城市軌道交通暗挖隧道錯(cuò)相減震爆破技術(shù)研究

舒文軍 SHU Wen-jun

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030024）

1 工程概況

為驗(yàn)證“單孔單響錯(cuò)相爆破減震施工技術(shù)”的實(shí)際效果，以貴陽市軌道交通S1 線黃河北路站～望城坡站區(qū)間為依托，進(jìn)行錯(cuò)相減震技術(shù)實(shí)驗(yàn)。黃河北路站～望城坡站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂板埋深隨地形起伏變化較大，埋深16～70m 不等，圍巖巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖，全、強(qiáng)風(fēng)化帶厚2～25m，隧道結(jié)構(gòu)處于地下水位以下，洞身全斷面穿越中風(fēng)化巖層中，頂板以上中風(fēng)化帶厚1～55m；中風(fēng)化泥巖夾砂質(zhì)泥巖、頁巖，中風(fēng)化泥巖、砂巖互層，中風(fēng)化砂巖場(chǎng)地內(nèi)分布連續(xù)，地層均勻性相對(duì)較好，穩(wěn)定性好。中風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖于場(chǎng)地內(nèi)后段在洞身段有分布，灰?guī)r、泥巖呈互層狀分布，地層均勻性相對(duì)一般，穩(wěn)定性一般。

區(qū)間隧道線路周邊環(huán)境復(fù)雜，分別下穿市政主干道路、高層鋼筋砼建筑、低矮民房及高填方區(qū)，地面建筑物密集，車流、人流較多，爆破過程中如何在保證地面環(huán)境的安全下，經(jīng)濟(jì)有效的進(jìn)行隧道施工是工程重難點(diǎn)。

2 施工方案

2.1 施工方案

隧道爆破開挖采用淺孔爆破，臺(tái)階法開挖，整體斷面40.84m2。爆破布置掏槽孔、輔助孔、周邊孔。以掏槽孔最先起爆，為其他炮孔增加新的臨空面，輔助孔擴(kuò)大掏槽孔爆出的槽腔，為周邊孔爆破創(chuàng)造有利條件，最后周邊孔起爆控制隧道斷面的成形輪廓。

相比傳統(tǒng)爆破方式，單孔單響錯(cuò)相爆破減震施工技術(shù)在多炮孔起爆時(shí)，通過控制炮孔之間的起爆延時(shí)間隔，使達(dá)到被保護(hù)點(diǎn)的爆炸波主振相錯(cuò)開約半個(gè)周期，使得振波的波峰和波谷相抵消，實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)的降低。

2.2 理論依據(jù)

爆破開挖的最大振動(dòng)速度值決定于單段的最大用藥量，結(jié)合錯(cuò)相減震原理，依托數(shù)碼電子雷管起爆精準(zhǔn)授時(shí)優(yōu)勢(shì)，采取單孔單響爆破，充分解決了單段最大用藥量的影響，再綜合采取臺(tái)階分部開挖、控制爆破進(jìn)尺、增加鉆眼數(shù)量，從而將保護(hù)對(duì)象控制點(diǎn)的爆破振速控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，有效降低爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)目標(biāo)的有害影響。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014、爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊(cè)等相關(guān)規(guī)定要求，進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)，對(duì)地表建筑物爆破振速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)數(shù)據(jù)分析，適時(shí)、動(dòng)態(tài)地調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)，達(dá)到減震目的。

2.3 工藝流程

爆破施工工藝流程：布孔→鉆孔→清孔→裝藥→填塞→聯(lián)網(wǎng)→設(shè)置防護(hù)→警戒→起爆→爆后檢查→解除警戒。

2.3.1 方案設(shè)計(jì)

隧道為馬蹄形結(jié)構(gòu)，斷面整體尺寸為40.84m3，采用臺(tái)階法施工。

2.3.2 炮孔直徑

由于地下水以基巖裂隙水為主，水量較發(fā)育，因此選用二級(jí)巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32mm，長度300mm，每卷質(zhì)量0.3kg。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工常用的鉆孔設(shè)備和選用的藥卷直徑，確定炮孔直徑為42mm。

2.3.3 炮孔數(shù)目

根據(jù)各炮孔平均分配炸藥量的原則計(jì)算，其公式為：

式中，開挖斷面：S=40.84（m2）

單位炸藥消耗量：q=0.85（kg/m3）

裝藥系數(shù)τ 綜合考慮各炮孔選?。害?0.27

乳化炸藥的每米重量：γ=0.88（kg/m）

取98 個(gè)炮孔。

2.3.4 每循環(huán)炮孔深度

按每掘進(jìn)循環(huán)的進(jìn)尺數(shù)來確定炮孔深度，其公式為：

式中，每掘進(jìn)循環(huán)計(jì)劃進(jìn)尺數(shù)：l=1.2（m）

炮孔利用率：η=0.85

代入上式，則每循環(huán)炮孔深度為：

實(shí)際取炮孔深度為1.4m，一般掏槽孔較炮孔深度加深0.2m，則為1.6m。

2.3.5 炮孔布置

①掏槽孔。為保證掏槽效果，上臺(tái)階采用楔形掏槽，下臺(tái)階不設(shè)置掏槽孔。根據(jù)巖石條件和楔形掏槽參數(shù)，在隧道上臺(tái)階斷面的中下部布置8 個(gè)掏槽孔。掏槽孔深為1.6m，比其他孔深0.2m，炮孔傾角68°，炮孔長度為1.73m。

②輔助孔。上臺(tái)階在掏槽孔與隧道輪廓線中間拱頂位置均勻布置一圈輔助孔，輔助孔與周邊孔最小抵抗線為550mm，另外分別在掏槽區(qū)域上部增加3 個(gè)輔助孔，兩側(cè)均勻布置3 排，間距600mm，共布置輔助孔數(shù)目為32 個(gè)。

②周邊孔。周邊孔布置時(shí)，為了控制斷面成型，以上臺(tái)階開挖輪廓向內(nèi)4cm 為界，等間距布置周邊炮孔，共設(shè)置周邊孔17 個(gè)，間距650mm。

下臺(tái)階共布置4 排輔助孔，除第一排間距800mm 外，其余3 排間距均為850mm，排間距1m，共布置炮孔數(shù)目28 個(gè)。

④底板眼。本設(shè)計(jì)共布置13 個(gè)底板眼，孔間距600mm。

炮孔布置圖見圖1。

圖1 炮孔布置圖（單位：mm）

2.3.6 裝藥量計(jì)算

①每循環(huán)裝藥量。

式中，V 為1 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺所爆落的巖石總體積（m3），其值為：

代入上式，則：

②單孔裝藥量。

掏槽孔裝藥系數(shù)τ=0.4，輔助孔裝藥系數(shù)τ=0.3，周邊孔裝藥系數(shù)τ=0.2，單個(gè)炮孔的裝藥量與裝藥卷數(shù)如下：

1）掏槽孔

實(shí)際取2 卷，單孔裝藥量為：

2×0.3 =0.6（kg）

2）輔助孔

實(shí)際取1.5 卷，單孔裝藥量為：

1.5×0.3 =0.45（kg）

3）周邊孔

實(shí)際取1 卷，單孔裝藥量為：

1×0.3 =0.3（kg）

4）底板孔

底板孔裝藥量與輔助孔相當(dāng)，每個(gè)孔裝藥1.5 卷，單孔裝藥量0.45kg。

考慮到下臺(tái)階第一排炮孔（71～79 號(hào)孔）抵抗線較小，可較少裝藥量至0.3kg，則裝藥量Q 合計(jì)為：

此值略大于按體積公式計(jì)算的總裝藥量，但誤差不大，所以按41.4kg 裝填炸藥。爆破參數(shù)表見表1，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 爆破參數(shù)表

表2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

2.3.7 起爆順序

總體起爆順序?yàn)橄壬吓_(tái)階，后下臺(tái)階。上臺(tái)階先起爆掏槽眼，再起爆輔助眼，周邊眼，最后底板眼。

根據(jù)單孔單響錯(cuò)相爆破減震技術(shù)的原理，嚴(yán)格控制單響藥量，降低振動(dòng)效應(yīng)對(duì)建筑物的影響，最大限度的減振，保證建筑物的安全。為了避免爆破地振波的疊加，掏槽孔及輔助孔各段微差時(shí)間控制在13ms 左右，周邊孔各段微差時(shí)間控制在20ms 以上（具體微差時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整）。設(shè)計(jì)時(shí)差的目的是既利用共同作用原理，使爆破效果好，又能使爆破達(dá)到一定干擾降振效果，爆破地振波也不會(huì)產(chǎn)生疊加。

上臺(tái)階：掏槽眼（1#～8#孔）延時(shí)（10ms～101ms）單孔間隔13ms；輔助眼（9#～40#孔）延時(shí)（118ms～611ms）單孔間隔17ms；底板眼（41#～53#孔）延時(shí)（628ms～866ms）單孔間隔17ms；周邊眼（54#～70# 孔）延時(shí)（886ms～1206ms）單孔間隔20ms。

下臺(tái)階：輔助眼(71#～98# 孔）延時(shí)（1226ms～1766ms）單孔間隔20ms。

爆破延時(shí)參數(shù)表見表3。

表3 爆破延時(shí)參數(shù)表

3 爆破效果

為保證隧道周邊房屋建筑安全，參建各方經(jīng)研究在黃望區(qū)間YDK39+600～YDK39+580 開展錯(cuò)相減震爆破技術(shù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)段地質(zhì)掌子面以中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖夾泥巖為主，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層-中厚層狀構(gòu)造，有少量滲水，隧道拱頂?shù)孛孑^為平坦，埋深37.4m。試驗(yàn)段周邊無重要建筑（構(gòu)）物及管線。

試驗(yàn)段施工時(shí)間共計(jì)18 天，爆破14 次。

3.1 監(jiān)測(cè)情況

爆破安全規(guī)程（GB6722-2014）規(guī)定：地面建筑物的爆破振動(dòng)，采用保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率。根據(jù)爆破安全規(guī)程、施工經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，地面最大振動(dòng)速度與建筑結(jié)構(gòu)破壞的相關(guān)性最好，所以目前廣泛采用最大振速作為結(jié)構(gòu)安全的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。本次試驗(yàn)段采用為成都中科測(cè)控研產(chǎn)的TC-4850 爆破測(cè)振儀，該型儀器可以測(cè)量爆破振速X、Y、Z 三個(gè)分量振速。根據(jù)規(guī)范內(nèi)《爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)表》，一般民用建筑物在主振頻率f＞50Hz 時(shí)，允許振速為2.5～3.0cm/s。

根據(jù)試驗(yàn)段周邊環(huán)境情況，共設(shè)5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為拱頂上方前35m 地表，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為拱頂上方地表，3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為拱頂上方左20m 地表，4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為拱頂上方右20m 地表，5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為拱頂上方前25m 地表。

3.2 施工情況

黃望區(qū)間試驗(yàn)段爆破監(jiān)測(cè)14 次，最大振動(dòng)值為0.98cm/s，其中3# 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（拱頂上方左20m 地表）測(cè)得6次振動(dòng)值最大值，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、4#各測(cè)得3 次。均遠(yuǎn)小于規(guī)范允許安全振速。

黃望區(qū)間試驗(yàn)段爆破振速折線圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)段爆破振速折線圖（單位：cm/s）

以2021年12月29 日振動(dòng)監(jiān)測(cè)情況為例，2# 測(cè)點(diǎn)（拱頂上方）振動(dòng)數(shù)值為0.74cm/s，較為異常。經(jīng)對(duì)該點(diǎn)波形分析和現(xiàn)場(chǎng)情況，原因?yàn)樯涎h(huán)右側(cè)拱腳位置圍巖變化，強(qiáng)度較高導(dǎo)致局部欠挖，本次施工在裝藥過程中將69、70 號(hào)炮眼各增加0.15kg 炸藥，導(dǎo)致本次振動(dòng)值偏高。后經(jīng)過在左右拱腳增加一炮眼，分散裝藥后，振速明顯降低。2#測(cè)點(diǎn)波形圖見圖3。

圖3 2# 測(cè)點(diǎn)波形圖

4 結(jié)論

文章介紹了單孔單響錯(cuò)相爆破減震技術(shù)的施工工藝及參數(shù)設(shè)計(jì)，經(jīng)過爆破試驗(yàn)，該技術(shù)確可有效降低爆破振速，使振動(dòng)值遠(yuǎn)低于規(guī)范允許振速。在工程實(shí)踐中，必須按照每爆必測(cè)的原則，通過對(duì)隧道頂端以及地面較近的結(jié)構(gòu)物、建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行信號(hào)頻譜分析，不斷優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，做到“巖變我變”，及時(shí)準(zhǔn)確地修正鉆爆設(shè)計(jì)和調(diào)整鉆爆參數(shù)，并保證爆破設(shè)計(jì)的實(shí)施，確保爆破質(zhì)量。另外，由于隧道斷面狹小，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不便，特別是上臺(tái)階拱腳部位，機(jī)械開挖困難，爆破過程中應(yīng)密切注意拱腳部位圍巖情況，如果需要增加藥量，應(yīng)增加一個(gè)炮孔分擔(dān)藥量，避免單孔藥量增大引起振速過大。研究成果的應(yīng)用為黃河北路站～望城坡站區(qū)間臨近建（構(gòu)）筑物施工提供有利保障，也為類似工程提供參考。