城市淺埋隧道正三角形掏槽爆破錯峰降振研究

楊家松

(中鐵二局集團(tuán)有限公司，成都 610000)

城市地下工程爆破振動倍受關(guān)注，對振動的限制十分苛刻，以至于在特定條件下將鉆爆法變更為機(jī)械開挖，雖然這在一定程度上滿足了民眾訴求，可是卻增加了施工的工程成本，甚至可能延誤工期。近幾年來眾多學(xué)者圍繞城市淺埋隧道施工(埋深小于開挖跨度的2.5倍)，研究了爆破過程產(chǎn)生且對環(huán)境敏感的突出問題，取得了豐碩成果。有些研究成果表明，無論什么形式的掏槽，振動最大幅值發(fā)生在掏槽部位的概率最大。歐仙榮[1]、孟小偉[2]、何闖等[3]圍繞隧道采用復(fù)式V型掏槽、孔內(nèi)分段和電子雷管網(wǎng)路，達(dá)到了錯峰降振30%～60%的效果；鄒新寬等[4]基于復(fù)式掏槽的研究，采用非電雷管孔內(nèi)延時，達(dá)到降振至少30%的效果；張志毅等[5]研究了在隧道復(fù)式掏槽中央增加2個空孔，采用高精度雷管9 ms間隔錯峰，實(shí)現(xiàn)了降振。

這些研究都是基于普遍使用的斜孔典型掏槽——水平楔型掏槽為前提，采用先進(jìn)的電子雷管技術(shù)為主的研究成果。同樣，周宜等[6]結(jié)合青島地鐵3#線區(qū)間隧道，采用直孔深0.8 m、孔徑150 mm螺旋形掏槽，使用多段非電雷管結(jié)合孔外延時技術(shù)，成功地將距爆源10.3 m處的振速控制在2 cm/s以內(nèi)；楊家松[7]、劉思峰[8]、王軍濤等[9]、李啟月等[10]，從不同側(cè)面對空直孔掏槽的機(jī)理以及產(chǎn)生振動的原因、減振技術(shù)措施、爆破參數(shù)等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。

歸納前述研究成果發(fā)現(xiàn)，城市淺埋隧道爆破降振的研究在延時網(wǎng)路上，大都側(cè)重于電子雷管或高精雷管的錯峰降振研究，而在掏槽上幾乎多用復(fù)式V型掏槽，掏槽夾角一般未超過55°，在孔內(nèi)分段裝藥上也未超過2 段，同時對分段裝藥在孔內(nèi)布置方式的研究不夠深入，實(shí)現(xiàn)的降振效果也未超過60%，而且在爆破循環(huán)進(jìn)尺上一般也不超過1 m。為此針對未涉及的問題，基于各類研究成果，創(chuàng)新臨空面設(shè)計理念，提出了正三角形掏槽方法，建立精準(zhǔn)的裝藥結(jié)構(gòu)體系和延時網(wǎng)路系統(tǒng)，使用普通非電雷管，在滿足快速施工的條件下，進(jìn)一步開展降低掏槽區(qū)振動關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究。

1 錯峰降振

1.1 降振原理

在隧道掌子面爆破掘進(jìn)過程中，創(chuàng)造臨空面的3～5對上、下平行炮孔(簡稱掏槽孔)的延長線在同一平面上與掌子面構(gòu)成正三角形；同時差分掏槽深度(W)在掏槽孔內(nèi)間隔裝入等份微量炸藥，孔間錯位形成炸藥能量基本均勻分配的裝藥結(jié)構(gòu)體系，并采用普通非電導(dǎo)爆管雷管，滿足各等份炸藥合理延時有序起爆的要求，以形成每列振動波峰值完全獨(dú)立的網(wǎng)路系統(tǒng)，再通過減少同段雷管最大起爆裝藥量，以實(shí)現(xiàn)對最大峰值的有效控制，最終達(dá)到大幅削弱掏槽區(qū)爆破振動的效果。

1.2 主要特點(diǎn)

1)正三角形掏槽無論在什么地質(zhì)條件下，在削弱炮孔夾制作用、創(chuàng)造臨空面上均較其他斜孔掏槽有顯著優(yōu)勢，可獲得較高的炮孔利用率和穩(wěn)定的施工循環(huán)進(jìn)尺。

2)掏槽孔的夾角較固定且為特殊角度(60°)，在計算、分析和控制實(shí)際鉆孔工藝等方面十分方便，而慣用水平楔形掏槽的夾角是變量，變化在30°～70°之間，設(shè)計經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，實(shí)際操作相對復(fù)雜。

3)差分掏槽深度實(shí)現(xiàn)微藥量裝藥，結(jié)合延時錯峰網(wǎng)路，能很好地降低振動速度，打破了傳統(tǒng)的認(rèn)識——掏槽是產(chǎn)生最大振動的源頭。

4)等份炸藥裝藥結(jié)構(gòu)，能量基本均勻分布，槽區(qū)大塊率低，現(xiàn)場操作精準(zhǔn)方便。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 差分掏槽深度(W)

針對隧道斜孔掏槽爆破而言，定義掏槽孔底至掌子面的垂直距離為掏槽深度。隧道或地下工程開挖進(jìn)尺控制是爆破降振的先決條件，在此基礎(chǔ)上再將一次性掏槽深度按比例進(jìn)行支解(即差分)，分散振源能量，就能實(shí)現(xiàn)有效的降振[5]。

當(dāng)設(shè)計炮孔的循環(huán)進(jìn)尺超過1.5 m時，在振動控制嚴(yán)格的敏感地帶，其工藝?yán)щy，幾乎難以實(shí)現(xiàn)降振，但低于0.5 m時又無工程實(shí)際意義(功效低、成本大)。因此，當(dāng)差分掏槽深度W為W1(對應(yīng)小掏槽孔的小掏槽深度)和W2(對應(yīng)大掏槽孔的大掏槽深度)且滿足一定比例時，大、小掏槽孔內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)等份裝藥。即在0.5

圖1 差分掏槽深度Fig.1 Difference-cut depths

2.2 槽區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掏槽區(qū)參數(shù)按下述原則取值，既能獲得良好的掏槽效果，又能保障孔內(nèi)單孔裝藥量適度?？拙W(wǎng)參數(shù)如圖2所示。

圖2 槽區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)Fig.2 Hole network parameters in the cut area

1)掏槽孔層間距h。h=40～70 cm，即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各級圍巖依次對應(yīng)40、50、60、70 cm。

2)槽口高度H。H=120～240 cm。軟巖取較小值，硬巖取較大值。

3)炮孔數(shù)量。硬巖不宜多于5對炮孔，軟巖不宜少于3對炮孔。

4)掏槽區(qū)設(shè)在掌子面中偏下一點(diǎn)，可嚴(yán)格控制振動；槽口底部掏槽孔離隧道底板高度控制在50～70 cm。硬巖取小值，軟巖取大值。

2.3 裝藥量計算

掏槽區(qū)滿足加強(qiáng)松動爆破既是獲得基本進(jìn)尺的前提條件，又是控制爆破振動藥量計算的上限。裝藥量仍然采用經(jīng)典的體積公式計算，但在分別計算大、小掏槽單孔藥量時，V分別由V1、V2代替：

1)掏槽孔的單孔裝藥量(Q單)

(1)

V1=W1h(0.6W1+D)

(2)

V2=Wh(0.6W+d)-V1

(3)

式中：K0=0.7～1.1 kg/m3，經(jīng)驗(yàn)值：軟巖取較小值，硬巖取較大值;V為1對炮孔所承擔(dān)的掏槽體積，m3;V1為1對小掏槽炮孔承擔(dān)的掏槽體積，m3;V2為1對大掏槽炮孔所承擔(dān)的掏槽體積，m3;h為正三角形掏槽孔間距離，m;d為孔底間距，m;Q單為單個掏槽孔炸藥裝藥量，kg。

2)等份炸藥質(zhì)量(Q0)

將V1，V2分別代入式(1)計算后，根據(jù)確定的單孔等份炸藥數(shù)(nj)，計算出Q單0，然后平衡取相同值，即Q0。為了使得掏槽區(qū)各等份炸藥量Q0均相同，其質(zhì)量控制在30 g≤Q0≤150 g(精準(zhǔn)至5 g)。并滿足：

∑nj×Q0≤Q單

(4)

ni×Q0≤Qmax

(5)

(6)

式中：nj為同一炮孔內(nèi)的等份炸藥數(shù)量，且nj=1～3;ni為掏槽區(qū)第i段非電雷管的等份炸藥數(shù)量；R為振源中心距被保護(hù)對象的距離，m;K，α為與地質(zhì)條件相關(guān)的系數(shù)；v為設(shè)計允許振速，cm/s。

2.4 裝藥結(jié)構(gòu)體系

將掏槽孔的裝藥量分成相同的若干等份(即等份炸藥)，并在孔內(nèi)間隔錯位放置，使能量在孔內(nèi)基本上均勻分布，讓每等份炸藥(Q0)爆破巖石體積基本相當(dāng)，同時保證孔內(nèi)的間隔填塞長度(l0)30 cm

圖3 等份裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Equal explosive charging structure

2.5 延時錯峰網(wǎng)路系統(tǒng)

爆破引起的兩列波間隔2.5T0(主振周期)時就完全獨(dú)立，實(shí)踐已得到充分佐證。軟巖主振周期一般在10～30 ms(30～100 Hz)，中硬及以上圍巖一般小于10 ms(大于100 Hz)。延時網(wǎng)路設(shè)計遵循該原則并具備4個條件就能夠達(dá)到完全錯峰，①首段(發(fā))起爆的對稱炮孔數(shù)不得多于3對；②孔內(nèi)由外(掌子面)向內(nèi)(孔底)、孔間由內(nèi)(靠隧道軸線)向外(洞壁側(cè))有序起爆；③掏槽區(qū)先中央再兩側(cè)或依次自首發(fā)掏槽的下方孔、上方孔順序起爆；④允許的同段雷管數(shù)量ni由式(5)和式(6)計算，結(jié)果取小于或等于ni的偶數(shù)。

結(jié)合非電毫秒雷管的延時特點(diǎn)，針對淺埋隧道對振動的限制標(biāo)準(zhǔn)不同，實(shí)際運(yùn)用可分2種情況設(shè)計延時網(wǎng)路。

1)嚴(yán)格控制振動的敏感地帶。當(dāng)埋深介于10～13 m且對振速限制在0.5～1.5 cm/s時，嚴(yán)格限制施工循環(huán)進(jìn)尺使其不超過0.75 m，并根據(jù)地質(zhì)條件的不同，采用不同的爆破網(wǎng)路設(shè)計，軟弱圍巖、中硬及以上圍巖的爆破網(wǎng)路設(shè)計分別如圖4～圖5所示。

注：圖中數(shù)字為非電毫秒雷管段位;h=70 cm圖4 軟弱圍巖爆破網(wǎng)路Fig.4 Blasting network of weak rocks

注：圖中數(shù)字為非電毫秒雷管段位;h=40、50、60 cm圖5 中硬及以上圍巖爆破網(wǎng)路Fig.5 Blasting network of middle hard and harder rocks

2)振動環(huán)境要求較為嚴(yán)格的地帶。當(dāng)埋深介于10～15 m之間且振速不超過2.0 cm/s時，限制施工循環(huán)進(jìn)尺在1.5 m以內(nèi)，并根據(jù)地質(zhì)條件不同，采用不同的爆破網(wǎng)路設(shè)計，軟弱圍巖、中硬及以上圍巖的爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分別如圖6～圖7所示。

注：圖中奇數(shù)及14為非電毫秒雷管段位；h=70 cm圖6 軟弱圍巖網(wǎng)路Fig.6 Network of soft and weak rocks

注：圖中1，3～14為非電毫秒雷管段位圖7 中硬及硬巖網(wǎng)路Fig.7 Network of middle hard and harder rocks

3 工程案例

青島地鐵8#線區(qū)間隧道下穿密集居民區(qū)(磚結(jié)構(gòu)平房)，ZDK39+142-185段隧道埋深12～13 m，地層為中風(fēng)化流紋巖，基巖裂隙水，圍巖Ⅴ級?？刂频孛娲怪闭袼?.5 cm/s。

3.1 方案實(shí)施

1)初支采用格柵，間距0.75 m，臺階法施工。施工循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m，計入炮孔利用率。設(shè)計掏槽深度W=1.6 m，取d=0.2 m，則計算：W1=1.6×0.6=0.96 m、W2=1.6×0.4=0.64 m。掏槽參數(shù)選用如圖6所示。

2)允許的最大裝藥量Qmax、Q單、Q0計算。結(jié)合地質(zhì)情況，依據(jù)回歸資料，取K=320、α=1.9、R=15 m(掏槽中央至地面垂直距離)，并取K0=0.8 kg/m3，代入式(1)～(3)、式(6)，計算結(jié)果如表1～2所示。

表1 最大允許裝藥量

表2 掏槽孔藥量

綜合取Q0=0.1 kg，由式(5)推算得：ni≤Qmax/Q0=0.709/0.1=7，取偶數(shù)，ni=6(低段同段雷管數(shù)量)。

3)控制爆破設(shè)計如圖8所示，各孔裝藥量如表3所示。

圖8 控制爆破設(shè)計Fig.8 Controlled blasting design

表3 正三角形掏槽雷管段位及裝藥量控制

注：炸藥單耗0.67 kg/m3。

4)爆破振速評估。在掏槽中央至地面垂直距離15 m處(拱部正上方)，計算得到可能產(chǎn)生的最大振速為1.5 cm/s。

3.2 方案效果對比

在常規(guī)控制爆破施工期間，振動較大，引起居民上訪。距掏槽區(qū)24.08 m處測得地面質(zhì)點(diǎn)最大振速為5.7 cm/s，距槽區(qū)23 m處附近的振速介于1.2～1.5 cm/s之間，經(jīng)多循環(huán)監(jiān)測統(tǒng)計，最大振速發(fā)生在掏槽區(qū)，而且以首發(fā)炮孔頻率最高(見圖9a～圖9b)。研究成果運(yùn)用后情況發(fā)生了明顯的改善，即最大振動后移至掘進(jìn)孔，而位于掏槽正上方地面最大振速為1.35 cm/s，一般介于0.8～1.35 cm/s之間，位于正前方20.7 m處，垂直振速為0.56 cm/s(見圖9c～圖9d)。

圖9 不同位置處應(yīng)力時程Fig.9 Stress time history at different locations

通過使用正三角形掏槽爆破錯峰降振技術(shù)，爆破振動降低效果十分顯著，平均降幅達(dá)50.3%，最大降幅75%；另一方面，該技術(shù)的使用不僅減少了鉆孔數(shù)量和炸藥消耗量，鉆孔數(shù)量降低了47%，炸藥消耗量降低了35%，而且也改善了爆破效果，幾乎無拒爆現(xiàn)象，碴堆集中、塊度均勻。

4 結(jié)語

1)掏槽設(shè)計60°特殊角度，構(gòu)成正三角形掏槽。既方便爆破參數(shù)的計算又能提供較大的爆破破裂角，減少炮孔夾制，提高掏槽成功率，有利于降低振動以及獲得較大進(jìn)尺等爆破效果。

2)將一次掏槽深度W再按一定比例分成“小抵抗線”，極大地保障了掏槽的成功率，減少了同時起爆的裝藥量，實(shí)現(xiàn)了微藥量爆破，消除了掏槽是產(chǎn)生最大振動的源頭認(rèn)識。

3)采用等份炸藥均勻的裝藥體系，保障了孔內(nèi)裝藥分配基本均勻，又能做到孔間等份藥段相互錯開，從整體上看炸藥能量基本均勻分布在掏槽區(qū)，各等份爆破體積基本相當(dāng)，炸藥能量得到充分利用。

4)孔內(nèi)延時錯峰網(wǎng)路系統(tǒng)可靠。孔內(nèi)由外(掌子面)向內(nèi)(孔底)、孔間由內(nèi)(靠隧道軸線)向外(洞壁側(cè))有序延時起爆，既減少了低段位同段同時起爆藥量，從本質(zhì)上滿足了降振要求，又能夠使得爆炸應(yīng)力波作用相互疊加，不削弱爆破總體效果。