觀音山隧道下穿高速公路橋梁時(shí)的爆破振動控制技術(shù)

張江余

Blasting Vibration Control Technology for Guanyinshan Tunnel Underneath a Expressway Bridge

摘要： 鐵路隧道下穿高速公路橋梁的爆破掘進(jìn)施工時(shí)，為了確保公路橋梁的結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營安全，隧道爆破掘進(jìn)采取了分步開挖法、中空大直徑掏槽眼、水壓爆破及微差控制爆破等一系列的減少減振技術(shù)措施，將爆破對既有公路橋梁的振動控制在安全范圍內(nèi)，確保了其結(jié)構(gòu)的安全，取得了預(yù)期效果。

Abstract： In order to ensure the structural safety and operational safety of expressway bridges during the construction of blasting tunnels under railway tunnels passing through expressway bridges， series of measures to reduce vibration are taken for tunnel blasting and excavation， such as， step-by-step excavation method， hollow large-diameter grooved holes， hydraulic blasting and differentials， and so on， to control the vibration of existing road bridges within a safe range， ensure the safety of their structures and achieve the desired results.

關(guān)鍵詞： 鐵路隧道；下穿高速公路；橋梁；爆破減振措施；監(jiān)測振動

Key words： railway tunnel；underpass expressway；bridge；blasting vibration reduction measures；monitoring vibration

中圖分類號：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0124-03

0 引言

當(dāng)新建隧道距離既有公路或是鐵路建（構(gòu)）筑物較近時(shí)，隧道的爆破掘進(jìn)產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動如果不控制在適當(dāng)?shù)陌踩秶鷥?nèi)，無疑會對既有建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響既有建（構(gòu)）筑物的正常安全使用。為了確保既有建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)安全及正常使用，需嚴(yán)格控制新建隧道爆破掘進(jìn)時(shí)的振速。爆破施工，常常由于地質(zhì)條件及巖石產(chǎn)狀的復(fù)雜性，導(dǎo)致爆破振動的控制存在不可預(yù)見的因素，可能在理論分析上能夠有效控制振動了，但實(shí)際振動卻超過允許上限，帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。故在實(shí)際施工中，需采用多種減振控制技術(shù)及運(yùn)用新技術(shù)等綜合措施確保將振速控制在安全范圍內(nèi)。

1 工程概況

新建成都至貴陽鐵路客運(yùn)專線樂山至貴陽段的觀音山隧道中心里程為D3K441+027，隧道全長4296m，觀音山隧道于D3K412+860～+890段下穿黔西至大方高速公路菁門大橋，隧道與菁門大橋5號墩、6號墩的樁基凈間距僅分別為6.63m、7.14m，如圖1所示。

因下穿既有高速公路橋梁段的圍巖為石灰?guī)r質(zhì)，巖體完整性較好，巖質(zhì)堅(jiān)硬，無法采用無振動的人工及機(jī)械開挖，只有在能夠確保菁門大橋結(jié)構(gòu)安全的前提下，實(shí)施爆破掘進(jìn)。

如何進(jìn)行爆破振動的有效控制，使振速處于安全范圍內(nèi)，確保既有公路橋梁結(jié)構(gòu)安全及行車安全為觀音山隧道施工的技術(shù)難點(diǎn)。

2 危險(xiǎn)源辨識和危害程度分析

為了確保鄰近的公路橋梁結(jié)構(gòu)安全，需運(yùn)用控制爆破技術(shù)，將爆破影響范圍內(nèi)的菁門大橋樁基的爆破質(zhì)點(diǎn)速度控制在符合安全允許標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，故在控制爆破設(shè)計(jì)時(shí)需合理確定菁門大橋的安全爆破質(zhì)點(diǎn)速度，在觀音山隧道的設(shè)計(jì)說明中，要求既有公路橋梁爆破振動的安全允許振動速度控制在15cm/s。查閱《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014），當(dāng)保護(hù)對象為交通隧道（本項(xiàng)目參考交通隧道進(jìn)行取值）時(shí)，其爆破振動的安全允許振動速度不得超過10～20cm/s，出于保守的安全考慮，取下限值，按10cm/s控制。

進(jìn)一步考慮到既有公路橋梁通行繁忙，長時(shí)間的爆破強(qiáng)振即使不會引起結(jié)構(gòu)破壞，但會造成樁基周邊巖體松馳，基巖變形，可能會使橋梁樁基在以后的長期運(yùn)營使用過程中逐漸出偏移傾斜的現(xiàn)象，故本項(xiàng)目將爆破振動的安全允許振動速度按8cm/s控制。

3 對既有公路橋梁情況進(jìn)行隱患排查，風(fēng)險(xiǎn)評估及狀況監(jiān)測

為了確保既有菁門大橋在鐵路隧道爆破掘進(jìn)時(shí)的強(qiáng)烈振動引起結(jié)構(gòu)破壞或是其它損壞問題，在施工前，項(xiàng)目部組織了有業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及公路運(yùn)營管理單位代表聯(lián)合檢查組，對公路菁門大橋目前的狀況，結(jié)構(gòu)方面存在的質(zhì)量問題進(jìn)行調(diào)查、勘察。對爆破掘進(jìn)時(shí)菁門大橋的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估，針對可能存在的問題制訂處理措施。同時(shí)，做好質(zhì)量及安全風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急預(yù)案。

調(diào)查結(jié)果表明，橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土表面密實(shí)平整，無明顯可見的施工質(zhì)量或是其它缺陷問題，外部沒有損傷部位。橋面鋪裝平整，欄桿及伸縮縫完整，鋪面鋪裝及欄桿等沒見有不均勻沉降產(chǎn)生裂縫等病害。經(jīng)過橋墩標(biāo)高和垂直度進(jìn)行測量，與竣工資料所列數(shù)據(jù)一致，無竣工后偏移及沉降。經(jīng)對菁門大橋整體進(jìn)行安全評估，表明其整體狀況良好，無需特殊處理之處。

4 隧道爆破設(shè)計(jì)

4.1 圍巖開挖方案

爆破掘進(jìn)所使用的雷管為豪秒延期雷管，炸藥為2號巖石乳化炸藥，爆破設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則為少裝藥，多鉆孔，短進(jìn)尺，斷面分塊，起爆分段，降低爆破振動，且同時(shí)要考慮施工進(jìn)度，提高掘進(jìn)效率的原則。

在確保施工進(jìn)度的前提下，與菁門大橋交叉段的隧道爆破掘進(jìn)采取三步開挖法（如圖2所示），即將隧道斷面分成3塊進(jìn)行分步開挖。為了確實(shí)能夠保證菁門大橋的運(yùn)營安全，在臨近與菁門大橋交叉段前進(jìn)行試驗(yàn)段的爆破掘進(jìn)。在不同爆破設(shè)計(jì)情況下進(jìn)行爆破試驗(yàn)，對爆破振動進(jìn)行監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，根據(jù)振動監(jiān)測結(jié)果對爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷調(diào)整及優(yōu)化，以最終確定采用的爆破工藝、爆破參數(shù)及起爆方法。

4.2 炮眼及裝藥量設(shè)計(jì)

隧道下斷面分作兩部分爆破掘進(jìn)，上半斷面作為一個(gè)整體一次起爆掘進(jìn)。最先起爆的部分為下斷面①步。①步每循環(huán)進(jìn)尺為1.0m。掏槽眼之外的掘進(jìn)眼炮孔排距70m，炮眼間距為85cm，單孔裝藥量為0.47g。周邊光爆炮眼間距為50cm，單孔裝藥量為0.31kg。

因①步爆破開挖后，為位于其左側(cè)的②步開挖創(chuàng)造了一個(gè)良好的臨空面，減少了②步爆破時(shí)的用藥量，減緩了振動。②步每循環(huán)進(jìn)尺為1.0m。炮眼呈豎向布置，排距80m，炮眼間距為90cm，單孔裝藥量為0.45kg。周邊光爆炮眼間距為50cm，單孔裝藥量為0.31kg。

完成①步、②步的爆破開挖后，為隧道上半斷面的③步開挖創(chuàng)造了優(yōu)良的下部臨空面，進(jìn)行③步爆破時(shí)，巖石可從下至上層層蹦落，炮眼呈水平排狀布設(shè)，故其排距及孔距也較①步、②步加大，③步每循環(huán)進(jìn)尺為1.5m。排距加大為90cm，炮眼間距為100cm，單孔裝藥量為0.63kg，周邊光爆炮眼間距為50cm，單孔裝藥量為0.39kg。

4.3 大直徑超前中空眼在掏槽中的運(yùn)用

爆破掘進(jìn)采用楔形掏槽，因?yàn)樘筒垩燮鸨瑫r(shí)僅有掌子面一處臨空面，為了達(dá)到掏槽的效果，通常裝藥量較大。爆破試驗(yàn)采用常規(guī)的掏槽眼布置方式，振動監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，往往是進(jìn)行掏槽眼起爆時(shí)，監(jiān)測到該次掘進(jìn)的最大振動值。可見，為了控制爆破振動效應(yīng)，需采取措施提高掏槽眼的掏槽效果，減少裝藥量，進(jìn)而降低振動。最初采取了多打空炮眼（炮眼直徑與掘進(jìn)眼相同）的方式，雖然一定程度上具有提高掏槽眼的爆破效果，減少裝藥量的效果，但監(jiān)測到的振動值還是偏高。經(jīng)借鑒其它此類型項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，采取在掏槽眼中部鉆設(shè)一個(gè)大直徑超前中空眼的辦法，中空眼孔徑為110mm，垂直于掌子面鉆進(jìn)，孔深保持不小于3m。

在中空眼四周呈0.7m×0.7m的正方形布置4個(gè)內(nèi)側(cè)掏槽眼，外側(cè)掏槽眼按1m×1m正方形布置，如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在確保掏槽效果的情況下，裝藥量減少了26%，成功將振動速度控制在8cm/s以內(nèi)。

4.4 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

爆破減振的關(guān)鍵在于減少單段齊爆裝藥量，故本項(xiàng)目采用微差控制爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，不僅起到減少單段齊爆裝藥量的作用，降低爆破振動效應(yīng)，確保了菁門大橋的運(yùn)營安全。且微差控制爆破前段爆破為后序爆破提供了臨空面，提高了爆破質(zhì)量。

試驗(yàn)爆破的振動監(jiān)測表明，當(dāng)起爆間隔時(shí)間超過50ms，才能基本確保相鄰兩次爆破的振動不疊加，本項(xiàng)目使用的毫秒雷管1～7段的相鄰段間引爆時(shí)間間隔小于50ms，7段及以后段序的相鄰段間引爆時(shí)間間隔為大于50ms，故本項(xiàng)目在小于7段的毫秒雷管需隔段使用，7段以毫秒雷管在段序足夠的情況下，也盡量隔段使用。

分步開挖法中的①步隔段使用了1～15段序的毫秒雷管，單段齊爆最大裝藥量為第5段的5.64kg；②步使用了隔段使用了1～7段序的毫秒雷管，單段齊爆最大裝藥量為第1、2段的2.7kg；③步使用了隔段使用了1～13段序的毫秒雷管，單段齊爆最大裝藥量為第1段的5.67kg。

為了確保菁門大橋運(yùn)營的安全，采用薩道夫斯基公式計(jì)算爆破設(shè)計(jì)中的最大裝藥量對菁門大橋的振速影響：

V=K（Q1/3/R）a=110×（5.671/3/6.63）2=7.96m/s<8m/s（1）

式中：Q—單段最大裝藥量，本項(xiàng)目微差爆破的最大單段裝藥量為③步的5.67kg；R—爆破點(diǎn)至菁門大橋樁基的垂直距離，為6.63m；K、α—分別為爆破點(diǎn)至菁門大橋之間地形、地質(zhì)系數(shù)和衰減系數(shù)，查表取K=110，α=2。

由計(jì)算結(jié)果可看出，本項(xiàng)目爆破設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的振動估算值小于8m/s安全控制上限，不會對菁門大橋的安全運(yùn)營造成影響，設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)可行。

4.5 應(yīng)用水壓爆破技術(shù)

本項(xiàng)目為了提高爆破質(zhì)量及減振，還使用了水壓爆破技術(shù)，即在炮眼裝藥時(shí)，在炮眼的一定位置裝入設(shè)計(jì)長度的“水袋”，最后用炮泥填塞炮眼口部的爆破工藝，如圖4所示。水壓爆破不僅具有提高爆破炸藥利用率，降低了裝藥量，同時(shí)水袋還具有一定的減振效果，所在能夠?yàn)楸卷?xiàng)目的減振提供良好作用。

水袋為聚乙烯塑料，水袋采用KPS-60塑袋灌裝封口機(jī)灌裝，水袋灌滿后可自動熱融封口，水袋生產(chǎn)如圖5所示。

5 爆破振動速度的監(jiān)測

新建鐵路隧道爆破掘進(jìn)時(shí)引起臨近菁門大橋的橋墩振動，本項(xiàng)目采用DSV振動測試儀、CD-1拾波器及手提電腦組建的振動智能監(jiān)測系統(tǒng)對振動進(jìn)行監(jiān)測。

菁門大橋振動監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在5號墩、6號墩承臺頂部近隧道側(cè)，每次爆破均進(jìn)行振動監(jiān)測，并記錄。

5.1 監(jiān)測內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

當(dāng)鐵路爆破掘進(jìn)掌子面至距菁門大橋50m處，就開始對菁門大橋的振動速度、振動頻率實(shí)施監(jiān)測及反饋，根據(jù)施工要求，將振動速度控制在8cm/s內(nèi)。

實(shí)際振速可通過手提電腦顯示的波形圖和數(shù)據(jù)記錄直接讀出。獲得多組監(jiān)測數(shù)據(jù)后，對振速數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，可較準(zhǔn)確地得出（1）式中系數(shù)K的實(shí)測值，然后采用薩道夫斯基公式進(jìn)行最大裝藥量計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整段最大裝藥量。

5.2 監(jiān)測結(jié)果

對分步法的①、②、③步的全部循環(huán)實(shí)施爆破振動監(jiān)測，監(jiān)測所得的菁門大橋質(zhì)點(diǎn)振動速度最大值為7.7cm/s，為D3K412+863斷面①步爆破時(shí)于6號墩所測得。沒有超過控制值8cm/s，表明本項(xiàng)目的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及采取的減振措施科學(xué)可行，在完成鐵路隧道爆破掘進(jìn)貫通時(shí)較好地保證了菁門大橋的安全。

6 結(jié)束語

通過采取上述綜合施工方法及技術(shù)措施，將菁門大橋的爆破質(zhì)點(diǎn)速度控制在安全要求的8cm/s以下，確保了觀音山隧道爆破掘進(jìn)順利地通過了對高速公路菁門大橋有干擾的地段。

爆破掘進(jìn)期間，菁門大橋未出現(xiàn)任何樁基沉降、墩頂偏移、出現(xiàn)結(jié)構(gòu)砼裂紋及其它影響安全的異常情況，確保了菁門大橋的安全運(yùn)營，為今后同類工程的爆破振動控制提供了技術(shù)參考。

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