土石交界地層隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)研究

張 雄，孫夢青，張 揚(yáng)

（1.延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西交通建設(shè)集團(tuán) 黃延分公司，陜西 延安 716000）

鐵路隧道開挖以鉆爆法和機(jī)械掘進(jìn)法為主，其中鉆爆法在經(jīng)濟(jì)性、安全性和效率上具有明顯優(yōu)勢，在國內(nèi)外硬質(zhì)巖隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。但是，爆破過程中產(chǎn)生的沖擊波對隧道圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)以及鄰近建筑物可能造成損傷，例如引爆造成隧洞塌方、地表沉陷以及建筑物裂縫等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生［1，2］。因此，開展隧道爆破震動(dòng)規(guī)律及其控制研究，分析隧道爆破開挖與圍巖地質(zhì)條件的相互關(guān)系，避免產(chǎn)生次生地質(zhì)災(zāi)害具有十分重要的意義［3］。目前，相關(guān)學(xué)者對于隧道爆破振動(dòng)及施工方面的研究成果多集中在淺埋隧道、交叉隧道和小凈距隧道等的爆破振動(dòng)施工控制方面［4-7］，而土石交界地層隧道爆破控制方面的研究成果相對較少［8，9］。土石交界地層是我國西南地區(qū)經(jīng)常遇到的一類特殊地層，該地區(qū)地形陡峭，巖石抗風(fēng)化能力弱，覆蓋層和全風(fēng)化埋深無規(guī)律，鉆爆法施工存在較大難度。

以空樹河鐵路隧道為研究對象，在分析地層地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)土石交界地層在隧洞掌子面或頂拱上方情況下的爆破方案、振動(dòng)監(jiān)測方案，并對結(jié)果進(jìn)行分析，為該類型復(fù)雜地層隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)提供參考。

1 隧道概況

空樹河隧道位于云南省芒康市，隧道全長5.5 km，縱坡為0.8%上坡，直線布置。所處地貌類型為中切割陡坡地形，地表海拔高程一般為200～500 m，地形坡度一般為30°～50°，植被覆蓋茂密。研究區(qū)地層出露單一，以燕山期和加里東期侵入花崗巖為主。其次為上古生界志留系 （S）頁巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r。表層為第三系 （N）花崗質(zhì)礫巖、砂巖、粘土巖和第四系 （Q）粉質(zhì)粘土層。隧道地區(qū)主要穿越地層有殘坡積粉土夾碎石層、全風(fēng)化巖漿巖以及強(qiáng)弱風(fēng)化巖漿巖 （見圖1）。殘坡積層和全風(fēng)化層巖土體結(jié)構(gòu)松散，屬于土層；強(qiáng)弱風(fēng)化巖漿巖屬于硬質(zhì)巖層。

圖1 空樹河隧道土石交界地層典型縱剖面Figure 1 Typical vertical section of soil-rock boundary stratum in Kongshuhe Tunnel

對空樹河隧道掌子面土石交界位置、地層分布特征和巖性差別進(jìn)行分析，并在隧道內(nèi)設(shè)置位移和鋼拱架內(nèi)力測試儀器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

土石交界面初期變形量稍大于全風(fēng)化層，小于硬質(zhì)巖層；上部軟弱土層開挖會(huì)導(dǎo)致洞內(nèi)斷面位移增大。

當(dāng)土石交界面為水平分布時(shí)，中臺(tái)階和下臺(tái)階具有較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)仰拱部分開挖支護(hù)使得仰拱基礎(chǔ)置于硬質(zhì)巖體后，上部土層才可以確保變形穩(wěn)定。土石交界面傾斜時(shí)，支護(hù)初期內(nèi)力分布呈現(xiàn)明顯的不對稱分布，土層埋深較深一側(cè)內(nèi)力偏大。土石分界地層會(huì)改變隧道結(jié)構(gòu)軸力和安全系數(shù)，但基本不影響彎矩。

2 隧道爆破方案與振動(dòng)監(jiān)測設(shè)計(jì)

2.1 土石分界地層隧道爆破方案

針對土石分界不良地質(zhì)特征，及其所帶來的應(yīng)力位移變化規(guī)律，選用三臺(tái)階分段爆破設(shè)計(jì)方案，臺(tái)階長度設(shè)計(jì)為10 m，上下臺(tái)階間距設(shè)置3倍洞經(jīng)，上臺(tái)階采用楔形掏槽法，下臺(tái)階采用水平孔拉法，循環(huán)進(jìn)尺控制1.0～1.5 m。根據(jù)土石分界面相對隧洞位置和角度進(jìn)行微調(diào)，開挖方法嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺，弱爆破，勤量測，早封閉”原則［10］，進(jìn)行了不同的爆破試驗(yàn)。隧道爆破施工流程見圖2。

爆破所采用的炮眼間距根據(jù)位置不同一般為0.4～0.9 m，炮眼深度每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺0.1～0.2 m，掏槽位置最深約為0.5 m，炮眼數(shù)目設(shè)計(jì)為150～180個(gè)左右，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖2 土石分界地層隧道爆破施工工藝流程圖Figure 2 Flow chart of blasting construction technology for tunnel in earth-rock boundary stratum

表1 土石分界地層爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Design parameters table of blasting in soil-rock boundary stratum

2.2 爆破振動(dòng)方案設(shè)計(jì)

振動(dòng)爆破監(jiān)測主要以爆破時(shí)隧道土層分界面、鋼筋混凝土套拱和洞內(nèi)襯砌部位的振動(dòng)速度為主。選擇TC-500爆破振動(dòng)監(jiān)測儀和速度接收器，記錄不同部位的振動(dòng)速度和應(yīng)力，用于調(diào)整和優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)方案，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3。

當(dāng)炸藥爆破所產(chǎn)生的荷載作用于掌子面以及附屬建筑物時(shí)，其沖擊荷載通常為具有上升段和下降段的三角形荷載，具體表達(dá)如下：

上升／下降段作用時(shí)間T1按試 （1）求解。

圖3 土石分界地層爆破振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Figure 3 Schematic layout of monitoring points for blasting vibration in soil-rock boundary stratum

其中，E代表巖土體的變形模量，MPa；μ為相應(yīng)位置巖體的泊松比；R代表炮孔間距，m；Q代表裝藥量，g。

爆破荷載產(chǎn)生的應(yīng)力最大值P根據(jù)公式（2）來推算。

式中：Z代表比例距離，m；R代表炮孔與載荷等效作用面之間的距離，m。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

為便于分析研究，將土石分界隧道監(jiān)測實(shí)施在2種典型工況下：①是土石分界位于隧道掌子面內(nèi)（中部），②是土石分界位于頂拱之上 （距離1.0 m）。

3.1 土石分界位于隧洞內(nèi)

隧道內(nèi)圍巖各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力分布情況，見表2，掌子面監(jiān)測點(diǎn)C的實(shí)測地表振動(dòng)速度波形，見圖4。

從監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沿隧道縱向測點(diǎn)的振動(dòng)速度一般為5.1～6.0 cm／s，受到隧道埋深和掌子面與地層相交位置影響，自監(jiān)測點(diǎn)向深部未開挖區(qū)域振動(dòng)波速有遞減趨勢。沿著土石分界掌子面橫斷面方向，由于反射應(yīng)力波遇到土石界限的反射作用，振動(dòng)波對混凝土鋼拱架影響較為明顯，特別是在拱頂部位其振動(dòng)速度達(dá)到最大值7.9 cm／s，各測點(diǎn)速度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)中間位置振動(dòng)速度最小，一般為0.1～1.2 cm／s。應(yīng)力分布情況標(biāo)明頂拱以下6 m為可能的塑性破壞區(qū)，受拉破壞的區(qū)域最大深度為頂拱以下2.6 m，均勻分布于土石交界地層以上。該結(jié)果表明：在土石分界地層爆破施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注頂拱中上部圍巖穩(wěn)定性情況，控制土層爆破用藥量。

表2 爆破初期圍巖主應(yīng)力分布表Table 2 Distribution table of principal stress in surrounding rock at initial stage of blasting

圖4 監(jiān)測點(diǎn)C振動(dòng)速度波形Figure 4 Monitoring point C vibration velocity waveform

3.2 土石分界面位于頂拱上方

隧道內(nèi)圍巖各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力分布情況，見表3；掌子面監(jiān)測點(diǎn)D的實(shí)測地表振動(dòng)速度波形，見圖5。

表3 爆破初期圍巖主應(yīng)力分布表Table 3 Distribution table of principal stress of surrounding rock at initial blasting stage

圖5 監(jiān)測點(diǎn)D振動(dòng)速度波形Figure 5 Vibration velocity waveform of monitoring point D

從監(jiān)測結(jié)果可以看出，掌子面振動(dòng)速度自中心向未開挖區(qū)逐漸降低，由于土石分界層位于頂拱上方，導(dǎo)致上部和地表振動(dòng)速度存在區(qū)域差異，土層區(qū)域振動(dòng)速度小于巖石層振動(dòng)速度，土石分界面處振動(dòng)速度高達(dá)11.5 cm／s，大于開挖區(qū)；當(dāng)沖擊波穿過土石界限后振速衰減變快。應(yīng)力分布監(jiān)測結(jié)果顯示，頂拱上部50°范圍內(nèi)發(fā)生一定程度塑性變形，受拉破壞最大深度為1.12 m，該區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性最大，應(yīng)在該區(qū)域減少裝藥量或者采取機(jī)械掘進(jìn)方式，并及時(shí)來取支護(hù)措施。

4 結(jié)論

以空樹河隧道作為研究對象，針對鐵路隧道爆破施工過程中遇到土石交界特殊地層條件，在分析基本地層地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上，對土石交界地層隧道爆破方案設(shè)計(jì)和振動(dòng)監(jiān)控分析，得到以下結(jié)論：

a.當(dāng)土石交界面為水平分布，中下臺(tái)階具有較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；土石交界面傾斜時(shí)，內(nèi)力呈現(xiàn)不對稱分布，土層埋深較深一側(cè)內(nèi)力大。土石分界地層會(huì)改變隧道結(jié)構(gòu)軸力和安全系數(shù)，但基本不影響彎矩。

b.土石分界面位于隧洞掌子面時(shí)，爆破振動(dòng)沿著土石分界掌子面橫斷面方向發(fā)展，由于反射應(yīng)力波遇到土石界限的反射作用，振動(dòng)波對混凝土鋼拱架影響較為明顯，特別是在拱頂部位其振動(dòng)速度達(dá)到最大值，應(yīng)力分布情況表明塑性應(yīng)力均勻分布于土石交界地層以上。

c.土石分界面位于隧洞頂拱以上時(shí)，土層區(qū)域振動(dòng)速度小于巖石層振動(dòng)速度，沖擊波穿過土石界限后振速衰減變快，頂拱上部50°范圍內(nèi)發(fā)生一定程度塑性變形，受拉破壞最大深度為1.12 m，該區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性最大。

d.土石分界地層常常以多種角度和相交位置與隧道相遇，同時(shí)還受到巖、土層差異以及地下水的影響。因此，對不同相交位置、巖土性質(zhì)及地下水對隧道爆破振動(dòng)的影響研究是今后的研究重點(diǎn)。