TBM導(dǎo)洞先行大斷面地鐵隧道爆破方案優(yōu)化研究

王萬仁， 王海亮， 肖業(yè)輝， 張 偉

(1.中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100043；2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

在地鐵隧道施工中，以鉆爆法、TBM法、盾構(gòu)法為代表的許多隧道掘進(jìn)方法已得到廣泛應(yīng)用。為了充分發(fā)揮TBM法和鉆爆法的優(yōu)勢，許多專家學(xué)者對“TBM法導(dǎo)洞+擴(kuò)挖”法(即采用TBM法開挖導(dǎo)洞，然后采用鉆爆法擴(kuò)挖的方法)進(jìn)行了深入的研究。國外對TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法已有成功案例并取得了一些經(jīng)驗(yàn)[1]；國內(nèi)雖有研究和設(shè)想，但缺乏現(xiàn)場應(yīng)用和實(shí)際工程案例。由于城市環(huán)境的特殊性以及地質(zhì)條件的復(fù)雜性，地鐵隧道爆破施工開挖難度增大，爆破地震波對周邊建筑設(shè)施的破壞作用也不容忽視，因此，如何降低爆破振動(dòng)效應(yīng)對地鐵隧道開挖工程順利實(shí)施的影響顯得尤為重要[2]。但是，如果采取過于保守的爆破方案，雖然能夠降低振動(dòng)效應(yīng)，保障周邊建筑設(shè)施的安全，卻不能滿足施工進(jìn)度和施工效益的要求。因此，對復(fù)雜環(huán)境下的爆破施工方案進(jìn)行研究，尋求經(jīng)濟(jì)、合理又安全的爆破振動(dòng)控制方法具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義[3]。

1 工程概況及施工問題

1.1 工程概況

青島地鐵1號線貴州路站至西鎮(zhèn)站區(qū)間隧道全長546.9 m。線路出貴州路站后沿臺西五路向北敷設(shè)，下穿大量建筑物后在費(fèi)縣路與鄆城北路交叉口處接入西鎮(zhèn)站。根據(jù)運(yùn)營需要西鎮(zhèn)站站前設(shè)置雙存車線，形成四線大斷面隧道。四線大斷面隧道采用TBM掘進(jìn)后進(jìn)行鉆爆法擴(kuò)挖施工，隧道長344.5 m，最大開挖跨度22.4 m。四線大斷面隧道拱頂埋深16.9～28.7 m，地質(zhì)為微風(fēng)化花崗巖，力學(xué)性質(zhì)好，圍巖等級為Ⅱ～Ⅳ級。

四線大斷面隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，隧道下穿和側(cè)穿大量老式居民樓，其中下穿47棟，共計(jì)1 859戶。樓房多為6～8層，主要為磚混結(jié)構(gòu)。其中，有3棟Csu級建筑，爆破安全允許振速V不超過0.5 cm/s。其余建筑安全性評級為Bsu級，爆破安全允許振速V不超過1.0 cm/s。施工現(xiàn)場周圍受到爆破影響的還有學(xué)校、養(yǎng)老院以及各種地下管線。

1.2 施工問題

由于四線大斷面隧道周邊環(huán)境復(fù)雜、工程工期緊張，在對四線大斷面右線上臺階的爆破施工過程中出現(xiàn)許多亟待解決的問題。

1.2.1 盲炮率高

對16次爆破的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中有13次爆破出現(xiàn)盲炮，盲炮發(fā)生概率為81%。盲炮處理時(shí)間為20～30 min，這嚴(yán)重影響了工程施工進(jìn)度，增加了施工成本。在爆破施工過程中盲炮是十分常見的,是影響爆破安全與爆破效果的主要因素之一。若不能及時(shí)處理盲炮或在處理過程中方法不當(dāng)，很可能造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[4]，因此在爆破施工過程中對盲炮事故的預(yù)防尤為重要。

1.2.2 爆破振動(dòng)速度過大

在爆心距最小的測點(diǎn)附近布置1臺TC-4850爆破振動(dòng)測試儀，對爆破施工進(jìn)行16次振動(dòng)監(jiān)測，監(jiān)測得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。由表1分析可知，其中7組振動(dòng)數(shù)據(jù)超過1.0 cm/s，超過爆破安全允許振速。但是爆破中采用的單段最大藥量過小，可能會(huì)影響掘進(jìn)進(jìn)尺和爆破效果。因此，需要確定一個(gè)合適的單段最大藥量，并且提出爆破優(yōu)化方案以滿足施工進(jìn)度和施工效益的要求。

表1 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)

2 爆破優(yōu)化方案

針對現(xiàn)場爆破施工出現(xiàn)的盲炮率高、振速過大等問題，提出右線上臺階爆破施工的優(yōu)化方案，確定爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)和連接網(wǎng)路。

2.1 右線上臺階爆破參數(shù)

確定炮孔直徑為42 mm，炮孔深度為1.5 m，采用直徑32 mm的2#巖石乳化炸藥，孔內(nèi)采用7～19段共12個(gè)段別的毫秒延期導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行起爆。爆破參數(shù)見表2。TBM掘進(jìn)的先行導(dǎo)洞給爆破開挖創(chuàng)造很好的臨空面，因此不設(shè)計(jì)掏槽眼。由圖1所知，輔助眼單孔單響，單段最大藥量0.45 kg；周邊眼兩孔一響，單段最大藥量0.60 kg。

表2 四線大斷面隧道右線上臺階爆破參數(shù)

圖1 輔助眼和周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥結(jié)構(gòu)采用不耦合、反向連續(xù)裝藥，在炮孔內(nèi)使用長度200 mm的水袋。先在炮孔底部裝水袋，再裝炸藥和雷管，最后依次用水袋和黏土炮泥進(jìn)行填塞。水炮泥的使用可以降低爆破時(shí)的粉塵濃度，提高炸藥爆炸能量利用率，增強(qiáng)爆破效果[5]。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)路如圖2所示。由靠近自由面一側(cè)，輔助眼依次使用7～17段雷管，周邊眼使用19段雷管；孔外采用7段雙雷管進(jìn)行傳爆，提高可靠性。傳爆順序?yàn)樽宰笙轮劣疑稀?/p>

圖2 右線上臺階起爆網(wǎng)路

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測及結(jié)果分析

3.1 測試方法及測點(diǎn)布置

本次爆破振動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)采用6臺成都中科測控TC-4850爆破振動(dòng)測試儀。根據(jù)爆破工程周圍環(huán)境，在磁山路和臺西五路交叉口公交站牌附近布置3個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)2臺儀器，傳感器位置固定不變?，F(xiàn)場儀器的布置如圖3所示。

圖3 爆破振動(dòng)監(jiān)測儀器布置

3.2 測試結(jié)果及分析

設(shè)測點(diǎn)到爆破中心的距離

(1)

式中:x為測點(diǎn)沿垂直隧道軸向方向到工作面的距離(m)；y為測點(diǎn)沿隧道軸向方向到工作面的距離(m)；z為測點(diǎn)距爆破中心的垂直距離(m)。爆破中心與測點(diǎn)的位置見表3。由于測點(diǎn)在隧道軸向方向的上方位置，測點(diǎn)沿垂直隧道軸向方向到工作面的距離x為0。

表3 爆破中心與測點(diǎn)的位置m

為驗(yàn)證爆破開挖方案的合理性與可行性，使用6臺測振儀進(jìn)行6次爆破振動(dòng)監(jiān)測，共得到36組爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。地面各測點(diǎn)的峰值振速V和爆心距R見表4。

表4 地面測點(diǎn)的爆心距R及振速V的實(shí)測數(shù)據(jù)

為提高爆破振動(dòng)預(yù)測的準(zhǔn)確性，利用采集的36組爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用MATLAB擬合薩道夫斯基公式：

(2)

式中：R為爆心距(m)；V為測點(diǎn)振動(dòng)速度(cm/s)；Q為最大單段藥量(kg)；K、α為與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。爆區(qū)不同巖性的K、α值見表5。

表5 爆區(qū)不同巖性的K、α值

由于爆破地點(diǎn)地質(zhì)為微風(fēng)化花崗巖，巖性為堅(jiān)硬巖石，故擬合時(shí)設(shè)定K=50～150，α=1.3 ～1.5。最后，得到爆破地震波衰減系數(shù)K=138.2，α=1.5，從而得到適合四線大斷面爆破條件下的的薩道夫斯基預(yù)測公式：

(3)

由式(3)可知，在地質(zhì)條件相同的情況下，當(dāng)爆心距一定時(shí)，振動(dòng)速度的大小主要取決于最大單段起爆藥量。由于爆破周邊建筑安全性評級均為Bsu級，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)的隧道爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)要求，周邊磚混結(jié)構(gòu)樓房的安全振速不超過1.0 cm/s。測點(diǎn)與爆破中心的直線距離R最小值為27.63 m，最大單段起爆藥量Q為0.6 kg。將R、Q值代入式(3)，得到振動(dòng)速度為0.74 cm/s，符合安全規(guī)程允許的安全振速。不同振動(dòng)速度峰值下的最大單段允許藥量與爆心距的關(guān)系如圖4所示。

圖4 最大單段允許藥量與爆心距的關(guān)系

為保障周邊建筑設(shè)施的安全，在爆破施工之前，將被保護(hù)對象的爆心距代入式(3)進(jìn)行驗(yàn)算，得到的最大單段起爆藥量Q均滿足工程要求。為了驗(yàn)證爆破開挖方案的可靠性，對爆破振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，最后得到實(shí)測振動(dòng)速度峰值與理論計(jì)算值均較小，且兩者誤差均在工程要求允許范圍之內(nèi)。因此，本次爆破開挖方案是合理的，能夠有效控制爆破地震波對周邊建筑設(shè)施的影響，滿足施工進(jìn)度和施工效益的要求。四線大斷面隧道右線上臺階爆破效果如圖5所示。

圖5 四線大斷面右線施工現(xiàn)場

通過爆破振動(dòng)跟蹤監(jiān)測，36組爆破振動(dòng)速度都低于安全允許振動(dòng)速度，盲炮率為0，光面爆破效果良好，超欠挖較少，大塊率較低。在該技術(shù)指導(dǎo)下，爆破施工效果良好，有效的確保了隧道開挖順利通過敏感區(qū)域。因此，本次爆破開挖方案是合理的，能夠有效控制爆破地震波對周邊建筑設(shè)施的影響，滿足施工進(jìn)度和施工效益的要求。

4 隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)

(1)增加爆破自由面。四線大斷面隧道充分利用TBM掘進(jìn)的先行隧道作為爆破開挖的自由面，左右導(dǎo)洞臺階法交錯(cuò)開挖，降低爆破振動(dòng)。

(2)選擇合理的微差爆破間隔時(shí)間。在安全允許的最大單段起爆藥量的范圍內(nèi)，適當(dāng)增加同時(shí)起爆的輔助孔炮孔數(shù)目，減少毫秒延期雷管段別的使用，選擇合理的延期時(shí)間，避免爆破過程中地震波的疊加效應(yīng)。

(3)爆破振動(dòng)速度現(xiàn)場監(jiān)測與爆破參數(shù)優(yōu)化。對隧道周圍地面建(構(gòu))筑物的爆破振動(dòng)速度峰值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果研究爆破地震波傳播衰減規(guī)律，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)和爆破開挖方案，保證隧道周邊建筑物的安全。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)現(xiàn)場周圍環(huán)境和地質(zhì)條件，利用TBM先行導(dǎo)洞作為爆破開挖的自由面。采用分段裝藥、孔外延期并控制單段最大起爆藥量，左右導(dǎo)洞臺階法交錯(cuò)開挖，可以有效降低爆破振動(dòng)。

(2)通過回歸分析，擬合出適合施工現(xiàn)場的爆破地震波衰減系數(shù)K和α值，得到爆破地震波傳播衰減公式，可以有效預(yù)測爆破振動(dòng)速度，指導(dǎo)隧道爆破施工。

(3)現(xiàn)場實(shí)測振動(dòng)速度峰值與理論計(jì)算值均在工程安全允許振速范圍內(nèi)，能較好地指導(dǎo)施工，同時(shí)也驗(yàn)證了爆破開挖方案及爆破參數(shù)的可行性和合理性，能夠有效控制爆破振動(dòng)有害效應(yīng)，保證周邊建筑設(shè)施的安全。