隧道開挖施工的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)探討

張業(yè)偉

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊(duì)，杭州 310022）

1 爆破振動(dòng)理論概述

爆破振動(dòng)理論是研究爆破地震波產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律的理論[1]。爆破振動(dòng)源于巖體內(nèi)炸藥爆炸產(chǎn)生的爆破地震波，爆破地震波可以在巖體內(nèi)傳播。裝藥在巖體或其他固體介質(zhì)中爆炸所激起的應(yīng)力擾動(dòng)的傳播稱為爆炸應(yīng)力波。爆炸應(yīng)力波在距爆源點(diǎn)不同距離的區(qū)域內(nèi)可出現(xiàn)塑性波、沖擊波、彈塑性波、彈性應(yīng)力波和地震波等。

多數(shù)巖石在爆炸沖擊荷載作用下激起的爆炸應(yīng)力波主要是沖擊波、彈性應(yīng)力波和爆炸地震波。沖擊波具有陡峭波頭，以超聲速傳播，傳播過(guò)程中能量損失較大，應(yīng)力衰減很快，作用范圍很小，衰減后變?yōu)閴嚎s應(yīng)力波。壓縮應(yīng)力波以聲速傳播，傳播過(guò)程中能量損失比沖擊波小，衰減較慢，作用范圍則較大，衰減后變?yōu)榈卣鸩?。沖擊波和應(yīng)力波都是脈沖波，無(wú)周期性，能對(duì)巖石造成不同程度的破壞作用，而地震波為周期振動(dòng)的彈性波，應(yīng)力上升時(shí)間與下降時(shí)間大體相等，以聲速傳播，衰減很慢，作用范圍最大，但不能對(duì)巖石造成直接的破壞作用，只能擴(kuò)大巖體內(nèi)原有的裂隙，威脅爆破地點(diǎn)附近建筑物的安全[2]。

由上述分析可知，沖擊波具有傳播距離短、破壞范圍小、粉碎巖體的作用；應(yīng)力波具有引發(fā)巖體質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)張、徑向位移、切向拉伸應(yīng)變的作用，且可致使巖體質(zhì)點(diǎn)沿著平衡位置做出直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或曲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；地震波具有延展巖體內(nèi)裂縫、加劇地表建構(gòu)筑物振動(dòng)破壞、巖體局部相互錯(cuò)動(dòng)的作用[3]。

2 隧道開挖施工的爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)目的

某工業(yè)村片區(qū)隧道爆破開挖工程段位里程為K0+195～K0+650，為雙洞雙向6 車道隧道，隧道左洞、右洞長(zhǎng)度相同，均為455 m。隧洞爆破開挖凈斷面寬度為18.0 m，高度為11.5 m。工程周邊地質(zhì)如表1 所示。

表1 隧道爆破開挖工程左右洞各級(jí)圍巖所占比例

隧道洞身主要為中風(fēng)化凝灰?guī)r巖石，圍巖級(jí)別為IV 級(jí)+III 級(jí)；隧道出入洞口段由坡積碎石土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r組成，級(jí)別為V 級(jí)。其中，在隧道入口及明挖段存在山體（東側(cè)）、正上方為500 kV 高壓線；東側(cè)240 m 為高壓線鐵塔，該鐵塔距離隧洞洞身水平距離約50 m，高差約100 m；南側(cè)200 m 為110 kV高壓線鐵塔，該條高壓線位于山頂?shù)蔫F塔離洞身水平距離約40 m，高差約150 m，距離爆破點(diǎn)50 m 為水庫(kù)溢洪閘門及配套房屋，距離爆破點(diǎn)90 m 為水庫(kù)大壩；其他方向300 m 范圍內(nèi)無(wú)重要保護(hù)對(duì)象?；谥苓吔ㄖ?duì)振動(dòng)敏感程度的差異，可以將隧道爆破開挖工程距離50 m 的水庫(kù)溢洪閘門及配套房屋及距離90 m 的水庫(kù)大壩作為重點(diǎn)對(duì)象，以監(jiān)測(cè)對(duì)象安全狀況、破壞狀況作為評(píng)估指標(biāo)，預(yù)先發(fā)現(xiàn)、通報(bào)、控制爆破災(zāi)害，降低爆破振動(dòng)的負(fù)面影響[4]。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

隧道開挖施工的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為微振動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)為兩點(diǎn)。如圖1、圖2 所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 與監(jiān)測(cè)點(diǎn)2所測(cè)振速結(jié)果均低于國(guó)家規(guī)范GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許振速（5 m/s），滿足安全要求。

圖1 測(cè)點(diǎn)1

圖2 測(cè)點(diǎn)2

2.3 監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)微振動(dòng)監(jiān)測(cè)需求，利用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850-3 爆破測(cè)振儀，本工程爆破測(cè)振儀參數(shù)設(shè)置觸發(fā)電平：0.01 cm/s，觸發(fā)模式：內(nèi)觸發(fā)，記錄模式：多次分段，記錄時(shí)長(zhǎng)：2 s；炮次：10 次；炸藥量：55 kg。

爆破測(cè)振儀監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置完畢后，根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象分布情況分兩組同時(shí)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與試爆點(diǎn)中心距離約50 m，另一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與試爆點(diǎn)中心距離約90 m。起爆前10 min，利用TC-4850-3 爆破測(cè)振儀連續(xù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，每施爆一次自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)報(bào)警值為5 cm/s（GB 6722—2014），連續(xù)采集至爆破結(jié)束。最終結(jié)果見表2。

表2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 隧道開挖施工的爆破振動(dòng)技術(shù)

3.1 控制最大裝藥量

技術(shù)人員可以結(jié)合炸藥爆炸所產(chǎn)生的地面震動(dòng)速度計(jì)算公式（薩道夫斯基公式），計(jì)算隧道爆破開挖施工的最大裝藥量控制標(biāo)準(zhǔn)。炸藥爆破時(shí)產(chǎn)生的地面震動(dòng)速度如下：

式中，V 為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；k 為與爆破條件有關(guān)的系數(shù)，在介質(zhì)為巖石時(shí)，k=30～70，介質(zhì)為土質(zhì)時(shí)，k=150～250；a為與巖石特性有關(guān)的系數(shù)，a=1～2；Q 為炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)總裝藥量或分段起爆時(shí)最大一段裝藥量，kg；R 為爆心距離，m。

由式（1）可知，炸藥爆破時(shí)產(chǎn)生的地面振動(dòng)速度與爆破裝藥量呈正相關(guān)，通過(guò)控制最大裝藥量可以控制隧道爆破振動(dòng)強(qiáng)度。一般在爆破炸藥的單位消耗量較多時(shí)，爆破振動(dòng)與空氣沖擊波數(shù)值也較大，極易引發(fā)巖塊過(guò)度位移、拋擲問(wèn)題，反之則會(huì)導(dǎo)致自由面反射的拉伸波效應(yīng)延遲、縮小。因此，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合爆破試驗(yàn)確定最適宜的單位炸藥消耗量[5]。

3.2 合理應(yīng)用微差起爆技術(shù)

微差爆破指在毫秒級(jí)時(shí)間間隔下，分批次起爆裝填炸藥的方式。在炸藥總裝藥量、其他條件一定的情況下，微差起爆的爆破振動(dòng)速度較齊發(fā)爆破振動(dòng)速度小40～60 cm/s。根據(jù)隧道爆破開挖工程地質(zhì)特點(diǎn)以及周邊敏感建筑位置，設(shè)定微差爆破間隔時(shí)間為3.0～6.6 ms，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制目標(biāo)為6.0 cm/s。進(jìn)而可以選擇具有抗水性、可直接起爆銨梯炸藥、普通導(dǎo)爆索以及由不帶電點(diǎn)火裝置毫秒延期雷管+消爆管組成的導(dǎo)向繼爆器。設(shè)備準(zhǔn)備完畢后，利用復(fù)式楔形掏槽方式布置孔線形，以線形起爆，在保證鉆孔效率的同時(shí)，便于調(diào)整起爆網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，控制延時(shí)時(shí)長(zhǎng)，優(yōu)化掘進(jìn)孔臨空面，降低質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

3.3 有效控制爆破時(shí)差

由隧道爆破開挖振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，靠近自由面的炮孔爆破振動(dòng)小于遠(yuǎn)離自由面的炮孔爆破振動(dòng)。此時(shí)，可以通過(guò)爆破時(shí)差的有效控制，促使多排孔爆破時(shí)排間延發(fā)間隔時(shí)間超出排內(nèi)孔間延發(fā)間隔時(shí)間。同時(shí)，盡可能優(yōu)化炮孔爆破松動(dòng)條件，降低爆破振動(dòng)。比如，控制淺埋隧道敏感區(qū)段爆破時(shí)差時(shí)，可以將2 個(gè)小體積淺直眼炮孔增設(shè)在多級(jí)楔形掏槽中心，改善下一級(jí)斜眼掏槽爆破臨空面條件，降低爆破夾制作用以及爆破振動(dòng)。進(jìn)而利用高精度孔外延時(shí)雷管，根據(jù)電子數(shù)碼雷管高精度、任意延時(shí)設(shè)置的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化爆破法案。在保證成對(duì)斜眼起爆時(shí)間相同的同時(shí)，促使同一排的掏槽斜眼微差延時(shí)錯(cuò)峰。此時(shí)，在炮孔爆破后需要10.0 ms 的延時(shí)時(shí)間，可以有效錯(cuò)開爆破振動(dòng)峰值，達(dá)到抑制振動(dòng)波公害的效果。

為盡可能減少巖石爆破振動(dòng)對(duì)敏感建筑的危害，技術(shù)人員應(yīng)以分割前排炮孔起爆后形成的振動(dòng)波主振相為目的，設(shè)定圍巖周邊眼距為0.45～0.55 m，最小抵抗線為0.70 m，炮眼深度為5.0 m。進(jìn)而準(zhǔn)備1～15 段非電毫秒延期雷管以及間隔200 ms 的等差雷管。其中，掏槽孔采用非電毫秒雷管1～7 段，擴(kuò)槽孔、掘進(jìn)孔、二圈孔、周邊孔與底板孔則利用8～15 段等差雷管，控制爆破平均循環(huán)時(shí)間在17.5～18.0 h，平均振速在0.28～0.52 cm/s。

3.4 采用預(yù)裂爆破技術(shù)

預(yù)裂爆破特指在起爆源、被保護(hù)物體之間進(jìn)行一排垂向孔的鉆鑿，垂向孔與地表角度呈90°。在垂向孔鉆鑿后，事先在主裝藥孔爆破前對(duì)垂向孔進(jìn)行裝藥施爆，獲得一個(gè)與地層表面呈90°的裂隙面，促使地震波在到達(dá)地面前出現(xiàn)反射，盡可能減小地震波向被保護(hù)物透射的能量。除垂向孔鉆鑿?fù)?，技術(shù)人員還可以選擇挖掘減振溝的形式。即在起爆源、被保護(hù)物之間挖掘一條溝道（或鉆鑿密集分布的若干排空孔），利用減振溝的反射波效用，降低隧道爆破開挖時(shí)振動(dòng)公害。

在應(yīng)用預(yù)裂爆破技術(shù)時(shí)，效果受不耦合作用、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆時(shí)間間隔、鉆孔質(zhì)量、堵塞長(zhǎng)度等因素的影響[6]。其中，不耦合作用指利用裝藥、孔壁之間的間隙減弱炸藥爆破作用于孔壁的初始?jí)毫Γ诰€裝藥密度一定的情況下，不耦合系數(shù)與孔距呈負(fù)相關(guān)，一般可以設(shè)定不耦合系數(shù)在2～4；裝藥結(jié)構(gòu)是保證細(xì)長(zhǎng)藥卷間隔起爆可靠的關(guān)鍵，技術(shù)人員需要根據(jù)炮孔底部夾制作用，沿炮孔內(nèi)孔全長(zhǎng)進(jìn)行導(dǎo)爆索敷設(shè)；起爆時(shí)間間隔是振動(dòng)控制的關(guān)鍵，需要促使預(yù)裂孔超前于主炮孔起爆，超前延時(shí)在100.0 ms 以上；為保證鉆孔質(zhì)量，技術(shù)人員應(yīng)選擇同一個(gè)平面，垂直鉆孔，促使孔底落入一條水平線，垂直鉆孔偏差在20.0 cm 以下，孔底水平偏差在15.0 cm 以內(nèi)；堵塞長(zhǎng)度是保證高壓爆炸振動(dòng)控制的關(guān)鍵，為形成完整的預(yù)裂縫，技術(shù)人員應(yīng)控制堵塞長(zhǎng)度在孔徑的12～20 倍。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)爆破監(jiān)測(cè)不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道爆破開挖過(guò)程中存在的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)苗頭，而且可為隧道爆破開挖風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)先控制提供依據(jù)。因此，在隧道開挖施工過(guò)程中，為盡可能降低隧道開挖施工的爆破振動(dòng)負(fù)面效應(yīng)，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在控制隧道爆破開挖最大裝藥量的同時(shí)，恰當(dāng)應(yīng)用微差起爆技術(shù)控制爆破時(shí)差。結(jié)合預(yù)裂爆破技術(shù)的合理應(yīng)用，保障隧道爆破開挖順利進(jìn)行。