臨近既有線隧道開挖控制爆破試驗(yàn)與振動(dòng)測(cè)試

黃　飛，陽生權(quán),2，王哲宇

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201；2.土木施工過程與質(zhì)量安全控制實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201)

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臨近既有線隧道開挖控制爆破試驗(yàn)與振動(dòng)測(cè)試

黃飛1，陽生權(quán)1,2，王哲宇1

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201；2.土木施工過程與質(zhì)量安全控制實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201)

依托南平-龍巖鐵路線的斑竹壟隧道工程，通過現(xiàn)場(chǎng)控制爆破試驗(yàn)與振動(dòng)測(cè)試及其結(jié)果分析,同時(shí)結(jié)合相關(guān)研究成果，通過類比分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，論述了斑竹壟隧道控制爆破鉆爆參數(shù)選取與確定的合理性與可行性，相關(guān)研究成果應(yīng)該可為類似工程控制爆破接近施工提供參考和借鑒.

既有隧道；控制爆破；振動(dòng)測(cè)試；接近施工

0　引　言

近年來，由于地形條件、征地條件等因素的限制，隧道在施工過程中常會(huì)在既有線路附近新建線路，而新建線路與既有線路距離過小時(shí)，新建線路的爆破開挖則容易導(dǎo)致既有線路產(chǎn)生振動(dòng)危害.如何保證既有線路的安全運(yùn)營和結(jié)構(gòu)上的不受或少受影響，一直是接近施工中的控制爆破技術(shù)難題，也一直行業(yè)內(nèi)專家與學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的研究項(xiàng)目之一[1-2].

南平-龍巖鐵路線(以下簡(jiǎn)稱南龍鐵路)斑竹壟隧道出口與既有線向莆鐵路羅布隧道為并行狀態(tài)，與三明北聯(lián)絡(luò)線瑯口隧道為上跨交叉關(guān)系(斑竹壟隧道上跨瑯口隧道).在臨近既有線路爆破施工之前，擬采用同等條件下的斑竹壟隧道進(jìn)口現(xiàn)場(chǎng)控制爆破試驗(yàn)并結(jié)合超近距離爆破振動(dòng)測(cè)試，以便科學(xué)合理地選取與確定隧道出口接近控制爆破的相關(guān)鉆爆參數(shù).同時(shí)結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)研究成果，通過類比分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，論述了斑竹壟隧道控制爆破鉆爆參數(shù)的合理性與可行性，相關(guān)研究成果應(yīng)該可為類似工程控制爆破施工提供參考和借鑒.

1　隧道開挖控制爆破試驗(yàn)

1.1工程概況

南龍鐵路斑竹壟隧道位于福建省三明市沙縣洋坊村，起訖里程為DK51+765～DK54+481，全長2716 m.隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線鐵路隧道，平均開挖斷面面積約125 m2.隧道穿越巖層主要包括花崗巖、花崗閃長巖、石英砂巖、粉質(zhì)砂巖和凝灰?guī)r等，巖層分布從上至下存在強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、弱風(fēng)化到微風(fēng)化巖層.

斑竹壟隧道與三明北聯(lián)絡(luò)線瑯口隧道呈上跨交叉關(guān)系，如圖1所示前者位于后者上方，在DK54+052里程位置上跨瑯口隧道，隧道施工上跨影響區(qū)段DK53+966～DK54+116，位于開挖隧道出口段，長度為150 m.交點(diǎn)對(duì)應(yīng)瑯口隧道里程LDK3+024.087，兩隧道平面夾角25°57'40"，垂直凈間距約6.4 m.

圖1　斑竹壟隧道與鄰近既有鐵路平面關(guān)系示意圖

1.2爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)斑竹壟隧道與瑯口隧道的上跨交叉關(guān)系，考慮同一工程同等試驗(yàn)條件，選擇斑竹壟隧道進(jìn)口DK54+265里程橫洞位置進(jìn)行控制爆破試驗(yàn)與超近距離爆破振動(dòng)測(cè)試.測(cè)試儀器與測(cè)試點(diǎn)位置如圖2所示，測(cè)點(diǎn)距離爆破裝藥中心約6.4 m.

現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試參數(shù)采用上跨影響段隧道洞身Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階爆破參數(shù)，具體鉆爆參數(shù)如下：

(1)鉆爆參數(shù)與火工品的選取：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選用YT28氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔，炮眼直徑38 mm.設(shè)計(jì)采用乳化炸藥(φ32)，選用多段位電子雷管的起爆網(wǎng)絡(luò)，起爆網(wǎng)絡(luò)按掏槽孔、輔助孔、周邊孔的順序逐孔起爆，電子雷管標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)時(shí)差為17 ms，掏槽孔孔底部預(yù)留30 cm空氣間距.

(2)炮眼深度l：掏槽眼取l=0.7 m，輔助眼取l=0.55 m，周邊眼取l=0.55 m.

(3) 炸藥單耗q：光爆層單獨(dú)爆落時(shí)，周邊眼的線裝藥密度一般取0.15～0.25 kg/m.根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)花崗巖來講，周邊光爆眼取q線=0.20 kg/m，單耗取0.85～1.50 kg/m3(視圍巖級(jí)別進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整).同時(shí)，輔助眼取q=1.00 kg/m3，掏槽眼取q=1.10 kg/m3.

(4)炮眼孔網(wǎng)參數(shù)：根據(jù)a/w=0.90～1.1原則確定，一般孔距a=45～60 cm，最小抵抗線w=50～80 cm.

①掏槽眼，八孔直眼掏槽，取a水平=40 cm，a垂直=50 cm炮眼數(shù)n=8.

②輔助眼，取a=50 cm，w=55 cm；炮眼數(shù)n=28.

③周邊眼，取a=50 cm，w=60 cm；炮眼數(shù)n=23.

(5)單孔裝藥量Q單與總裝藥量Q總：周邊眼裝藥按線裝藥密度q線進(jìn)行計(jì)算；輔助眼與掏槽眼根據(jù)單孔裝藥量負(fù)擔(dān)面積確定.

aw=S=Q單/(ql)

(1)

式中：Q單為單孔裝藥量(kg)；a為孔距(m)；w為最小抵抗線(m)；S為炮孔負(fù)擔(dān)面積(m2).

那么，單孔裝藥量Q單分別為：

①周邊眼：Q單=q線·l=0.20×0.5=0.10 kg，取Q單=0.10 kg；

②輔助眼：Q單=(a·w)×(q·l)=(0.50×0.55)×(1.00×0.55)=0.15 kg，取Q單=0.15 kg；

③掏槽眼：Q單=(a水平·a垂直)×(q·l)=(0.40×0.50)×(1.1×0.7)=0.22 kg，取Q單=0.20 kg.

總裝藥量為Q總：Q總=∑(Q單·n)=0.10×23+0.15×28+0.20×8=2.3+4.2+1.6=8.1 kg.

得到隧道上部導(dǎo)洞裝藥參數(shù)(見表1).

表1　隧道上部導(dǎo)洞裝藥參數(shù)表

炮孔布置與裝藥如圖3所示.

圖3　試驗(yàn)炮孔布置與裝藥量示意圖

2　爆破振動(dòng)測(cè)試與分析

2.1爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試試驗(yàn)采用四川拓?fù)錅y(cè)控科技有限公司生產(chǎn)的UBOX-5016爆破測(cè)振儀，配備X、Y、Z三維一體速度傳感器，并配套BM View爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件.爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖如圖4所示.

圖4爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2爆破監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表2所示，典型的爆破地震波如圖5所示.

表2　現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖5　典型的爆破地震波

從采集的爆破地震波分析可知，數(shù)碼電子雷管逐孔起爆，超近距離條件下也可將各個(gè)炮孔對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的爆破地震波分隔開來，沒有疊加現(xiàn)象，說明上述起爆方式對(duì)控制爆破振動(dòng)是合理可行的.

如表2所示，通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)結(jié)果分析可知，常規(guī)的炮孔深度和裝藥和炮孔布置會(huì)造成超近距離爆破振動(dòng)峰值過大，從而導(dǎo)致爆破振動(dòng)超過規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)值(2 cm/s).同時(shí)，結(jié)合斑竹壟隧道的地質(zhì)條件下的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)，合理的掏槽方式，合理的爆破鉆爆參數(shù)，可在很大程度上控制超近距離的爆破振動(dòng)峰值，有效控制爆破地震.因此，嚴(yán)格控制裝藥和鉆爆參數(shù)時(shí)，是可以將爆破振動(dòng)速度控制在2 cm/s以內(nèi).

3　爆破振動(dòng)影響因素分析與預(yù)測(cè)

3.1爆破振動(dòng)衰減規(guī)律與影響因素分析

根據(jù)研究，爆破振動(dòng)衰減規(guī)律[3-6]基本符合下列公式：

(2)

式中：V為最大爆破振動(dòng)速度值(cm/s)；Q為最大段齊爆藥量(kg)；R為爆心距，爆源至測(cè)點(diǎn)的距離(m)；K、α為與地形、地質(zhì)條件相關(guān)的系數(shù).

從經(jīng)驗(yàn)公式不難看出，爆破振動(dòng)主要與地形地層條件、距離以及爆破藥量密切相關(guān).

3.2爆破振動(dòng)衰減規(guī)律類比分析

在武廣高速鐵路兩座隧道爆破掘進(jìn)過程中，測(cè)得50 m范圍內(nèi)圍巖爆破振動(dòng)衰減參數(shù)，回歸結(jié)果如表3所示.

表3　武廣高速鐵路兩座隧道爆破振動(dòng)衰減參數(shù)

其中，天鵝嶺隧道試驗(yàn)段處在石灰?guī)r層中，屬于Ⅳ級(jí)圍巖，巖體節(jié)理很發(fā)育，有多處軟弱夾層，且夾層內(nèi)有煤質(zhì)充填，爆破振動(dòng)衰減較快；新南嶺隧道試驗(yàn)段處在泥沙巖中，屬于Ⅲ級(jí)圍巖，雖然巖性較硬，但巖體整體性稍差，爆破振動(dòng)衰減慢于Ⅳ級(jí)圍巖段.根據(jù)不同爆破條件下測(cè)得的振動(dòng)速度回歸分析[7]，介質(zhì)的夾制作用在掏槽爆破中最大，振動(dòng)衰減式中的衰減系數(shù)K對(duì)應(yīng)也最大，而相同地質(zhì)條件下的衰減指數(shù)α值則比較接近.

根據(jù)深圳梧桐山等隧道爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析，得到相應(yīng)的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律[8-11]如表4所示，其中，存在既有隧道的隧道接近施工所得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)該更具有參考和借鑒價(jià)值.

表4　典型隧道爆破振動(dòng)衰減規(guī)律對(duì)比表

3.3斑竹壟隧道超近距離爆破振動(dòng)衰減規(guī)律預(yù)測(cè)

針對(duì)斑竹壟隧道爆破振動(dòng)衰減規(guī)律預(yù)測(cè)，首先應(yīng)分析該隧道地形地質(zhì)條件.斑竹壟隧道出口區(qū)段圍巖揭露為灰色弱風(fēng)化花崗巖，花崗巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎.圍巖自穩(wěn)能力較差～一般.考慮隧道爆破開挖采用常規(guī)掏槽、周邊光面爆破工藝，因此爆破振動(dòng)安全中重點(diǎn)分析掏槽爆破振動(dòng)影響，結(jié)合上述類似工程的爆破振動(dòng)衰減情況，認(rèn)為選取掏槽爆破的地層參數(shù)K=150，振動(dòng)衰減指數(shù)α=1.80比較合適，但針對(duì)超近距離，在此宜取數(shù)K=160、α=2.15比較合適.

4　結(jié)論與建議

(1)數(shù)碼電子雷管逐孔起爆是控制超近距離爆破振動(dòng)的有效起爆方式，建議在斑竹壟出口上跨既有鐵路隧道的爆破中采用，并采取有效措施保證起爆網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量.

(2)采用合理的掏槽工藝、炮孔深度和炮孔布置方式以及控制爆破規(guī)模，可以有效控制爆破地震，并可將爆破振動(dòng)控制在安全標(biāo)準(zhǔn)值(2 cm/s)以內(nèi).

(3)建議斑竹壟隧道上跨既有鐵路隧道的爆破施工必須進(jìn)行爆破振動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制爆破規(guī)模和鉆爆參數(shù)與工藝.

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Control Blasting Experiment and Vibration Test during Adjacent Tunneling Close to Exiting Tunnel

HUANG Fei1，YANG Sheng-quan1,2，WANG Zhe-yu1

(1.College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201， China;2.Key Laboratory of Construction Process，Quality and Safety of Civil Engineering,Xiangtan 411201, China)

Based on Banzhulong tunnel project of the Nanping-Longyan railway line, blasting vibration simulation test on site is analyzed in this paper. The procedure of analysis is combined with domestic existing research norms, results and the blasting vibration test. At the same time, compared with the attenuation law of blasting vibration on similar projects, blasting design parameters’ rationality of Banzhulong tunnel near the exiting railway are evaluated. The results of the analysis are used to guarantee the security when the Banzhulong tunnel is excavated. And it’s also can provide a useful reference for the similar project.

existing tunnel；control blasting；vibration test；adjacent construction

2016-03-09

2013年湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育資助項(xiàng)目(13CY013).

黃飛(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：隧道與地下工程.

TP391.41

A

1671-119X(2016)03-0081-05