張維明，肖　柳,卜俊銳,于大偉,陳姿霖,陳先鋒

(1.中鐵十一局集團(tuán) 第三工程有限公司，十堰 442012;2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

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月亮山隧道爆破減震試驗(yàn)研究

張維明1，肖柳2,卜俊銳1,于大偉2,陳姿霖2,陳先鋒2

(1.中鐵十一局集團(tuán) 第三工程有限公司，十堰 442012;2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

摘要:黃石月亮山隧道是典型的城市淺埋大跨度隧道。為了控制隧道開挖中的爆破震動效應(yīng)，減少下穿隧道對居民區(qū)、房屋建筑結(jié)構(gòu)的影響，在隧道掏槽爆破過程中，采取電子雷管逐孔孔間微差起爆技術(shù)進(jìn)行爆破作業(yè)?？紤]到微差時間對爆破震動和爆破效果的影響，分別選取5 ms、6 ms、7 ms、8 ms和10 ms逐孔微差時間進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同孔間微差時間下爆破效果，進(jìn)而優(yōu)選方案。結(jié)合震速、震動頻率和爆破效果的優(yōu)選結(jié)果表明:選取孔間微差時間為7 ms時，測點(diǎn)最大震動速度小于1.5 cm/s，控制在震動安全標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)；最低震動頻率高于30 Hz，與房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生共振幾率較??；且?guī)r石破碎效果較好。

關(guān)鍵詞:隧道掘進(jìn)；電子雷管；逐孔爆破；微差時間；減震效果

鉆爆法是中國目前應(yīng)用最廣、最成熟的隧道開挖方法，它具有施工快，適應(yīng)能力強(qiáng)，施工成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是，在鉆爆施工過程中產(chǎn)生的爆破地震效應(yīng)會對圍巖以及周圍的建(構(gòu))筑物造成不同程度的影響，特別是在城市隧道爆破過程中，隧道穿過鬧市、居民區(qū)，爆破震動會對居民的生活和安全造成隱患。爆破震動危害控制的方法大致有三種[1，2]:一是針對爆源所采取的控制措施;二是針對受控對象所采取的措施;三是針對爆破地震波在傳播過程中所采取的措施。目前使用和研究的重點(diǎn)是控制爆源降震，干擾降震法、控制最大段藥量、改變爆破參數(shù)等方法。非電導(dǎo)爆管分段毫秒爆破過程中，從監(jiān)測的波形圖可以看出，掏槽孔爆破震動引起的地表震動最強(qiáng)烈，這是因?yàn)樘筒劭椎妮S線與爆破自由面的夾角較大,使巖體爆破的夾制作用增大[3]。掏槽孔爆破的震動效應(yīng)控制是降低或消除淺埋隧道爆破震害的關(guān)鍵,研究其地表震動的變化特征尤為重要。毫秒延時雷管時間控制精度很不足,常用的前15段雷管延時誤差范圍在10～120 ms，要達(dá)到理想的微差干擾降震目的，雷管的時間精度誤差應(yīng)該控制在1 ms以內(nèi)，這便需要具有依靠高精度延時控制技術(shù)的數(shù)碼電子雷管[4]。在采取降震措施時可采用電子雷管單孔連續(xù)起爆技術(shù)，與非電雷管爆破相比，爆破震動降低非常明顯，采用隧道電子雷管單孔連續(xù)起爆時，掏槽眼間的延時間隔時間對降振效果和爆破進(jìn)尺至關(guān)重要。如何合理的控制微差延期時間是微差爆破技術(shù)研究的核心和焦點(diǎn)[5]。葉海旺等在數(shù)碼雷管減震爆破試驗(yàn)中[6]，分析了孔間、排間微差時間產(chǎn)生的不同爆破效果，張志呈等也對逐孔爆破微差時間做了研究[7]。沈曉松研究了微差時間對爆破塊度的影響。微差時間間隔過短可能會出現(xiàn)效果不明顯或分段震波出現(xiàn)疊加，增強(qiáng)震動效應(yīng)；時間間隔過長，可能影響巖石破碎效果。

在黃石月亮山淺埋隧道爆破掘進(jìn)過程中，掏槽爆破采用逐孔微差起爆?？紤]到孔間微差時間可能對爆破震速、頻率以及爆破效果產(chǎn)生影響，進(jìn)行了電子雷管減震試驗(yàn)，選取不同的微差時間對電子雷管逐孔微差爆破效果進(jìn)行比較，選取一定范圍內(nèi)最為理想的微差時間，在后續(xù)爆破施工中實(shí)現(xiàn)了較好的爆破效果，且爆破震動效應(yīng)控制在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1試驗(yàn)背景

1.1工程概況

黃石市月亮山隧道工程位于黃石市老城區(qū)端，該工程為分離式隧道設(shè)計，兩洞間距11.5～33 m。左線隧道起訖樁號ZK3+585～ZK6+700，全長3115 m；右線隧道起訖樁號ZK3+585～ZK6+701，全長3116 m。隧洞圍巖構(gòu)造及巖層走向復(fù)雜、穩(wěn)定性差，且屬于典型淺埋隧道(地表最小垂直距離為20 m，最小水平距離為23 m)。隧道北端圍巖主要為中風(fēng)化灰?guī)r，少量中風(fēng)化泥灰?guī)r，巖體較破碎，自穩(wěn)能力較差?？缍却?，存在Ⅴ級圍巖的凈寬為13.5 m的三車道和Ⅳ級圍巖凈寬為5.75 m的雙車道隧道，隧道穿越多個居民區(qū)。

隧道下穿居民區(qū)，房屋建筑年限較長，且大多為磚混結(jié)構(gòu)，故要求所測得測點(diǎn)的最大震動速度不能超過1.5 cm/s。

1.2開挖方案

月亮山隧道北端暗洞洞口部位，為小凈距Ⅴ級較差圍巖段，開挖方式主要采用上臺階開挖法。

隧道開挖采用光面爆破，選?、跫墖鷰r凈寬為13.5 m隧道斷面掏槽爆破時，減震電子雷管試驗(yàn)進(jìn)行研究。采用斜眼掏槽，循環(huán)進(jìn)尺為2 m，炮孔孔徑為42 mm，藥卷直徑32 mm的巖石膨化炸藥。

電子雷管逐孔微差爆破時，共36個炮孔。炮孔對稱排布，采用連續(xù)裝藥，炮孔堵塞長度30 cm,掏槽孔爆破從內(nèi)圈炮孔向外圈延伸。試驗(yàn)采用逐孔起爆，實(shí)施了5種不同的微差延時方案，分別為5 ms、6 ms、7 ms、8 ms和10 ms。電子雷管逐孔微差爆破炮孔布置及參數(shù)見圖1(注：數(shù)字表示起爆順序)。

2減震試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

爆破掌子面的電子雷管延時順序見圖1。電子雷管爆破試驗(yàn)主要采取逐孔起爆方法，孔間時差分別設(shè)置為5 ms、6 ms、7 ms、8 ms、10 ms，每次爆破試驗(yàn)的總藥量為56 kg，單響最大藥量為1.6 kg，相同微差時間各進(jìn)行3組測試。每次試驗(yàn)前在測點(diǎn)位置提前布設(shè)傳感器，記錄爆破震動數(shù)據(jù)，根據(jù)震動監(jiān)測結(jié)果分析以及每次試驗(yàn)后的爆破效果，最終確認(rèn)最佳孔間時差，從而實(shí)現(xiàn)爆破效果優(yōu)化。

2.2測點(diǎn)布設(shè)

從掘進(jìn)掌子面的正上方地表，沿隧道掘進(jìn)方向敷設(shè)2個測點(diǎn)(間隔20 m),考慮到隧道的空洞放大效應(yīng),在隧道掘進(jìn)的反方向也布置2個測點(diǎn)，同時垂直于隧道的方向沿著掌子面也布置兩個點(diǎn)。測點(diǎn)布設(shè)圖見圖2。

3不同微差時間爆破震動監(jiān)測及波形分析

對數(shù)據(jù)分析時發(fā)現(xiàn)，相同微差時間進(jìn)行的3次爆破試驗(yàn)中對應(yīng)的各測點(diǎn)的震動數(shù)據(jù)相差不大，比較3組數(shù)據(jù)，選取爆破震動最大值處測點(diǎn)的震速、頻率和波形圖作為參考數(shù)據(jù)。不同微差時間時震動數(shù)值的選取均以相同的方法進(jìn)行，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。同時獲取不同微差時間時最大震速時的波形圖(見圖3)。

表1　不同孔間微差下的震動數(shù)據(jù)

結(jié)合波形圖和掌子面測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，孔間微差時間為5 ms時，震源位置(掌子面)正上方震動峰值達(dá)到4 cm/s，房屋結(jié)構(gòu)震感強(qiáng)烈，其它測點(diǎn)震動值較小，垂直方向頻率較低，爆破效果較好；但震源正上部震動仍偏大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全標(biāo)準(zhǔn)。波形圖中，后半段震速明顯增加，降震效果不好可能是因?yàn)閱慰桩a(chǎn)生的地震波的主震相疊加，使地表質(zhì)點(diǎn)速度幅值變大。爆破后掏槽效果欠佳，巖體破碎效果不好，挖掘清渣困難，可能的原因是孔間微差較小，自由面未充分形成時，臨近炮孔即被引爆。

采用孔間微差6 ms電子雷管起爆時，爆破震動峰值較微差時間為5 ms時降低約42%左右，且只有掌子面正上方處震動值略偏大，其他測點(diǎn)震動均較小，震動控制較好，但是徑向和切向震動頻率均在10 Hz左右，與房屋極易發(fā)生共振，破壞房屋結(jié)構(gòu)。從波形圖看，0.1 s左右出現(xiàn)震速疊加。且爆破后掏槽效果欠佳，巖體破碎效果不好，挖土機(jī)清渣困難，分析因?yàn)槭强组g微差偏小，自由面未完全形成的時候，臨近炮孔起爆。

孔間微差為7 ms的電子雷管起爆，爆破震動峰值有明顯降低，且掌子面正上方處震動值為1.33 cm/s，降低了約70%，波形圖出現(xiàn)削波現(xiàn)象，其他測點(diǎn)震動均較小完全符合《爆破安全規(guī)程》中普通房屋安全振速應(yīng)小于1.5 cm/s的規(guī)定，震動控制較好；震動頻率均大于30 Hz，出現(xiàn)共振幾率不大，故共振對結(jié)構(gòu)破壞的可能性不大；本微差實(shí)驗(yàn)中，大塊率較低，破碎效果很好。

孔間微差為8 ms的電子雷管起爆，爆破震動峰值較5 ms時雖有明顯降低，但掌子面正上方處震動值略大，在0.2 s左右出現(xiàn)震速疊加增大；且徑向頻率僅為20 Hz，有可能使房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生共振破壞；掏槽效果欠佳，巖體破碎效果不好，爆破效果不理想。

孔間微差為10 ms時,電子雷管爆破過程中監(jiān)測得到了理想的波形，距離掌子面最近建筑物處地表質(zhì)點(diǎn)最大振速僅為 1.55 cm/s，基本符合安全標(biāo)準(zhǔn)。各個測點(diǎn)測得的震動頻率最低為42 Hz,爆破頻率較高,與房屋結(jié)構(gòu)自振頻率相差大，出現(xiàn)共振幾率小。由最大震速測點(diǎn)的波形圖看出，最大震速出現(xiàn)在后段，可能是選取的微差時間不合適，不同段別的地震波波頭與波尾出現(xiàn)相互疊加；且微差時間為10 ms時，掏槽效果不好，產(chǎn)生了明顯大塊,主要是炮孔較密集,孔間微差時間較長，相鄰巖體相互作用時間較短導(dǎo)致。

4結(jié)論

通過對不同孔間微差時間效果和數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論:

(1)隧道掘進(jìn)過程中爆破地震波垂直分量震動振幅高，是引起房屋破壞的重要因素。采用電子雷管逐孔起爆可以控制最大起爆藥量，降低震速；但是爆破震動與逐孔微差時間的關(guān)系并不呈現(xiàn)單調(diào)性，并不是簡單地隨時間增加或減小。

(2)在本次直孔掏槽爆破試驗(yàn)中，試驗(yàn)效果最佳出現(xiàn)在孔間7 ms微差延時的工況。孔間微差為7 ms的電子雷管起爆，顯著降低了隧道爆破震動效應(yīng)，震動速度控制在國家標(biāo)準(zhǔn)1.5 cm/s以內(nèi)，震動頻率較高且爆破效果最佳；因此,從震動速度、頻率和爆破效果三個角度來考慮,月亮山隧道開挖中采用孔間7 ms微差延時對樓房的影響最小。

綜合分析來看，月亮山隧道爆破掏槽爆破的最優(yōu)方案為逐孔爆破且微差時間為7 ms，為了控制爆破震動效應(yīng)及改善爆破效果，最終選取此方案；且后續(xù)爆破實(shí)踐中均獲得較好的效果。

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Damping Blasting Field Experiment in Yueliangshan Tunnel

ZHANGWei-ming1,XIAOLiu2,BUJun-rui1,YUDa-wei2,CHENZi-lin2,CHENXian-feng2

(1.No.3 Engineering Co Ltd of CR11BG,Shiyan 442012,China;2.School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070，China)

Abstract:Yellowstone Moon Mountain Tunnel is a typical shallow urban tunnel with large span.In order to control the blasting vibration effect in the tunnel blasting process,and to reduce the impact of blasting on resident and building structure,the millisecond blasting method by using electronic detonators was performed.Considering the impact of time delay on the blasting vibration and effects,the different time delay tests in holes were carried on with 5 ms,6 ms,7 ms,8 ms and 10 ms.Based on the blasting results and vibration data,the optimized time delay was obtained,where the shock speed,vibration frequency and blasting effect were taken into consideration.When the time delay was designed as 7 ms,the maximum vibration speed was less than 1.5 cm/s,which was in the control of safety standards.The vibration frequency was higher than 30 Hz and made no resonance hazard on building structures.Meanwhile,the rock fragmentation also got improved.

Key words:tunnel excavation；electronic detonator；blasting-by-bore; millisecond time; damping effect

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.005

收稿日期:2016-04-06

作者簡介:張維明(1974-)，男，高級工程師，從事工程施工項目，(E-mail)zhangweiming741@163.com。 通訊作者:肖柳(1992-)，女，碩士研究生，(E-mail)xiaoliu112@whut.edu.cn。

中圖分類號:U455.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0023-05