隧道開(kāi)挖爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)探析

郭小坤，秦文濤，郝 璐，郭軍峰，洪碧武

(西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650000 )

0 引言

隨著公路交通建設(shè)不斷擴(kuò)大，在我國(guó)西北山區(qū)、丘陵地帶新建了大批公路工程項(xiàng)目。復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，對(duì)山區(qū)公路隧道的爆破施提出了更高的要求[1]。作為隧道爆破的一種重要施工手段，鉆爆法的爆破質(zhì)量直接影響到隧道圍巖和初期支護(hù)的穩(wěn)定性，尤其是在淺埋隧道施工中，爆破過(guò)程行程單震動(dòng)沖擊波往往導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[2-4]。因此，針對(duì)爆破過(guò)程中隧道的穩(wěn)定性、隧道掘進(jìn)跑破開(kāi)挖等技術(shù)的研究一直是急需解決的問(wèn)題。目前，針對(duì)隧道爆破震動(dòng)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究主要有力學(xué)分析法[5 ]、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法[6-8]、數(shù)值分析法[9 ]、經(jīng)驗(yàn)公式法[10-11]等。如國(guó)內(nèi)外采用模型試驗(yàn)針對(duì)大型公路工程項(xiàng)目爆破施工階段穩(wěn)定性進(jìn)行處理，在現(xiàn)場(chǎng)爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的擬合，提升對(duì)隧道爆破的安全穩(wěn)定性[12-14]。通過(guò)對(duì)隧道巖體進(jìn)行爆破動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分析爆破對(duì)隧道圍巖錨固的影響，并提出相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)提升隧道穩(wěn)定性等[15]。

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，依托某一隧道工程為對(duì)象，針對(duì)淺埋隧道的特性，從淺埋隧道爆破開(kāi)挖關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)和穩(wěn)定相關(guān)分析，結(jié)合隧道開(kāi)挖監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)行隧道開(kāi)挖爆破參數(shù)優(yōu)化，并提出相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)加護(hù)方案，保證隧道開(kāi)挖爆破的安全性。

1 工程背景

A工程項(xiàng)目為單洞雙車道公路隧道，隧道起點(diǎn)里程K10+215，終點(diǎn)里程K10+833，全長(zhǎng)618 m。隧道進(jìn)口最低高程238.52 m，山脊處最高高程297.21 m，高程差58.7 m。隧道Ⅵ級(jí)圍巖長(zhǎng)395 m，V級(jí)圍巖長(zhǎng)223 m。進(jìn)洞口段表層由厚2.5 m厚亞黏土，下層為強(qiáng)—中等風(fēng)化斜長(zhǎng)淺粒巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，局域成碎塊狀，整體地質(zhì)條件較差。隧道受左右兩側(cè)礦井和山谷地形限制，隧道洞口布置在山坡處，并沿山坡縱向K10+525～K10+833穿越，巖層分布見(jiàn)圖1。隧道出口段K10+727～K10+833表層覆蓋厚度為2.0 m亞黏土，出口段埋深1～10 m，為典型的淺埋隧道。

圖1 隧道洞口段縱斷面圖Fig.1 The longitudinal profile of tunnel opening section

隧道出口段采用上下臺(tái)階法施工。考慮到隧道洞口埋深較淺，擬采用超前小導(dǎo)管支護(hù)，墻部中空注漿錨桿、鋼格柵結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)方式。超前小導(dǎo)管長(zhǎng)3 m，規(guī)格φ42 mm×4 mm，并用鋼筋焊接相連。墻體部分采用長(zhǎng)3.5 m，直徑25 mm的中空注漿錨桿，環(huán)向間距100 cm，噴射25 cm厚C20混凝土。

2 淺埋隧道穩(wěn)定性分析

2.1 隧道開(kāi)挖模型建立

本節(jié)根據(jù)工程隧道出口段淺埋特點(diǎn)，基于MIDAS軟件對(duì)隧道施工過(guò)程的變形、圍巖應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)比較分析淺埋隧道的施工動(dòng)力特性。

選取隧道出口K10+798斷面層建立數(shù)值模型(圖2)。隧道表層為8 m厚的亞黏土，下層為強(qiáng)風(fēng)化斜長(zhǎng)淺粒巖接力裂隙發(fā)育，局部呈碎塊狀，綜合確定該圍巖級(jí)別為V級(jí)圍巖，風(fēng)化嚴(yán)重。隧道拱頂采用φ42 mm×4 mm的超前小導(dǎo)管支護(hù)，環(huán)向間距40 cm，縱向采用鋼筋焊接相連，間距10 cm。墻部采用φ25 mm的中空注漿錨桿，長(zhǎng)3 m，環(huán)向間距100 cm，縱向間距50 cm。噴射厚度20 cm的C20混凝土，并掛φ6鋼筋網(wǎng)。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)Fig.2 Numerical simulation model mesh

考慮到模型的邊界效應(yīng)，在模型兩側(cè)及下部分別取3倍洞徑。模型邊界采用采用滾筒約束，上部為自由面，底部施加豎向約束，兩側(cè)水平約束。建模中將拱頂范圍圍巖加強(qiáng)來(lái)模擬小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)，采用摩爾庫(kù)輪模型作為隧道圍巖結(jié)構(gòu)，并考慮錨桿支護(hù)。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定模型圍巖和支護(hù)材料見(jiàn)表1。隧道圍巖荷載釋放系數(shù)分別取0.5、0.25和0.25[16]。

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Model structural parameter

2.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。圖3為臺(tái)階開(kāi)挖的豎向位移和側(cè)壁收斂位移云圖。隧道上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，拱頂沉降4.8 mm，拱底反彈6.2 mm，圍巖變形相對(duì)較小，淺埋層左側(cè)拱墻向內(nèi)最大收斂1.22 mm，深埋層右側(cè)拱墻向內(nèi)最大收斂1.20 mm，兩者較為接近。

圖3 隧道開(kāi)挖圍巖支護(hù)位移云圖

圖4為隧道上斷面開(kāi)挖完成圍巖第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力云圖。在拱頂形成拉應(yīng)力，并由內(nèi)層擴(kuò)展至地表，形成拉應(yīng)力帶，拱腰和拱頂部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在后拱頂部，最大值為6.5 kPa，該處易形成地表開(kāi)裂，且存在稍許偏壓現(xiàn)象。

圖4 上斷面開(kāi)挖主應(yīng)力云圖Fig.4 Principal stress cloud map of upper section excavation

圖5為隧道下斷面開(kāi)挖后形成的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力云圖?？梢钥闯觯绊斝纬纱笮?.5 kPa的拉應(yīng)力，該階段已完成了上斷面初襯施工作業(yè)，有效降低了拱頂部位的最大拉應(yīng)力。隧道拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，拱腳最大拉應(yīng)力438 kPa，拱頂拉應(yīng)力5.8 kPa。

圖5 下斷面開(kāi)挖主應(yīng)力云圖Fig.5 Principal stress cloud pattern of lower section excavation

2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

采用遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)施工過(guò)程中隧道拱頂沉降、側(cè)壁后連和圍巖高度進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，分別在K10+798斷面拱頂、左右45°拱腰即兩側(cè)位置布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量裝置，獲得圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖6)。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隧道上臺(tái)階開(kāi)挖完成拱頂圍巖壓力、左側(cè)拱腰圍巖壓力、右側(cè)拱腰圍巖壓力分別為567 kPa、509 kPa和626 kPa。對(duì)應(yīng)模擬結(jié)果值分別為495 kPa、489 kPa和501 kPa。

圖6 圍巖應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Stress detection data of surrounding rock

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)比較可見(jiàn)，隧道上斷面開(kāi)挖完成后，左右側(cè)圍巖壓力變化較小。由于地表存在小范圍偏壓，左、右側(cè)拱腰數(shù)據(jù)較為接近，且實(shí)測(cè)值與模擬值較為接近。

3 淺埋隧道爆破開(kāi)挖控制

3.1 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)

隧道出口K10+727～K10+833洞口為一淺埋隧道，如圖7所示隧道出口埋深高度僅有1～10 m，屬于Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖風(fēng)化嚴(yán)重。為保證隧道出口段施工安全性，擬采用超前小導(dǎo)管支護(hù)、墻部中空注漿錨桿、鋼格柵結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)方式。上臺(tái)階采用復(fù)式楔塊掏槽，周邊孔光面爆破，開(kāi)挖高度6.2 m，控制進(jìn)尺在0.75～1.5 m之間。下臺(tái)階采用水平孔拉槽爆破，一次開(kāi)挖高度4.1 m，為降低爆破震動(dòng)的影響，選用3～15 ms段導(dǎo)爆管雷管實(shí)施起爆作業(yè)，控制淺埋段進(jìn)尺在0.75～2.0之間，圖7為隧道掘進(jìn)炮孔布置圖。隧道出口段K10+825～K10+833埋深僅1～3 m，選用明挖法施工并布設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)套拱。

圖7 炮孔布置圖Fig.7 The layout map of blasting hole

在隧道出口淺埋段布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)隧道出口地表、套拱結(jié)構(gòu)、初襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)調(diào)整施工方案對(duì)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)特征，測(cè)點(diǎn)布置在套拱和掌子面上方地表(圖8a)，以及距離出口段一定距離的淺埋段地表(圖8b)。震動(dòng)監(jiān)測(cè)采用TC-4850爆破震動(dòng)記錄儀和傳感器，根據(jù)掌子面和測(cè)點(diǎn)位置來(lái)監(jiān)測(cè)爆破地震波傳播規(guī)律。

隧道出口段(K10+825～K16+833)采用明挖施工并布布設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拱套。為分析爆破地震波對(duì)套拱-圍巖接觸帶的影響，根據(jù)洞口結(jié)構(gòu)縱向布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)形式見(jiàn)圖8a。

圖8 隧道出口段振速測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Layout map of vibration velocity measuring points at tunnel exit section

3.2 爆破震動(dòng)對(duì)鋼混套拱結(jié)構(gòu)影響

掌子面K10+823隧道拱頂距地表3.2 m，距套拱4～5 m，整個(gè)掌子面埋深較淺，上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺1 m，最大單響藥量7 kg，根據(jù)表2中震動(dòng)監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)可以看出，在隧道洞口段開(kāi)挖中，混凝土套拱結(jié)構(gòu)端部受到反射應(yīng)力波影響，相應(yīng)的位置測(cè)點(diǎn)A的振速4.549 cm/s，明顯高于測(cè)點(diǎn)B、C、D位置上的測(cè)點(diǎn)振速，且測(cè)點(diǎn)A、B、C、D四個(gè)測(cè)點(diǎn)振速呈現(xiàn)一個(gè)逐步遞減趨勢(shì)。隨著掌子面與套拱結(jié)構(gòu)距離的增加，套拱結(jié)構(gòu)受爆破震動(dòng)影響作用下降，此時(shí)位于掌子面正上方的測(cè)點(diǎn)E震動(dòng)速度明顯高于其他位置，淺層圍巖受爆破震動(dòng)的影響顯著增大。從監(jiān)測(cè)結(jié)果中可知，在隧道出口開(kāi)挖段，地震波反射應(yīng)力對(duì)套拱結(jié)構(gòu)端部的拉伸破壞比較明顯，同時(shí)，在套拱與圍巖結(jié)合面，套拱圍巖和初襯結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了較大的爆破震動(dòng)。

表2 地表部分測(cè)點(diǎn)及振速數(shù)據(jù)Table 2 List of vibration velocity data at measuring points in the surface

3.3 爆破震動(dòng)對(duì)隧道淺埋段影響

隧道出口淺埋段各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。其中距隧道出口33 m處掌子面K10+800隧道埋深7 m，上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺2 m，最大單響藥量25 kg，獲得地表各測(cè)點(diǎn)垂直向振速(表3)。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度以掌子面正上方為中心，沿隧道縱向地表逐漸下降。圍巖結(jié)構(gòu)在在隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生了較大變化，使得地表震動(dòng)速度遠(yuǎn)大于未開(kāi)挖區(qū)，出現(xiàn)“空洞效應(yīng)”[17]，布置在已開(kāi)挖的掌子面兩側(cè)測(cè)點(diǎn)C的震動(dòng)速度為12.731 cm/s，相較于尚未開(kāi)挖的位置D測(cè)點(diǎn)的震動(dòng)速度8.974 cm/s，增幅明顯。

表3 測(cè)點(diǎn)及振速數(shù)據(jù)Table 3 Measuring points and vibration velocity data

在各類炮孔單響藥量固定情況下，掏槽孔爆破形成的地表震動(dòng)速度幅值是其他類炮孔爆破的2倍，即掏槽孔爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)最強(qiáng)，由于掏槽孔軸線與掌子面間存在一個(gè)夾角，對(duì)巖體爆破產(chǎn)生夾制?；诖?，為控制隧道爆破震動(dòng)，可根據(jù)隧道埋深、圍巖性質(zhì)等對(duì)掏槽孔裝藥量進(jìn)行限制，降低爆破震動(dòng)[18]。

3.4 淺埋隧道爆破震動(dòng)控制

隧道出口段埋深較淺，導(dǎo)致隧道地表和襯砌結(jié)構(gòu)受地震波頻繁震動(dòng)作用，引起隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，結(jié)合施工方案和震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，給出合適的減震措施。

采用合理掏槽結(jié)構(gòu)形式。監(jiān)測(cè)結(jié)果指出，在各類炮孔單響藥量相同情況下，掏槽孔形成的震動(dòng)最顯著，這是由于圍巖夾制作用的影響。因此，可采用復(fù)式楔形掏槽孔結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的大楔形槽結(jié)構(gòu)改為復(fù)式小楔形槽結(jié)構(gòu)，降低槽孔裝藥量，同時(shí)利用前一級(jí)掏槽孔爆破后形成的單空間進(jìn)行后一級(jí)掏槽的爆破，削弱震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)隧道圍巖和襯砌的影響，并提升循環(huán)進(jìn)尺。

利用雷管起爆延時(shí)分散性。采用高段位雷管起爆輔助孔優(yōu)化爆破臨空面，并適當(dāng)增加同段位爆孔數(shù)，降低爆破震動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)于復(fù)雜爆破情況，可利用數(shù)碼電子雷管保證延時(shí)精度，控制爆破震動(dòng)峰值和爆破效率。

爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)和參數(shù)優(yōu)化。對(duì)爆破全過(guò)程進(jìn)行震動(dòng)觀測(cè)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)成形淺埋隧道地表、淺埋洞口段、襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖界線處，并配合地表沉降、拱頂下沉等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整爆破參數(shù)。

4 結(jié)論

1)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果指出，淺埋隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，拱頂部分產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，形成拉應(yīng)力帶，拱腰和拱頂部位產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱腰部位產(chǎn)生最大應(yīng)力，出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱腳及拱腰上方圍巖監(jiān)護(hù)。

2)隧道洞口段開(kāi)挖中，以掌子面正上方為中心，震動(dòng)速度沿隧道縱向地表逐漸下降，掌子面正上方震動(dòng)速度大于掌子面與套拱結(jié)合面處，隨著掌子面與套拱結(jié)構(gòu)距離的增加，振速逐步下降。掏槽孔爆破產(chǎn)生的震動(dòng)效應(yīng)最強(qiáng)，因此需要對(duì)掏槽孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

3)通過(guò)采用復(fù)式小楔形槽結(jié)構(gòu)形式，對(duì)掏槽孔進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，利用同段雷管起爆延時(shí)分散性，控制爆破震動(dòng)峰值和爆破效率，對(duì)隧道開(kāi)挖爆破全過(guò)程進(jìn)行震動(dòng)觀測(cè)來(lái)進(jìn)行淺埋隧道爆破控制，降低爆破作業(yè)對(duì)隧道的影響。