小間距隧道爆破振動安全影響因素分析

畢春杰，謝 丹，謝菁鈺

(1. 云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650100； 2. 邵陽學(xué)院 食品與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000)

采礦

小間距隧道爆破振動安全影響因素分析

畢春杰1，謝 丹1，謝菁鈺2

(1. 云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650100； 2. 邵陽學(xué)院 食品與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000)

為分析小間距隧道爆破參數(shù)的改變對相鄰隧道既有結(jié)構(gòu)的影響因素以及爆破中爆破參數(shù)改變對臨近隧道爆破振動的作用效果。通過對既有隧道進(jìn)行振動監(jiān)測并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)振動衰減規(guī)律，得到隧道監(jiān)測質(zhì)點(diǎn)的振動峰值主要受到爆心距、臨空面、裝藥結(jié)構(gòu)、巖性參數(shù)等因素的影響較大，同時通過優(yōu)化臨近隧道的開挖方式、支護(hù)方式能夠有效的減小爆破監(jiān)測質(zhì)點(diǎn)的峰值振動速度。

隧道；安全；爆破振動；振動衰減規(guī)律

0 前 言

炸藥在巖土中爆炸，約2%～18%的能量轉(zhuǎn)換成彈性波在巖土中傳播并引起圍巖及地表振動。5%～15%的能量轉(zhuǎn)換為爆破沖擊波在空氣中造成擾動。約50%以上的能量生成爆破膨脹氣體。爆破振動是影響小間距隧道建設(shè)進(jìn)度一個重要影響因素。為了改進(jìn)鉆爆法施工工藝工法、確保隧道周遭圍巖、臨近隧道的安全性、加快小間距隧道施工的進(jìn)度，近年國內(nèi)外學(xué)者研究人員對于近距離爆破、小間距隧道的爆破掘進(jìn)施工進(jìn)行了深入的研究探討，研究方法主要包括現(xiàn)場監(jiān)測采集數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)并得到了一些實(shí)用性結(jié)論。姚勇通過數(shù)值模擬提出先行隧道采取不同的開挖方式及支護(hù)方式受到的爆破振動的影響分析[1]。王春梅通過現(xiàn)場監(jiān)測提出爆心距以及分段裝藥量對于爆破振速傳播規(guī)律影響分析[2]。彭道富通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出不同爆破方案設(shè)計(jì)、爆破條件、地質(zhì)條件下對近距離隧道的影響分析[3]。姚勇等采用數(shù)值模擬的方法對小凈距隧道相互影響進(jìn)行研究，通過大量數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)迎爆側(cè)水平振動最大，并提出注漿加固等能有效減小爆破振速的措施[4]。

1 工程背景

某隧道位于烏江峽谷剝蝕中低山地地貌，線路并行與既有隧道左側(cè)13～80m，進(jìn)口位于既有線旁，緊鄰既有線，施工安全威脅大。隧址區(qū)山頂最大高程1 113 m，最大埋深900 m，相對高差300～600 m，地形起伏較大，進(jìn)口段自然坡度為10(°)～30(°)，出口自然坡度為15(°)～25(°)，砂巖單面山發(fā)育，局部呈陡崖，山頂部分多形成溶蝕槽谷地貌，溶溝、溶槽、溶洞、落水洞、洼地發(fā)育，植被茂密。進(jìn)、出口端及洞身有公路相通，交通方便。隧址位于武隆向斜北西冀，單斜構(gòu)造，巖層走向與線路大角度相交。隧區(qū)主要地層為土層、頁巖、灰?guī)r、砂巖、泥灰?guī)r、煤層、泥巖等，隧道通過武隆向斜北西冀，巖層單斜，斷裂發(fā)育，節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖溶水極為豐富，存在涌水突泥風(fēng)險。地下水以基巖裂隙水，巖溶水為主。

2 影響爆破振動強(qiáng)度和分布規(guī)律的因素

2.1爆破振動與爆破距離的關(guān)系

爆破振動速度V按照下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

V=K(Q1/3/R)a

(1)

式中V——爆破振動速度，cm/s；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破取總炸藥量，延期爆破時取最大一段炸藥量，kg；

R——爆心距，m；

K——表示與地震波傳播地段巖土特性等相關(guān)的系數(shù)；

a——表示地震波衰減指數(shù)。

薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)式(1)給出了爆破振速與爆心距呈逆相關(guān)關(guān)系，對于特定圍巖性質(zhì)的巖體，炸藥量一定條件下，監(jiān)測點(diǎn)距離爆破藥包當(dāng)量中心越遠(yuǎn)，爆破振動速度越小，對鄰近隧道原有病害襯砌裂縫、施工縫的擾動影響越小。

2.2爆破條件對爆破振動的影響

裝藥結(jié)構(gòu)是指炸藥裝入炮孔內(nèi)的集中程度、裝藥與孔壁的耦合情況以及藥包相對炮孔位置的幾何關(guān)系。即裝藥在炮孔內(nèi)的位置關(guān)系裝藥結(jié)構(gòu)是調(diào)節(jié)炸藥能量分布和控制爆破效果的一個重要因素，不同的裝藥結(jié)構(gòu)可以改變炸藥的爆炸性能，從而引起爆破作用的變化，不同的爆破技術(shù)要求有不同的裝藥結(jié)構(gòu)。自由面的多少對爆破效果有著重要影響，自由面越多，被爆破的材料受到的約束力就越小，要求同樣的爆破效果，則需要的藥量也越少。一般來說，齊爆藥量越大，振速也越大。當(dāng)齊爆引起的振動對隧道產(chǎn)生不利影響時，采用分段爆破技術(shù)可有效地減少爆破振動。起爆方向分為正向起爆，反向起爆和中心起爆。反向起爆優(yōu)于正向起爆，反向起爆中疊加的高強(qiáng)度應(yīng)力波傳向自由面，有利于巖石的破碎，優(yōu)先考慮采用反向起爆方式，以減小對周圍巖石的損傷和破壞，提高爆破效果。裝藥結(jié)構(gòu)見圖1。

2.3圍巖性質(zhì)對爆破振動的影響

巖體地質(zhì)條件對爆破振動(擾動)場的影響，主要表現(xiàn)在巖土特性系數(shù)K與振動波的傳播衰減指數(shù)a上。文獻(xiàn)[5-7]給出不同巖性的K、a值。

在藥量與爆心距一定的情況下，爆破振動速度主要受巖性參數(shù)K，地震波衰減指數(shù)a的影響。按照式(1)計(jì)算出來的振動速度不得超過文獻(xiàn)[5-8]提到的《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

a 導(dǎo)爆索裝藥結(jié)構(gòu)；b 間隔裝藥結(jié)構(gòu)

3 隧道施工方法對鄰近隧道的影響

新武隆隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖。本方案以Ⅳ級圍巖作為監(jiān)測分析研究對象。Ⅳ級圍巖爆破炮孔布置見圖2。

圖2 Ⅳ級圍巖爆破炮孔布置

Ⅳ級圍巖爆破炮孔布置所對應(yīng)的炮孔雷管段位及單孔裝藥量等詳細(xì)參數(shù)見下表1。

表1 單線隧道Ⅳ爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

按照對既有隧道最不利質(zhì)點(diǎn)振速2.5 cm/s考慮，分別對不同圍巖最小線間距爆破最大裝藥量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 隧道控制爆破最大藥量計(jì)算

對既有隧道振速監(jiān)測點(diǎn)布控如圖3所示，監(jiān)測儀器為TC-4850型爆破振動監(jiān)測儀。

圖3 振速監(jiān)測點(diǎn)布控

現(xiàn)場監(jiān)測測試表明既有隧道橫斷面振速分布具有一定的規(guī)律性。整體而言，既有隧道迎爆側(cè)拱腳振速普遍大于背爆側(cè)邊墻振速，其數(shù)值為幾倍甚至于幾十倍；隧道掌子面未開挖側(cè)地表、臨近隧道拱腳振速普遍小于已開挖側(cè)。既有隧道襯砌在爆破產(chǎn)生的地震波作用下應(yīng)力值將會產(chǎn)生很大改變迎爆側(cè)應(yīng)力狀態(tài)比背爆側(cè)高得多。在爆破開挖工序過程中既有隧道迎爆側(cè)是爆破開挖控制的薄弱部位應(yīng)重點(diǎn)對迎爆側(cè)進(jìn)行爆破振速監(jiān)控[9-10]。

在小凈距隧道后建隧道的開挖中采用上下臺階開挖與采用全斷面開挖相比對降低爆破振動峰值速度較為有利。在相同藥量相同凈距相同支護(hù)條件下上下臺階開挖最大振動速度比全斷面開挖要小的多，上下臺階法開挖工法中，上下臺階分別爆破對于降低鄰近隧道迎爆側(cè)振速有顯著效果。當(dāng)掌子面圍巖類別較低采用對巖柱進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿加固提高圍巖的參數(shù)對減小質(zhì)點(diǎn)爆破峰值速度效果十分顯著。對鄰近隧道距離施工隧道之間進(jìn)行圍巖注漿對于降低爆破振動的影響有顯著作用。

4 結(jié) 論

1)臨近小間距隧道采取上下臺階開挖，上下臺階分別爆破，迎爆側(cè)注漿等施工工藝對減小質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度效果顯著。

2)對于一定圍巖，巖體特性系數(shù)與振動波的傳播衰減指數(shù)一定，隧道質(zhì)點(diǎn)距離爆破炸藥中心越遠(yuǎn)，一次起爆炸藥量越少，其受到地震應(yīng)力波的振動越小。

3)已開挖隧道監(jiān)測點(diǎn)拱頂、拱腰、拱腳爆破振速呈衰減分布。掏槽眼適當(dāng)降低裝藥線密度，利用夾制作用將爆破能量轉(zhuǎn)換為拋擲巖體碎塊的能量，降低一次起爆藥量同樣能夠降低爆破振動強(qiáng)度。

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TheInfluenceFactorsofSmallSpacingTunnelsBlastingVibrationAnalysis

BI Chunjie1, XIE Dan1, XIE Jingyu2

(1.YunnanReferendumConstructionGroupCo.Ltd.,Kunming,Yunnan650100,China; 2.SchoolofFoodandChemicalEngineering,CollegeofShaoyang,Shaoyang,Hunan422000,China)

This paper analyzes the influence of the change of the blasting parameters of the small pitch tunnel on the existing structure of the adjacent tunnel, and the effect of the blasting parameters on the blasting vibration of the adjacent tunnel. Through monitoring the vibration of the existing tunnels and the monitoring data are analyzed, finally the vibration attenuation laws are summarized. The result shows that the vibration peaks of the tunnels are mainly affected by the following factors, like burst center distance, vacant surface, charge structure and lithological parameters, And the peak vibration velocity of the blasting monitoring mass can be reduced effectively by optimizing the excavation method of the adjacent tunnels and the support style.

Tunnel; Safety; Blasting vibration; Vibration attenuation rule

2017-07-05

畢春杰(1989-)，男，河南鶴壁人，研究方向：安全系統(tǒng)工程，手機(jī)：18213856024，E-mail：990575955@qq.com.

U456.3

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.024