大斷面軟弱圍巖隧道爆破振動控制試驗研究

危皓 薛江龍 陳宗祥 楊茂杰 廖曉目

1.中交一公局橋隧工程有限公司，長沙 410000；2.中南大學資源與安全工程學院，長沙 410000

隨著技術(shù)設備的不斷發(fā)展，大型機械設備的廣泛使用在提高隧道掘進速度方面起到重要作用。大斷面爆破開挖不僅能夠為隧道大型機械設備的使用提供作業(yè)空間，而且具有工序簡單、對圍巖擾動次數(shù)少、施工效率高等優(yōu)點，廣泛應用于隧道開挖中［1-2］。但是在軟弱圍巖隧道中，大斷面爆破的開挖方式因其單次爆破時炸藥用量大，產(chǎn)生的爆破振動對圍巖的擾動大［3］，危害到圍巖穩(wěn)固性及支護效果。因此，研究在軟弱圍巖隧道大斷面爆破中如何降低爆破振動所致的圍巖損傷具有重要的工程實踐意義。

眾多學者針對在軟弱圍巖隧道中如何降低爆破振動帶來的危害展開了一系列研究。方寧等［4］在隧道施工中分別研究了單層、雙層預裂爆破方案控制爆破振動效果，并得出雙層預裂爆破對振動傳播規(guī)律的影響。錢正富等［5］通過討論爆破振動強度與掏槽眼單孔裝藥量、導爆管段數(shù)等之間的相互關(guān)系，指導現(xiàn)場爆破施工。孫崔源、薛里等［6-7］研究了數(shù)碼電子雷管爆破降振效果，得出采用數(shù)碼電子雷管起爆能夠有效降低爆破振動。姚洪瑞［8］提出了采用短進尺的淺孔弱爆破方案來降低軟巖隧道爆破施工對圍巖造成的擾動，提高圍巖穩(wěn)定性，從而保證施工安全性。汪海波、宗琦等［9-10］在分析松軟巖石的爆破破壞特征的基礎(chǔ)上，建立了軟巖巷道掘進時光爆參數(shù)的理論計算結(jié)構(gòu)模型，從爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等方面提出降低煤礦軟巖巷道爆破掘進振動效應的措施。劉朝陽［11］設計了微臺階精細爆破的施工方案，并在坪田隧道工程中進行了應用。袁紅所等［12］采用掏槽式光面爆破技術(shù)，在V 級圍巖爆破施工中采用低密度、低爆速乳化炸藥，有效地減少了爆破對圍巖的損傷和超挖量。高朋飛等［13］結(jié)合工程實例分析了隧道爆破對軟弱圍巖穩(wěn)定性的影響，并介紹了爆破施工參數(shù)的選取方法。張朝康［14］利用數(shù)值模擬有效解決了軟巖隧洞利用新奧法施工的洞室穩(wěn)定、施工干擾及工期問題。

由以上研究可知，目前尚缺乏針對在軟弱圍巖隧道大斷面爆破施工中爆破振動控制的研究。本文以新疆東天山特長隧道左洞為工程背景對隧道軟弱圍巖區(qū)段進行爆破振動實時監(jiān)測，得到該區(qū)段爆破振動衰減規(guī)律，通過優(yōu)化炮孔裝藥量、起爆順序設計預裂+光面綜合爆破方案，最后通過分析爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)論證該爆破方案的減振效果。

1 工程概況

新疆東天山特長隧道主洞為雙洞分離式隧道，單洞設計總長11 780 m，開挖斷面積達91.7 m2，為大斷面隧道。隧道左洞軟弱圍巖段處于F3斷層影響帶，圍巖以糜棱巖、斷層角礫巖、中風化及微風化凝灰質(zhì)砂巖為主，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)評價為Ⅴ級圍巖。圍巖自穩(wěn)性較差，易發(fā)生塑性變形，成洞困難。

考慮到掌子面穩(wěn)定性較差，須要對圍巖進行超前支護（圖1），在拱頂120°范圍內(nèi)布置超前小導管，環(huán)向間距0.4 m，縱向排距2.4 m，搭接長度不小于2.0 m，外插角6°～10°。隧道左洞軟弱圍巖段采用大斷面爆破開挖方案，整個斷面分為上下兩臺階開挖，見圖2。

圖1 隧道主洞超前支護輪廓

圖2 大斷面爆破開挖斷面分布

2 大斷面爆破方案優(yōu)化及振動監(jiān)測布置

2.1 預裂+光面綜合爆破方案

為降低爆破振動對圍巖的損傷，在原大斷面爆破方案基礎(chǔ)上引入預裂爆破技術(shù)，即在拱腰處采用預裂爆破，在拱頂處采用光面爆破，炮孔布置如圖3 所示。預裂孔起爆段位為MS1，起爆后在主爆區(qū)和保護區(qū)之間形成一條具有一定寬度和深度的預裂縫，以阻斷后續(xù)主爆孔爆破所產(chǎn)生的爆炸應力波，從而減少和阻隔爆破振動對保護區(qū)巖體的破壞，同時切斷主爆區(qū)伸向保護區(qū)的裂縫，維持保護區(qū)巖體的完整性［15］。

圖3 預裂+光面爆破方案炮孔布置（單位：m）

由于圍巖較為軟弱，若在拱頂采用預裂爆破，起爆時僅有一個臨空面，爆炸產(chǎn)生的能量很大一部分將被傳至保護區(qū)巖體，拱頂由于其受力結(jié)構(gòu)及自重的作用易塌陷；拱頂段弧度較大，不易形成預裂縫，因此拱頂部分不宜采用預裂爆破。該爆破方案參數(shù)見表1。

表1 預裂+光面綜合爆破方案參數(shù)

光爆孔與預裂孔均采用空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，預裂孔起爆時僅有一個臨空面，所受夾置性強，因此較光爆孔需要增加約30%的裝藥量，才能得到預期的效果。同時由于軟巖波阻抗較低，爆生氣體在破壞巖石過程中起到主要作用，因此所有炮眼必須堵塞。

2.2 爆破振動監(jiān)測

本工程的爆破振動監(jiān)測設備采用NUBOX-8016智能測振儀，通道數(shù)為3，振動速度測量范圍0.004 7 ～35.000 0 cm∕s，信號頻率范圍0.5～800.0 Hz。該測振儀集智能采集、數(shù)字化處理、儲存、無線傳輸?shù)裙δ苡谝惑w，可同時測量爆破振動速度的垂直分量、水平徑向分量和水平切向分量。

大斷面爆破施工中上斷面爆破炸藥用量比下斷面多，隧道圍巖主要受到上斷面爆破時所產(chǎn)生的爆破振動影響，因此本次試驗對上斷面爆破進行監(jiān)測。測振儀布置在距上斷面10～120 m 范圍內(nèi)，并將測振傳感器固定在高于地面40 cm 的隧道圍巖側(cè)壁上。現(xiàn)場測振儀器布置如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場儀器布置（單位：m）

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 軟巖隧道爆破振動衰減規(guī)律

為研究隧道爆破振動控制效果，在原大斷面爆破方案施工時進行爆破振動監(jiān)測，結(jié)果見表2。

表2 爆破參數(shù)和振動速度監(jiān)測結(jié)果

參考GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》及相關(guān)研究成果，采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式［16］對表2 中爆破振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，并做出爆破振動速度與R∕Q1∕3的關(guān)系曲線（圖5），得到爆破振動傳播與衰減規(guī)律。在應用已經(jīng)得到的經(jīng)驗公式的過程中，針對爆破形式和局部場地條件的改變，必須對衰減公式做出適當?shù)男拚云趯Ρ普駝幼鞒鱿鄬蚀_的預報［17］。

圖5 爆破振動速度與比例距離的關(guān)系曲線

爆破振動衰減公式為

式中：K為場地系數(shù)；α為衰減系數(shù)。

振動速度垂向和水平徑向的回歸曲線分別為

3.2 優(yōu)化方案減振效果分析

對預裂+光面綜合爆破方案施工時的爆破振動進行實時監(jiān)測，得到垂向振動速度波形，并與相同條件下原爆破方案施工時測得的垂向振動速度波形進行對比，如圖6所示。

圖6 兩種爆破方案垂向振動速度波形

由圖6 可知：①兩次爆破各段間的延遲時間能夠?qū)c其雷管段別延遲時間相吻合。②預裂孔裝藥量比掏槽孔裝藥量少得多，但其爆破時質(zhì)點振動速度峰值與掏槽孔相差不大，這表明預裂孔爆破會產(chǎn)生較大的爆破振動。③兩次爆破中掏槽孔、輔助孔1、輔助孔2 炮孔布置及裝藥量相同，且測點到掌子面的距離也相同，但在兩次爆破中質(zhì)點振動速度峰值相差很大，見圖7，這說明預裂縫對主爆區(qū)爆破的減振效果較為明顯，其中掏槽孔爆破所產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度峰值降低36.95%。④隨著雷管段別的增大，多孔同段爆破時振動波段逐漸分散，主要是由于高段別雷管延時較長且同段雷管具有個體差異性，因此安排高段位雷管能適當減小其產(chǎn)生的爆破振動峰值。

圖7 兩種爆破方案主爆區(qū)巖石質(zhì)點振動速度峰值

本次試驗共進行7次預裂+光面綜合爆破，單段最大裝藥量均為33.6 kg。測出在同等條件下原爆破方案巖石質(zhì)點振動速度峰值，與優(yōu)化后的爆破試驗中測得的巖石質(zhì)點振動速度峰值進行比較，見表3。可知，采用預裂+光面綜合爆破的方案比原爆破方案的質(zhì)點振動速度峰值平均降低了31.15%。同時，可以看出距離掌子面越近，減振效果越明顯。

表3 爆破方案優(yōu)化前后質(zhì)點振動速度峰值

3.3 圍巖損傷分析

經(jīng)過多次爆破試驗，結(jié)果表明在軟弱圍巖隧道爆破施工中，預裂+光面綜合爆破方案對圍巖的損傷比原光面爆破方案小。根據(jù)原光面爆破方案施工后掌子面的情況，采用原爆破方案超挖現(xiàn)象嚴重，開挖輪廓線控制較差，提前打入巖石內(nèi)部的超前小導管被炸變形，并且開挖進尺控制較差，循環(huán)進尺3.2 m，設計進尺為2.4 m，超出0.8 m。根據(jù)預裂+光面綜合爆破方案施工后掌子面的情況，超前小導管未露出，開挖進尺控制較好，超挖最大區(qū)域0.15 m，循環(huán)進尺2.6 m，僅超過設計進尺0.2 m。

經(jīng)過多次試驗，并分別統(tǒng)計了7 次循環(huán)的線性超挖量和進尺超挖量，見圖8。可知，光面爆破超挖普遍都在0.5 m 以上，超挖量過大，會造成圍巖穩(wěn)固性差，注漿量增多，工序耗時長等一系列問題。光面+預裂爆破方案能夠?qū)⒊诳刂圃?0 cm 以內(nèi)，并具有較好的控制循環(huán)進尺效果。綜上，說明該爆破方案在控制爆破線性超挖量以及控制循環(huán)進尺方面比原光面爆破方案效果好。

圖8 兩種爆破方案線性超挖與進尺超挖

4 結(jié)論

1）根據(jù)隧道現(xiàn)場振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過回歸分析得出了適用于該隧道軟弱圍巖區(qū)段爆破振動的薩道夫斯基經(jīng)驗公式，通過該公式可在爆破施工前預測出爆破振動速度峰值。

2）針對軟弱圍巖隧道大斷面爆破施工中爆破振動危害大的現(xiàn)象，采用預裂+光面綜合爆破方案能夠有效降低爆破對軟弱圍巖的擾動，爆破振動速度峰值較原爆破方案平均降低31.15%，其中對掏槽孔爆破降振效果最為明顯。距離掌子面越近，該爆破方案減振效果越好。

3）優(yōu)化后的預裂+光面綜合爆破方案效果良好，超前小導管及以上圍巖保存完好，開挖輪廓線控制較好，超挖現(xiàn)象得到有效控制，開挖進尺符合設計要求。