城市隧道開挖鉆爆施工圍巖控制爆破技術

■曹　鋒（廣東省地質局第五地質大隊廣東肇慶廣地爆破工程公司廣東肇慶526020）

城市隧道開挖鉆爆施工圍巖控制爆破技術

■曹鋒
（廣東省地質局第五地質大隊廣東肇慶廣地爆破工程公司廣東肇慶526020）

針對城市隧道開挖爆破對周圍圍巖體及建筑的擾動影響，基于強反射原理和損耗原理提出一種城市隧道開挖鉆爆施工圍巖控制爆破技術，并提出此技術的適用條件、設計步驟以及施工過程，可為控制爆破工程設計施工提供支撐理論。

城市隧道控制爆破技術施工開挖圍巖

1　常用的控制爆破技術

1.1減少藥量

通過減少爆破炸藥藥量,降低爆破產生的峰值壓力,從而降低對巖土體的破壞。但藥量較少會致使巖體難以開裂破碎，因此需要多次爆破，增大了施工工期。

1.2打孔

在隧洞周圍打入鉆孔，使其形成一個由空氣組成的封閉圈，一是起到一定的反射作用；二是空氣與巖體波阻抗相差較大，可在鉆孔內發(fā)生多次反射，從而達到降低爆破能量的作用。

1.3改變炮孔間距

通過改變炮孔間距，使每個藥包作用的范圍增大，從而消耗藥包傳播能量，炮孔間距足夠大時，可以有效減少對周圍巖體的擾動。

1.4局部爆破

局部爆破在爆破開挖工程中應用較少，局部爆破技術可以有效減少對周圍巖體的擾動，但一次爆破開挖量較小，需對每次爆破進行設計，從而延誤施工工期。

1.5微差爆破

微差爆破也叫微差控制爆破，國際上慣稱為毫秒延期爆破，即在掌子面上首先添加淺直眼炮孔，直孔較淺，且單響藥量較小，其產生的振動不會很大，但可以在中間先炸出錐形的漏斗或破裂面，為后起爆炸藥提供了有利爆破條件，降低了爆破對周圍巖體產生的振動。

2　爆破控制技術原理——屏蔽原理

2.1強反射原理

根據能量守恒定律，反射系數(shù)R與透射系數(shù)T存在能量消長關系，即T=1-R，因此，反射系數(shù)值越大，透射能量越弱，界面的能量屏蔽作用越強。此外，當入射角超過臨界角后發(fā)生完全反射，成為應力波透射的盲區(qū)，發(fā)生路徑屏蔽作用。

2.2損耗型原理

當?shù)叵麓嬖谝粋€強黏滯層或塑性層，應力波在此間大部分能量被快速吸收損耗，轉化為塑性應變能和介質熱能，從而耗散帶之下應力波能流密度急劇減小，達到屏蔽爆破能量的效果。

2.3散射型原理

散射由介質的粗糙性和介質的不均勻性引起。從物理角度來說，如果界面凹凸不平，但凹凸部分的尺寸相對于波長很小的入射波，界面將發(fā)生波的反射，若相對于波長較大的入射波則發(fā)生散射。介質內物質結構、成分不均勻引起傳播路徑隨機偏轉和改向，或在粗糙面引起反射聚集和發(fā)散，都會引起應力波向不同方向無序散射，不能按正常路徑透射往返，進而對下伏層產生路徑屏蔽。

3　一種新型城市隧道爆破開挖圍巖控制技術

3.1爆破控制構造模型

此技術由以下幾部分組成。

圖1　隧洞爆破控制技術縱截面示意圖

圖2　隧洞爆破控制技術橫截面圖

圖3　隧洞爆破控制技術縱截面圖

3.1.1超前孔

如圖1所示，超前孔直徑80-180mm，長3-6m，間距30-50cm，傾斜角度10o-30o沿隧洞周圍打設，可多排打入。

3.1.2超前孔填塞材料

超前孔填塞材料為輕質、粘滯性較大的材料，如空氣、泡沫混凝土、橡膠、聚乙烯發(fā)泡、聚氨酯泡沫等都具有良好地粘滯性，吸收能量的性能較好。

3.1.3具有一定傾斜角度的柱狀藥包

如圖1所示，藥包參數(shù)滿足相關爆破安全規(guī)程，角度由式（3）確定。

3.2爆破控制原理

3.2.1完全反射作用

如圖3所示，在掌子面外圍打入超前孔，超前孔角度為θ，并打設一定角度的小孔以塞入藥包，藥柱角度為β，洞室高程為h，一次爆破前進距離為l，將超前孔看成一個封閉圈，如圖2所示，由波振面上的能量守恒[8]得從一種介質傳播到另一種介質發(fā)生完全反射的入射臨界角為

完全反射時α2=90°，故

式中，α1為入射臨界角；α2為反射角；ρ1C1為圍巖的波阻抗；ρ2C2為超前空中介質波阻抗。

則從圖3中幾何關系知藥柱傾斜角度β與超前空角度θ以及入射角度α1的關系式為

故只需β<=90°-α1+θ即可滿足全反射條件。

3.2.2能量損耗作用

沖擊波振幅隨穿過耗散帶距離的增大而呈指數(shù)衰減[1]，即

由一維簡諧波可知地震波的能量與振幅的二次方呈正比，即

式中，A為沖擊波衰減振幅；A0為初始振幅；β為衰減系數(shù)，由介質決定；r為爆心距；k為能量系數(shù)，由介質決定；

由式（5）可計算不同介質的在超前孔中的衰減能量。

3.3適用條件

（1）鉆爆法施工；

（2）淺埋隧道上覆有建筑物、巖體較堅硬或有相臨隧道的隧道開挖；

（3）爆破炸藥采用柱形藥包。

3.4設計步驟

（1）對巖體進行分級或進行上覆建筑物評價；

（2）確定是否需要控制爆破；

（3）若需要控制爆破，再進行以下設計；

（4）對藥量、藥柱角度、炮孔間距、單次爆破深度等進行設計，藥量、炮孔間距、單次爆破深度可根據相關爆破安全規(guī)程實施設計，藥柱角度由式（3）確定；

（5）超前孔直徑、超前孔角度、超前孔間距滿足4.1.1所述，超前孔內介質由能量耗損確定，參照4.1.2與4.2.1；

3.5施工工藝

打入超前孔、超前孔內塞入粘滯性較大的介質、打炮眼、裝入藥柱、爆破、清理巖體碎石、進行下一次爆破開挖。

（1）打入超前孔，打入超前孔是孔內一定要平直光滑，滿足角度、間距、深度要求，并需吹風清孔，便于后續(xù)介質的塞入；

（2）超前孔內塞入粘滯性較大的介質，塞入的介質長度一定要大于單次爆破深度，盡量填充整個超前孔；

（3）打炮眼，炮眼不是水平打入的，需滿足設計要求；

（4）裝入藥柱，傾斜藥柱裝入時具有一定的難度，需謹慎進行；

（5）爆破，施工開挖前應進行預爆破試驗，驗證控制技術的可行性,以滿足工程需要；

（6）清理巖體碎石，當爆破完成巖體完全穩(wěn)定后再進行清理，清理巖體碎石時盡量減少對周圍巖體的擾動。

4　結論

針對城市隧道開挖爆破對周圍圍巖體及建筑的擾動影響，基于能量屏蔽原理和損耗原理提出一種城市隧道開挖鉆爆施工圍巖控制爆破技術，并提出此技術的適用條件、設計步驟以及施工工藝，可為控制爆破工程提供支撐理論。

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[3]唐潤婷,李鵬飛,蘇華友等.鄰近埋地天然氣管道線橋梁樁基爆破施工減震方法的實踐討論[J].福建建設科技,2011,NO.1:38-40.

P634[文獻碼]B

1000-405X（2016）-1-391-2