

(3)在施工設計中，適當?shù)膽没貧w分析和數(shù)值模擬等手段，可以得到隧道爆破振動峰值、中夾巖及斷面振速隨時間的衰減分布規(guī)律，更好地對隧道爆破進行穩(wěn)定性控制，確保隧道的順利施工和臨近隧道的安全運行。

(4)在隧道洞口段爆破飛石防護中引進柔性防飛石技術，泉廈高速公路擴建工程實踐應用證明，該技術是一項安全可靠、施工方便，具有良好技術經(jīng)濟效益的技術。由于爆破作業(yè)環(huán)境復雜，經(jīng)常遇到石方開挖緊臨既有建筑、鐵路、公路、高壓線和通訊線等重要設施。為確保建筑物安全，需要對飛石及爆破震動等危害進行嚴格控制。而爆破飛石影響因素多，控制難度大，需精心控制。深入研究爆破飛石機理及其控制技術具有重要的理論與工程意義。

[1]陽生權，周健，李雪健.小凈距公路隧道爆破震動觀測與分析[J].工程爆破，2002，21(2):21 －24，32.

[2]張云鵬，張榮，王中華.馬蘭莊鐵礦爆破震動測試分析[J].金屬礦山，2001，1:12 －13.

[3]史雅語，劉慧.招寶山超小凈距隧道開挖爆破技術[J].工程爆破，1997(4):31－36.

[4]陽生權.小間距平行隧道爆破振動加速度測試[J].爆破，1997(4):38－40.

[5]本文參考《既有高速公路2擴4特大跨徑超小凈距隧道CD工法施工技術研究》課題(省科技進步二等獎，證書編號2013－J－006－5，本人排名第五)，文中圖表引用自該課題。課題負責人林作雷，男，大普學歷，教授級高工，13788886077.