小凈距隧道全斷面擴(kuò)挖爆破振動(dòng)影響分析

崔文鎮(zhèn)

（中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司 陜西西安 710032）

1 引言

伴隨我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸能力已不能滿足日益增長的需求。出于最優(yōu)選線、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保考慮，在原有路網(wǎng)基礎(chǔ)上通過鄰近既有線增建工程或?qū)扔芯€采取擴(kuò)能改造成為首選方案。改擴(kuò)建工程既要考慮拆除原結(jié)構(gòu)支護(hù)措施，又要考慮改擴(kuò)建時(shí)爆破作業(yè)對圍巖及鄰近隧道結(jié)構(gòu)的再次擾動(dòng)。田世雄等［1］采用動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)研究了應(yīng)變與振動(dòng)速度之間的關(guān)系；李秀地等［2］采用強(qiáng)度折減法研究了地震波對沉管隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響；宗琦［3］等采用HHT分析法研究了爆破振動(dòng)波的能量分布；劉冬等［4］采用完全重啟動(dòng)數(shù)值方法獲得了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和衰減關(guān)系；張新波［5］通過實(shí)際工程案例進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對薩道夫斯基公式在小間距隧道振速應(yīng)用進(jìn)行修正；黃倫海等［6］采用相似模擬和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法總結(jié)了擴(kuò)建隧道施工的圍巖變形、應(yīng)力變化規(guī)律；吳忠仕［7］通過現(xiàn)場測試與三維數(shù)值模擬的手段對既有襯砌在爆破荷載作用下的振速峰值和應(yīng)力進(jìn)行分析；李軍等［8］采用ANSYS/LS-DYNA非線性動(dòng)力分析軟件研究近距離隧道施工，提出了合理的爆破參數(shù)；韓高升［9］依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件優(yōu)化爆破方案，通過監(jiān)控振動(dòng)閾值保證了結(jié)構(gòu)安全。目前主要是通過分部爆破作業(yè)或?qū)扔兴淼老冗M(jìn)行預(yù)加固再擴(kuò)挖等措施實(shí)現(xiàn)減小爆破振速、保證圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，但對施工效率和運(yùn)營產(chǎn)生一定的影響。本文對爆破振動(dòng)引起既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，利用既有鐵路運(yùn)營間隙時(shí)間，充分發(fā)揮精確延時(shí)錯(cuò)峰減振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小凈距既有隧道Ⅲ級圍巖全斷面法擴(kuò)挖，安全高效地完成施工任務(wù)，對今后類似隧道擴(kuò)挖提供一定借鑒和參考。

2 工程概況與難點(diǎn)分析

2.1 工程背景

新郁山隧道是涪秀二線鐵路工程鋪架線路控制性工程，全長7 248 m，與既有郁山隧道并行，線間距40～50 m。進(jìn)口端在兩隧道之間設(shè)置既有平導(dǎo)，與新建隧道線間距30 m，與既有隧道線間距12～20 m，全長1 860 m，位置關(guān)系見圖1。既有平導(dǎo)為有軌運(yùn)輸小道斷面，凈空尺寸為3.0 m（寬）×3.26 m（高）。增建二線后，為滿足排水及防災(zāi)救援通道功能，需將既有平導(dǎo)擴(kuò)挖，凈空尺寸增加至5 m×6 m。其中平導(dǎo)Ⅲ級圍巖占82%，Ⅳ級圍巖占1%，Ⅴ級圍巖占17%。既有平導(dǎo)擴(kuò)挖先行施工，隨后開展新郁山隧道開挖施工。

圖1 新建隧道及擴(kuò)挖平導(dǎo)與既有隧道位置關(guān)系

2.2 工程難點(diǎn)分析

（1）小間距并行擴(kuò)挖爆破作業(yè)環(huán)境復(fù)雜

平導(dǎo)擴(kuò)挖后與既有隧道最小凈間距僅5.69 m，如采用非爆開挖，受巖質(zhì)堅(jiān)硬、作業(yè)空間小等因素限制，功效非常低，無法滿足鋪架工期要求。平導(dǎo)擴(kuò)挖采用鉆爆法作業(yè)，將不可避免地對既有隧道的圍巖穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全造成極大影響，同時(shí)新郁山隧道后續(xù)開挖時(shí)對平導(dǎo)、既有線隧道再次產(chǎn)生擾動(dòng)。為防止爆破振動(dòng)多次疊加誘發(fā)安全隱患，降低爆破作業(yè)對圍巖、結(jié)構(gòu)及既有線運(yùn)營產(chǎn)生的不良影響，對擴(kuò)挖平導(dǎo)占比最多的Ⅲ級圍巖段落采用全斷面法一次爆破到位，給爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和爆破振動(dòng)速度控制提出了嚴(yán)格要求。

（2）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

（3）工程主體病害復(fù)雜

既有郁山隧道于2013年12月28日運(yùn)營通車，平導(dǎo)洞身通過地段大部分為水平巖層，且溶洞較多；設(shè)計(jì)82%段落為錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)，個(gè)別地段已出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象；部分襯砌段落邊墻砼多處開裂，局部外鼓嚴(yán)重。運(yùn)營郁山隧道正洞襯砌總體情況良好，不同程度有不規(guī)則裂紋、襯砌接頭處有混凝土剝離脫落現(xiàn)象以及郁山隧道施工中塌腔及二襯背后空洞處理遺留病害等，爆破施工產(chǎn)生振動(dòng)及沖擊后是否發(fā)生安全事故或是否會(huì)危及既有隧道安全甚至出現(xiàn)災(zāi)難性后果，均不得而知。

3 平導(dǎo)擴(kuò)挖控制爆破施工方案

（1）設(shè)計(jì)原則

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722－2014）規(guī)定交通隧道安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)為10～20 cm/s，同時(shí)考慮既有隧道存在施工處理或病害地段，以及既有隧道內(nèi)電力設(shè)備安全，為確保運(yùn)營安全，爆破振速嚴(yán)格控制在2.5 cm/s范圍內(nèi)。以薩道夫斯基公式為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)研究表明，隧道掘進(jìn)爆破，最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在掏槽孔，振動(dòng)衰減參數(shù)K值隨著段數(shù)的增加逐漸減少，α值基本保持不變［10］。而本方案為擴(kuò)挖控制爆破，基本可以忽略掏槽孔爆破時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)效應(yīng)。通過利用已有臨空面的優(yōu)勢條件，選用低猛度、低爆速炸藥，減少單響爆破炸藥用量，非電導(dǎo)爆管雷管毫秒延遲起爆，以及不耦合空氣柱間斷裝藥，充分發(fā)揮精確延時(shí)錯(cuò)峰減振技術(shù)，降低爆破振速。

（2）施工方案

平導(dǎo)Ⅲ級圍巖爆破參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 平導(dǎo)Ⅲ級圍巖擴(kuò)挖爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破作業(yè)面上共布置65個(gè)炮孔，其中輔助眼33個(gè)、周邊眼 32 個(gè)。雷管分別采用 3、5、9、13、17段，孔內(nèi)微差延時(shí)爆破，總裝藥量64.6 kg，單孔最大裝藥量1.5 kg，單響藥量為3.0～16.5 kg。最小藥量的先起爆，隨臨空面逐步加大，起爆藥量適度增加。炮孔布置與起爆網(wǎng)路見圖2。

圖2 平導(dǎo)擴(kuò)挖爆破施工設(shè)計(jì)

4 爆破振動(dòng)測試方案分析

4.1 振動(dòng)判據(jù)分析

現(xiàn)代工程爆破的觀測和研究表明，振動(dòng)時(shí)間的長短對結(jié)構(gòu)體的破壞有著重要影響。本測試方案中為防止產(chǎn)生地震波疊加，爆破各段的微差時(shí)間一般要求不小于200 ms，同時(shí)考慮到地下構(gòu)筑物的固有頻率較低［11］，為防止產(chǎn)生共振危害，爆破振動(dòng)測試方案選取高頻振動(dòng)為主。

4.2 測試方法與量測系統(tǒng)

（1）測試方法

在實(shí)施過程中，參考爆破振動(dòng)測試方法［12］，將振動(dòng)速度指標(biāo)按照水平橫向、豎直垂向、水平縱向三個(gè)方向分別進(jìn)行測量，并分別分析影響程度。測試爆破振動(dòng)效應(yīng)選用SD-1型振動(dòng)速度傳感器作為拾振器，選用EXP4850型爆破振動(dòng)分析儀記錄各測點(diǎn)的振動(dòng)信號，該儀器具有CH1、CH2、CH3三個(gè)測試通道，分別測試水平縱向X方向（平行隧道邊墻方向）、水平橫向Y方向（垂直隧道邊墻方向）和豎直垂向Z方向（豎直于隧道邊溝蓋板方向），通過RD263串口將采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)輸入電腦軟件進(jìn)行波形判釋與分析。

（2）測試方案

由于既有隧道存在裂縫、空洞及不密實(shí)情況，爆破地震效應(yīng)監(jiān)測時(shí)，監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)盡可能選擇在上述不利位置進(jìn)行測試，同時(shí)為研究爆破振動(dòng)效應(yīng)，確定隧道爆破施工安全范圍或劃定爆破危險(xiǎn)區(qū)域，需在爆破振動(dòng)效應(yīng)較大的區(qū)域內(nèi)布設(shè)測點(diǎn)，以便分析爆破振動(dòng)強(qiáng)度隨爆心距離變化的規(guī)律［13］。

在擴(kuò)挖爆破里程對應(yīng)既有隧道相同斷面處，將爆破振速傳感器布設(shè)在老隧道靠近爆破側(cè)邊墻水溝上，并前后每隔10 m布設(shè)2組監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測范圍40 m。在同一測點(diǎn)布設(shè)傳感器可測量豎直垂向、水平橫向和水平縱向三個(gè)方向速度，傳感器采用石膏粘接牢固。測點(diǎn)布置見圖3，實(shí)測現(xiàn)場見圖4。

圖3 X、Y、Z方向測點(diǎn)布設(shè)位置

5 爆破效果及測試結(jié)果與分析

5.1 爆破效果

按確定的爆破方案進(jìn)行施工，經(jīng)測試爆破振速控制在2.5 cm/s以內(nèi)，爆破振動(dòng)對周邊圍巖產(chǎn)生的影響較小，既有隧道襯砌裂紋無發(fā)展，振速可控，光爆效果較好，平導(dǎo)擴(kuò)挖得以順利實(shí)施，新老隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。

5.2 爆破振動(dòng)測試結(jié)果及分析

5.2.1 測試結(jié)果

結(jié)合爆破振動(dòng)理論，通過現(xiàn)場采集x、y和z方向每段波形數(shù)據(jù)見表2，典型波形見圖5～圖7，振動(dòng)波形經(jīng)處理獲得的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表3。

表2 ZDK258+503斷面爆破振速時(shí)程曲線要素

圖5 X方向爆破振速時(shí)程曲線（CH1通道）

圖6 Y方向爆破振速時(shí)程曲線（CH2通道）

圖7 Z方向爆破振速時(shí)程曲線（CH3通道）

表3 邊墻底部爆破振速統(tǒng)計(jì)

5.2.2 測試結(jié)果分析

（1）從采集數(shù)據(jù)的圖表中可以看出，爆破振動(dòng)總時(shí)長約0.5 s，3個(gè)矢量爆破振速時(shí)程曲線圖中分別有5個(gè)明顯波段，反映了不同段位炸藥爆破時(shí)對應(yīng)的振動(dòng)速度。

（2）由于爆破方案利用了擴(kuò)挖平導(dǎo)已有臨空面的條件，為降低爆破振動(dòng)的影響，爆破設(shè)計(jì)中沒有考慮掏槽眼，將最先起爆的輔助眼藥量設(shè)置為最少，因此最大振動(dòng)速度沒有出現(xiàn)在爆破開始階段，而是出現(xiàn)在單響爆破藥量最大階段。

（3）X、Y、Z 3個(gè)矢量最大振動(dòng)速度并沒有出現(xiàn)在同一時(shí)刻，測試斷面顯示X方向振速最大值出現(xiàn)在0.088 4 s，Y方向振速最大值出現(xiàn)在0.104 2 s，Z方向振速最大值出現(xiàn)在0.411 0 s。因此在計(jì)算合矢量時(shí)不能將3個(gè)分矢量進(jìn)行簡單相加，而是要結(jié)合振動(dòng)速度時(shí)程曲線圖中峰值時(shí)點(diǎn)進(jìn)行合成計(jì)算。

（4）由采集數(shù)據(jù)可知，在水平距離爆區(qū)較近的測點(diǎn)位置垂直隧道邊墻的Y方向質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度明顯高于平行隧道邊墻的X方向和豎直于隧道邊溝蓋板的Z方向峰值振動(dòng)速度，但個(gè)別出現(xiàn)Z向峰值振動(dòng)速度與Y向峰值振動(dòng)速度接近或更大的現(xiàn)象。因此在主要控制Y方向振動(dòng)速度的同時(shí)，不可忽略Z方向的振動(dòng)速度影響因素。

（5）通過采集數(shù)據(jù)顯示，爆破最大振動(dòng)速度峰值為Y方向2.39 cm/s，小于爆破振速要求2.5 cm/s，爆破方案對圍巖和既有結(jié)構(gòu)安全可控。

6 結(jié)論

（1）在小凈距并行既有線隧道擴(kuò)挖控制爆破施工中，充分利用既有臨空面，發(fā)揮高精度毫秒延時(shí)雷管點(diǎn)火延時(shí)分散性，減少單響爆破炸藥用量，可以顯著降低爆破振動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)了Ⅲ級圍巖全斷面法爆破振速控制在2.5 cm/s之內(nèi)，達(dá)到了圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營安全、高效施工的目的。

（2）在特殊結(jié)構(gòu)或復(fù)雜病害地段，還可采用預(yù)裂爆破、減振孔、間隔裝藥結(jié)構(gòu)緩沖爆破法等其他有效減振措施。

（3）可進(jìn)一步深入研究精準(zhǔn)延時(shí)爆破錯(cuò)峰減振并努力實(shí)現(xiàn)波峰與波谷疊加形成干擾降振技術(shù)。