臨海大斷面超淺埋公路隧道側(cè)穿敏感建筑物控爆技術(shù)

李 剛

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

0 引言

近些年來，隨著城市隧道工程建設(shè)的發(fā)展，下穿城市主干道及建筑物的隧道工程案例大量涌現(xiàn)，如何有效控制鉆爆法城市隧道施工產(chǎn)生的爆破擾動對周圍環(huán)境的影響引起了學(xué)者及施工單位的密切關(guān)注[1-4]。王明年等[5]通過現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬研究了隧道爆破開挖產(chǎn)生的地震波對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。Xue等[6]給出了鄰近隧道爆破振動的安全閾值。陽生權(quán)等[7]通過對小凈距公路隧道爆破振動的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)爆破規(guī)模與爆心距對爆破振動效應(yīng)的影響程度很大。Yang等[8]根據(jù)現(xiàn)場實測給出了爆破施工時隧道表面及圍巖內(nèi)部的振動特征。占城、劉斌、黃華東和Xue等[9-12]通過理論分析、數(shù)值模擬等方法對城市鉆爆法隧道施工產(chǎn)生的爆破地震波對周圍環(huán)境的影響、圍巖及周邊建筑物引起的動力響應(yīng)進(jìn)行了研究。費鴻祿等[13]采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法探討了隧道爆破施工振動至地表的傳播規(guī)律，并基于數(shù)值模擬結(jié)果對薩道夫斯基公式進(jìn)行了修正。對于近距離穿越地表建筑物的城市隧道，管曉明等[14]發(fā)現(xiàn)采用電子雷管逐孔起爆可有效降低地表振動強度，同時能夠提高地表振動主頻。隨著城市隧道修建技術(shù)的發(fā)展，城市鉆爆法隧道控制爆破及配套施工技術(shù)研究逐漸引起重視，但是在超淺埋、超大斷面公路海底隧道下穿城市主干道、側(cè)穿敏感建筑物段的實施案例較少，在隧道沿線建筑物減隔震措施、爆破參數(shù)優(yōu)化等方面的研究尚有欠缺。

本研究依托的廈門廈門第二西通道(海滄海底隧道)工程，位于沿海超淺埋回填區(qū)域，所在區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感，地下水豐富，與海水連通[15]。為確保項目順利進(jìn)展，對其陸域段隧道進(jìn)行施工技術(shù)研究，從減隔震技術(shù)、爆破方案設(shè)計和爆破參數(shù)選擇的角度提出城市鉆爆法隧道施工控制爆破技術(shù)，并通過現(xiàn)場試驗對控爆方案進(jìn)行驗證。

1 爆破振動經(jīng)驗公式

大量實踐表明，爆破引發(fā)地表振動速度最主要的影響因素包括最大裝藥量、爆心距及巖土體介質(zhì)的性質(zhì)。因此，大部分計算爆破振速的經(jīng)驗公式均與此相關(guān)，其基本形式為：

V=KQnR-m，

(1)

式中，V為爆破振速；Q為1次起爆藥量；R為爆心距；K，n，m為有關(guān)常數(shù)。各國的研究人員根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得到了不同的形式，常見的幾種經(jīng)驗公式及其適用條件如表1所示，其中我國現(xiàn)有規(guī)范推薦使用蘇聯(lián)的薩道夫斯基經(jīng)驗公式。

表1 各國爆破振速經(jīng)驗公式[16]Tab.1 Empirical formula of blasting vibration velocity in different countries

續(xù)表1

2 工程概況

2.1 項目概況

廈門海滄海底隧道工程，為國內(nèi)第3條鉆爆法施工公路海底隧道工程，隧道長約為6.3 km，采用三孔隧道方案，主線隧道為雙向六車道，單洞最大開挖斷面256 m2[17]。

海滄海底隧道為典型的城市海底隧道，其中A2標(biāo)陸域段下穿城市主干道，隧道沿線建筑密集，包括小區(qū)、辦公樓共計10余座，建筑物多為上世紀(jì)90年代多層建筑，其中最近的建筑物——鴻圖苑小區(qū)距離隧道右線開挖輪廓線僅6 m(水平距離)，隧道埋深23 m。該段沿線水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下管線眾多，周邊環(huán)境敏感，其施工風(fēng)險高、技術(shù)難度大，對爆破及沉降控制要求極高。隧道平面位置與沿線建筑物平面位置見圖1。

圖1 隧道平面位置與沿線建筑物示意圖Fig.1 Schematic diagram of tunnel plane location and buildings along the line

2.2 沿線小區(qū)及建筑物情況

隧道南側(cè)包括小區(qū)4個，酒店1座。隧道北側(cè)包括小區(qū)1個，寫字樓1座，儲運倉庫及辦公樓各1座。多數(shù)建(構(gòu))筑物建設(shè)于20世紀(jì)90年代，小區(qū)內(nèi)均包含多棟建居民樓，建(構(gòu))筑物形式多為磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，隧道沿線建(構(gòu))筑物詳細(xì)信息見表2。

表2 沿線建(構(gòu))筑物信息Tab.2 Information of buildings along the line

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地勘及補勘資料，隧道位于淺灘回填區(qū)域，地下水豐富，地質(zhì)條件復(fù)雜。覆蓋層以雜填土、淤泥、殘積粉質(zhì)黏土為主。雜填土厚度為2.2～5.7 m，結(jié)構(gòu)疏密不均，淤泥呈流塑狀，厚1.3～4.5 m；殘積粉質(zhì)黏土厚度1.5～12.3 m不等；基巖為微風(fēng)化花崗巖，巖體較完整，巖質(zhì)較硬，透水性弱，左、右線地質(zhì)斷面圖見圖2。

圖2 地質(zhì)斷面圖Fig.2 Geological sections

右線隧道BYK16+534～BYK16+638段位于基巖內(nèi)，埋深為20～25 m，隧道上層巖石厚度0～12.1 m，BYK16+638～BYK16+690段隧道位于上軟下硬地層，BYK16+690～BYK16+730段隧道處于全強風(fēng)化巖層。左線隧道BZK16+434～BZK16+632段位于基巖內(nèi)，為微風(fēng)化花崗巖，埋深為18～30 m，隧道上層巖石厚度0～14.3 m，BYK16+632～BYK16+658段處于土石交界面，圍巖裂隙較發(fā)育。

3 控爆試驗方案設(shè)計

方案設(shè)計的總體原則：在先保護(hù)、再加固的前提下，利用爆破控制技術(shù)進(jìn)行隧道開挖。需要采取控爆措施區(qū)段為左線BZK16+434～BZK16+634和右線BYK16+534～BYK16+638。由于沿線周邊小區(qū)距離左線隧道輪廓線相較于右線隧道遠(yuǎn)，所以選取左線隧道30 m(BZK16+434～BZK16+464)作為控制爆破的現(xiàn)場試驗段。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)中的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)要求，國內(nèi)相似隧道工程下穿建筑物基礎(chǔ)與地下管線時，較多采用1～1.5 cm/s的振動控制標(biāo)準(zhǔn)，考慮到本工程沿線有年代較為久遠(yuǎn)的框架、磚混結(jié)構(gòu)建筑物，因此將容許值進(jìn)一步降低到0.8 cm/s。

進(jìn)行試驗段爆破的主要目的如下：

(1)驗證爆破參數(shù)的合理性，收集爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)補勘成果，動態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)，減少對周邊環(huán)境影響，爆破振速控制在0.8 cm/s以內(nèi)。

(2)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析左線爆破對周邊建筑物的影響。

(3)通過左線試爆，模擬右線爆破對鴻圖苑影響，確定合理的爆破參數(shù)，為右線開挖提供參考依據(jù)。

隧道左線試驗段采用上臺階開挖，左側(cè)導(dǎo)洞先行，開挖12～15 m后再進(jìn)行右側(cè)導(dǎo)洞開挖。

3.1 建筑物保護(hù)及加固方案

為確保施工及周邊建(構(gòu))筑物安全，采取“先保護(hù)并加固，后開挖緊支護(hù)”的總體施工方案。在右線隧道BYK16+534～BYK16+638段與建筑物之間增設(shè)φ1 000@1 200 mm的鉆孔灌注樁，入巖深度≮2 m，樁間采用φ1 000@750 mm旋噴樁止水，減少因樁間失水引起地表、建筑物沉降。同時對未開挖段隧道上方土層進(jìn)行地表注漿加固，然后再進(jìn)行隧道開挖。建筑物保護(hù)及加固示意圖見圖3。

圖3 建筑物保護(hù)及加固示意圖Fig.3 Schematic diagram of building protection and reinforcement

隧道上半斷面采用CD開挖工法，先開挖左側(cè)導(dǎo)洞的中導(dǎo)洞，再進(jìn)行周邊擴(kuò)挖，為提高開挖工效，中隔壁取直；下半斷面采用全斷面開挖。開挖過程根據(jù)房屋、地表監(jiān)測沉降情況，適時對房屋地基進(jìn)行補充注漿。為保證施工安全，中導(dǎo)洞開挖后及時進(jìn)行初噴，確保后續(xù)開挖安全。

3.2 控制爆破輔助措施

軟巖段采用機械開挖為主，局部采用弱爆破，施工中爆破振動對周邊建筑物及小區(qū)影響較小。因此，控爆設(shè)計主要針對硬巖段，主要控制措施有：

(1)采用數(shù)碼電子雷管[18]，控制單段最大裝藥量。

(2)減少開挖斷面尺寸，縮短進(jìn)尺以控制單循環(huán)總藥量。

(3)隧道開挖工法由原設(shè)計三臺階開挖優(yōu)化為上半斷面采用CD開挖工法，下半斷面采用全斷面開挖。

(4)加強監(jiān)控量測，記錄每循環(huán)爆破參數(shù)，結(jié)合爆破振速、地質(zhì)等情況，動態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)，獲取最優(yōu)爆破參數(shù)。

3.3 控制爆破參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化原則

結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況，確定該區(qū)間內(nèi)隧道爆破優(yōu)化遵循以下的原則：

(1)采用上CD工法分區(qū)開挖，采用空孔及多創(chuàng)造自由面的原理，降低爆破振動。

(2)按照多分區(qū)、短進(jìn)尺、密布孔、少裝藥、多分段的原則，提高爆破效果和安全性。

(3)起爆順序：靠近臨空面方向先爆，采用逐排逐孔、單孔單響的形式進(jìn)行爆破。

3.3.2 爆破器材選擇

(1)炸藥選擇：Ф32 mm的2#巖石乳化炸藥。

(2)雷管選擇：數(shù)碼電子雷管。

3.3.3 爆破參數(shù)優(yōu)化

(1)炮孔參數(shù)

① 炮孔直徑：人工打眼Φ40 mm。

② 炮孔數(shù)量：上導(dǎo)洞炮孔數(shù)目由公式N=3.3(S2f)1/3計算得到，式中N為炮孔數(shù)目(光面爆破適當(dāng)增加6%～12%)；f為巖石堅固系數(shù)，設(shè)計取10；S為巷道掘進(jìn)斷面面積。

③ 單孔最大裝藥量

(2)進(jìn)尺設(shè)計

中導(dǎo)洞循環(huán)進(jìn)尺1.2 m，周邊擴(kuò)挖循環(huán)進(jìn)尺2.4 m，隧道左、右導(dǎo)坑分次進(jìn)行爆破。

(3)中導(dǎo)洞掏槽設(shè)計

采用“空孔+掏心+楔形掏槽”(掏心：在2排空孔中間鉆1排直孔，中間孔作為爆破孔，利用兩側(cè)空孔和中間直孔，爆破形成臨空面)的炮眼布置方案，左右導(dǎo)洞分別在中心偏下位置用三臂臺車鉆取10個Φ100 mm的空孔作為減振孔，結(jié)合楔形掏槽，輔助眼均勻布置在掏槽眼與周邊眼之間。掏槽眼與掏心眼夾角25°。掏心、掏槽眼炮眼剖面布置見圖4。

圖4 炮眼剖面布置示意圖(單位:m)Fig.4 Schematic diagram of layout of blasting hole profile (unit: m)

(4)炮眼孔間距

輔助眼孔間距取600～1 000 mm，周邊眼孔間距約取10d～15d(d為炮眼直徑)，底板眼孔間距取800～900 mm。

(5)炮眼超深

根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺選擇，超深為30 cm，其中掏槽眼應(yīng)比輔助眼、周邊眼再加深20～30 cm，周邊眼底部外傾10 cm。

(6)裝藥結(jié)構(gòu)

除周邊眼外，其余炮孔采用連續(xù)裝藥的方式，起爆藥包裝置在孔底倒數(shù)第2節(jié)藥卷上，采取反向起爆方式；周邊眼布孔形式利用導(dǎo)爆索隔孔間隔裝藥。炮眼布置及開挖順序如圖5所示，掏心、掏槽眼炮眼布置如圖6所示。

圖5 炮眼布置及開挖順序(單位：m)Fig.5 Layout of blasting holes and excavation sequence (unit: m)

圖6 掏槽眼與掏心眼布置(單位：m)Fig.6 Layout of cut holes and core holes (unit: m)

(7)裝藥參數(shù)

爆破設(shè)計參數(shù)如表3所示，按逐孔、逐號進(jìn)行爆破，各孔延遲時間15 ms。

表3 各導(dǎo)洞爆破參數(shù)Tab.3 Blasting parameters of each guide hole

3.4 爆破振動監(jiān)測方案

在地表開挖輪廓線外側(cè)6 m位置設(shè)置爆破振動監(jiān)測點，分別在掌子面前方1.2 m(1#監(jiān)測點)、10 m(2#監(jiān)測點)、20 m(3#監(jiān)測點)、30 m(4#監(jiān)測點)位置布設(shè)爆破振動監(jiān)測儀，監(jiān)測點位隨隧道掌子面開挖向前移動，監(jiān)測點與爆破點相對位置始終保持不變。左導(dǎo)洞開挖布置在左側(cè)，右導(dǎo)洞開挖布置在右側(cè)。同時在鴻圖苑小區(qū)離隧道最近部位、結(jié)構(gòu)薄弱部位、小區(qū)內(nèi)部等關(guān)鍵部位布設(shè)爆破監(jiān)測點，如圖1所示。

4 控爆監(jiān)測結(jié)果

4.1 試驗段監(jiān)測

試驗段施工過程中，根據(jù)試驗設(shè)計方案對爆破振速、地表沉降、周邊建(構(gòu))筑物沉降、變形等進(jìn)行實時監(jiān)測，做到一炮一測，一炮一分析，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)爆破作業(yè)，動態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)。

根據(jù)隧道縱斷面設(shè)計圖獲取試驗段隧道埋深，結(jié)合監(jiān)測點位置，根據(jù)薩道夫斯基公式計算得到1#監(jiān)測點的允許最大爆破振動速度為0.513 cm/s，2#監(jiān)測點的允許最大爆破振動速度為0.481 cm/s。此外，由于在計算監(jiān)測點爆心距時，側(cè)向距離取用的為監(jiān)測點到左線隧道地表開挖輪廓線的距離，即6 m，然而測點到炮孔的實際側(cè)向距離一定大于6 m，因而實際允許最大爆破振速大于上述兩計算值。

試驗段共開展了30次爆破試驗監(jiān)測，1#監(jiān)測點和2#監(jiān)測點的峰值振動速度如圖7所示，振速曲線按照升序排列。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，爆破產(chǎn)生最大振速的位置為1#監(jiān)測點(掌子面前方地表1.2 m處)，右側(cè)導(dǎo)洞中導(dǎo)爆破時最大，最大值為0.508 cm/s，小于允許最大爆破振速且多數(shù)可控制在0.5 cm/s以內(nèi)。根據(jù)爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，無論是左側(cè)斷面開挖還是右側(cè)斷面開挖，中導(dǎo)洞爆破時的振速普遍高于壓頂擴(kuò)挖時的振速，這是由于壓頂位置的炮孔裝藥量較小導(dǎo)致的。此外，隧道右側(cè)開挖時，其爆破擾動明顯大于左側(cè)開挖，考慮到左側(cè)先行，在隧道右側(cè)爆破時，左側(cè)已開挖完成的斷面形成空腔，對爆破振動產(chǎn)生放大作用，產(chǎn)生爆破空洞效應(yīng)[19]。

圖7 峰值振動速度Fig.7 Peak vibration velocities

對于2#監(jiān)測點(掌子面前方地表10 m處)，其最大爆破振動速度出現(xiàn)在左側(cè)中導(dǎo)洞開挖時，為0.225 cm/s。多數(shù)振速可控制在0.2 cm/s以內(nèi)，且壓頂爆破時，一部分并未觸發(fā)爆破振速監(jiān)測儀。3#監(jiān)測點(掌子面前方20 m處)和4#監(jiān)測點在數(shù)次爆破試驗中均未觸發(fā)。通過采取控爆措施，地表10 m位置基本實現(xiàn)無感爆破，20 m以外爆破振速監(jiān)測儀無觸發(fā)(小于0.1 cm/s)，大大降低了爆破振動對周邊環(huán)境的影響。

4.2 非試驗段控爆實施效果

在右線隧道開挖過程中，嚴(yán)格執(zhí)行左線試驗段爆破工藝，單孔單響，控制單孔最大裝藥量≯1.6 kg，同時根據(jù)不同地質(zhì)情況對炮眼布置、裝藥參數(shù)等進(jìn)行了微調(diào)。此外，由于右線隧道地表輪廓線距鴻圖苑小區(qū)居民樓最小水平距離僅6 m，爆心距23.8 m，因而加強了建筑物的隔振與加固措施，以保障該段隧道的順利施工。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，該段爆破振速最大值為0.485 cm/s，地表沉降最大1.3 cm，建筑物最大沉降0.8 cm，最大隆起0.6 cm，爆破振動、地表及建筑物沉降變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，控制爆破技術(shù)應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

依托廈門海滄海底隧道陸域段工程，對城市淺埋暗挖隧道側(cè)穿敏感建筑物段控制爆破技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)合工程地質(zhì)條件及周邊建筑物的保護(hù)需求，從隧道周邊建筑保護(hù)及加固技術(shù)、控制爆破方案設(shè)計、控制爆破參數(shù)選擇的角度出發(fā)，進(jìn)行了復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆爆法城市淺埋暗挖隧道側(cè)穿敏感建筑物的控制爆破現(xiàn)場試驗。通過試驗段及后續(xù)實施效果，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測信息反饋情況，得到以下結(jié)論：

(1)采用數(shù)碼電子雷管、控制單段最大裝藥量、減小開挖斷面尺寸、縮短進(jìn)尺等控制爆破輔助措施，結(jié)合“空孔+掏心+楔形掏槽”控爆開挖方案及參數(shù)優(yōu)化方案，可以顯著控制周邊建筑物的爆破振速，方案安全可靠、合理可行。

(2)當(dāng)隧道近距離穿越地表建筑物時，應(yīng)采用必要的建筑物保護(hù)及地層加固措施，如在爆破影響區(qū)與建筑物基礎(chǔ)間增設(shè)灌注樁、隔振樁及注漿等方式，能夠起到明顯的隔振和控制沉降的作用。

(3)通過控制爆破現(xiàn)場試驗及監(jiān)控量測指導(dǎo)并驗證爆破方案，以此為依據(jù)動態(tài)調(diào)整施工工藝及爆破參數(shù)，在保證隧道結(jié)構(gòu)和路面交通安全、控制周邊建筑物振動與沉降等方面起到關(guān)鍵作用。