新建隧道下穿既有隧道減震孔減震效果試驗研究

于赟

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司，福建 廈門361000）

1 工程概況

1.1 工程背景

新大帽山1號隧道為新福廈鐵路廈門北進(jìn)島聯(lián)絡(luò)線單線隧道，全長1280m。該隧道與既有杭深高鐵劉塘隧道并行（距離為56m至80.8m），與既有動走1線隧道并行（距離在120～125.4m），并下穿既有動走2線隧道，兩隧道間凈距為8.32m，平面交角30.5，正穿段隧道長60m，為該項目重難點工程，需進(jìn)行科研攻關(guān)?，F(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場分布圖

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

采取地質(zhì)詳勘方式進(jìn)行地質(zhì)鉆探，經(jīng)鉆探XLSDK1+915位置符合仿真模擬試驗條件，經(jīng)過地質(zhì)鉆探結(jié)果表明（見圖2），在新大帽山1號隧道里程為XLSDK1+915隧頂正上方位置約10m范圍均屬于II級圍巖，該工程下穿段最不利位置隧道間凈距8.392m，地質(zhì)為II級圍巖，故選取該處為仿真模擬試驗位置。

圖2 XLSDK1+915位置地質(zhì)詳勘芯樣

2 爆破公式擬合

根據(jù)《鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)程》（TB 10313—2019）（簡稱《規(guī)程》）推薦采用的公式（公式1），參考《規(guī)程》中不同巖性的K、α值，對前期采用減震工法的爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到依托工程的K、α值并依據(jù)所得公式計算測點的薩氏振速。

式（1）中：V——質(zhì)點振動速度峰值（cm/s）；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總裝藥量，延時爆破為單段齊爆藥量；可按對應(yīng)V值時刻爆炸的單段藥量（kg）；

R——測點至爆源的距離（m）；

K、α——與爆區(qū)至測點間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的爆破振動系數(shù)和衰減指數(shù)，由統(tǒng)計分析獲得。

根據(jù)前期初始爆破數(shù)據(jù)，對K、α值進(jìn)行擬合，由于積累的數(shù)據(jù)量偏少，如果采用單一的K、α值進(jìn)行擬合的話，擬合效果較差，因此根據(jù)實測數(shù)據(jù)對K、α值進(jìn)行分段擬合，分段擬合的相關(guān)系數(shù)R=0.98（規(guī)范規(guī)定相關(guān)系數(shù)大于0.8），如圖3所示。

圖3 振速擬合圖

根據(jù)現(xiàn)場的圍巖情況以及爆破數(shù)據(jù)，擬采用第三段數(shù)據(jù)所擬合的K、α值，即K取140，α取1.35。

3 仿真模擬試驗

3.1 模擬試驗井

采用現(xiàn)場試驗的方式，通過減震施工工法進(jìn)行對比，優(yōu)化爆破參數(shù)、檢驗分析各個工法的減震效果，積累施工經(jīng)驗。

仿真模擬試驗工作井井身尺寸為2m×2m，深度為16.634m，（見圖4）井底距隧道頂凈間距為6.9m。試驗井護(hù)壁采用30cm厚C25鋼筋混凝土，井底澆筑40cm厚C35混凝土底板。

圖4 試驗井示意及現(xiàn)場圖

仿真模擬試驗主要的監(jiān)測項目有：控制爆破振速、加速度、試驗井沉降及收斂情況。試驗井內(nèi)監(jiān)測設(shè)備主要由以下四部分組成：井身沉降采用YH02-Y靜力水準(zhǔn)儀，井身收斂采用TH-L40激光收斂計，控制爆破振速采用Blast-NET型振動記錄儀、三分量振動速度傳感器和客戶端構(gòu)成的爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)，控制爆破振動加速度監(jiān)測采用VF型智能測振儀。

3.2 試驗工法

考慮仿真模擬試驗對總工期的影響，選取試驗里程范圍段為XLSDK1+885—XLSDK1+899.8，主要對“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法的減震效果進(jìn)行試驗研究，試驗段長度為14.8m。

“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法的示意圖如圖5所示。

圖5 減震孔示意圖

“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法采用電子數(shù)碼雷管單孔單響潛孔控制爆破+減震孔配合的施工工藝。預(yù)設(shè)減震孔在掌子面距離開挖輪廓線內(nèi)側(cè)60cm處設(shè)置一圈減震孔，直徑為108mm，孔中心間距為30cm，減震孔深度5m，如圖6所示。通過減震孔的阻隔及切割作用，減小振動應(yīng)力，實現(xiàn)降低爆破振速的目的。

圖6 減震孔現(xiàn)場布設(shè)圖

3.3 試驗過程

在進(jìn)行“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”試驗過程中，根據(jù)方案選取0.8m、1.0m、1.5m進(jìn)尺分別展開試驗，通過不斷調(diào)整爆破參數(shù)，合理優(yōu)化在同一圍巖下的炸藥使用數(shù)量等參數(shù)，如表1～表3所示。

表1 控制爆破+減震孔爆破參數(shù)表（進(jìn)尺0.8m）

表2 控制爆破+減震孔爆破參數(shù)表（進(jìn)尺1m）

表3 控制爆破+減震孔爆破參數(shù)表（進(jìn)尺1.5m）

4 結(jié)果分析

4.1 試驗結(jié)果

在新大帽山1號隧道掌子面推進(jìn)過程中，對“控制爆破”及“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法進(jìn)行了6組對比試驗。

試驗過程中，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行全過程收集整理，按照第二節(jié)所得的薩氏公式，對每循環(huán)的振速值進(jìn)行理論計算，如表4所示（減震效率η=v-v）/v×100%）。由成果匯總的各測點的實測振速和擬合得出計算振速情況，對控制爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，最終從減震效果分析、工效對比分析、試驗井結(jié)構(gòu)變形情況等方面對試驗成果進(jìn)行分析總結(jié)。

表4 試驗井監(jiān)測點數(shù)據(jù)匯總表

4.2 減震效果分析

由上述試驗數(shù)據(jù)可知，“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”的施工方法相對于采用“控制爆破”，減震效果顯著，在前3組試驗中，“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”的平均減震效率為14.37%，在后3組試驗數(shù)據(jù)中，“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”的平均減震效率為15.27%。值得一提的是，隨著開挖進(jìn)度的不斷推進(jìn)，爆破點與試驗井的距離逐步減小，“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工藝的爆破振速有明顯的改善，說明減震效率與爆破距離有一定影響。

由圖7可知，各循環(huán)試驗中采用“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”的實測振速均小于“控制爆破”。同時在單段最大藥量相同的情況下，隨著爆破點距離的減小，所測的實際振速會有所增大，如圖中第四組試驗單孔最大0.2kg掏槽藥量實測振速與第一組單孔最大0.4kg的實測振速相近。

圖7 兩種減震工法實測振速對比圖

由圖8可知，對比實測振速和理論計算振速差異可以發(fā)現(xiàn)，6組對比試驗兩種工法偏差幅度在-48.47%～14.47%之間，負(fù)值表明采用減震工法后爆破振速較理論數(shù)值小，可知大部分實測振速小于理論計算振速。在每次循環(huán)試驗內(nèi)僅采用“控制爆破”工法的偏差幅度總是大于采用“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法，這進(jìn)一步表明預(yù)設(shè)減震孔能有效降低爆破振速。

圖8 計算振速與理論振速偏差

4.3 工效對比分析

因隧道循環(huán)施工作業(yè)的特點，以及“控制爆破”及“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法兩種工序作業(yè)流程的不同，僅對工效時間進(jìn)行計算分析。

采用控制爆破工法，工效分析僅對單班開挖作業(yè)施工時間進(jìn)行計算，當(dāng)進(jìn)尺1.2m時，所需鉆眼、裝藥時間為2.5h，加上作業(yè)準(zhǔn)備時間0.5h，單班開挖所需時長總計為3h。

采用預(yù)設(shè)減震孔工法，需要提前在掌子面打設(shè)減震孔，減震孔施工采取兩班倒進(jìn)行作業(yè)，每循環(huán)平均孔深6m，所需作業(yè)時間為31h，單次循環(huán)減震孔施工可以滿足4個循環(huán)的控制爆破施工，減震孔打設(shè)后增加炮孔打設(shè)時間3h。因此單班開挖作業(yè)時間為10.75h，則“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法實際單循環(huán)開挖所需時間為10.75h。

綜上所述，采取“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破“工法時，工時所需時間較長，相對于常規(guī)控制爆破施工，打設(shè)減震孔的施工工效雖然較低，但是附加時間能夠滿足工期要求。同時，考慮減震孔的減震效果和對施工形成的有利影響，建議選擇“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法。

4.4 試驗井結(jié)構(gòu)變化

在仿真模擬下穿隧道工況的前提條件下，通過在試驗井內(nèi)部安裝精密監(jiān)測儀器，同步對試驗井的沉降、收斂進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，試驗井收斂變形累計最大值為0.14mm，沉降變形累計最大值為0.77mm，試驗井監(jiān)測變形值均在可控范圍之內(nèi)，試驗井結(jié)構(gòu)未見損壞。

5 結(jié)論

對新建隧道下穿既有隧道的工況進(jìn)行仿真模擬試驗，試驗過程中對試驗參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，可以得出：

第一，采用“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”的施工工藝后，爆破實測振速比僅采用控制爆破有明顯改善。隨著爆破點與試驗井的距離逐步減小，“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工藝的爆破振速有一定提高。在單段最大藥量相同時，隨著爆破點距離的減小，實際振速會有所增大。采用“控制爆破”工法的偏差幅度總是大于采用“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法。第二，采用“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破“工法時，相對于常規(guī)控制爆破所需工時較長，但是附加時間能夠滿足工期要求。同時，考慮減震孔的減震效果和對施工形成的有利影響，建議選擇“預(yù)設(shè)減震孔+控制爆破”工法。第三，由監(jiān)測數(shù)據(jù)得到試驗井收斂變形累計最大值為0.14mm，沉降變形累計最大值為0.77mm，試驗井監(jiān)測變形值均在可控范圍之內(nèi)，試驗井結(jié)構(gòu)未見損壞。

同時，通過對施工中每個循環(huán)的炸藥量、炮眼數(shù)量、電子雷管間隔時間進(jìn)行動態(tài)調(diào)整優(yōu)化，得出在同一圍巖下最優(yōu)的爆破參數(shù)，為正式下穿隧道施工提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。