袁　東，高景明，張向榮，喬　雄

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南　洛陽　471013；2.臺州市黃巖區(qū)公路管理局，浙江　臺州　318020；3.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州　730050）

隧道掘進爆破的振動監(jiān)測與控制技術(shù)研究

袁東1，高景明1，張向榮2，喬雄3

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南洛陽471013；2.臺州市黃巖區(qū)公路管理局，浙江臺州318020；3.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州730050）

通過爆破振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在臨近隧道爆破施工中通常掏槽爆破引起既有隧道的振動最為強烈，并且掏槽爆破效果的好壞直接影響整體的爆破效果。針對這個問題設(shè)計了掏槽分段的爆破方案，并進行了爆破對比試驗，試驗結(jié)果證明，分段掏槽技術(shù)的采用使得爆破振動效應(yīng)明顯降低，可為類似工程的建設(shè)提供參考與借鑒。

隧道爆破施工；分段掏槽爆破；實驗探究

臨近隧道施工中，爆源與既有隧道間距很小，爆破振動對既有隧道結(jié)構(gòu)的危害性明顯。爆破振動荷載的反復作用，容易引起圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的損傷，弱化結(jié)構(gòu)強度，使結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生塑性變形，引起部分區(qū)域裂縫發(fā)展甚至隧道整體變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)坍塌［1］。施工中應(yīng)當采用控制爆破技術(shù)，并采取適應(yīng)的安全控制標準，利用爆破振動測試測的反饋信息來合理設(shè)計或者優(yōu)化爆破參數(shù)，使爆破振動強度不至于危及既有隧道的安全，最終減少爆破振動產(chǎn)生的危害［2］。

基于上述原因，通過隧道掘進爆破的振動監(jiān)測與控制技術(shù)研究可以在保證隧道結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，尋求經(jīng)濟合理的爆破掘進方案，對促進控制爆破技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論和實用價值［3］。

1　依托工程概況

新建隧道下部的既有隧道為分離式雙向4車道，隧道長445m，隧道凈距約為28m，新建隧道為雙向四車道的連拱山嶺隧道，新建隧道平面線位于既有隧道的內(nèi)側(cè)，且底部高于既有隧道。

新建隧道圍巖基本質(zhì)量級別為V級，穩(wěn)定性較低，宜采用復合式襯砌。新建隧道第四系厚度不大，巖石屬較硬巖-堅硬巖，施工中要充分考慮開挖難度。新建雅山隧道與既有雅山隧道凈距較小，最小凈距約12.5m，新建隧道位于既有隧道之上，如圖1所示。既有雅山隧道采用復合式襯砌，初期支護為型鋼支護，二次襯砌為素混凝土和鋼筋混凝土襯砌，影響范圍內(nèi)的隧道襯砌為素混凝土襯砌，抗震等級為八度，如圖1所示。

圖1　新建隧道與即有隧道的位置關(guān)系

2　試驗方案設(shè)計

由于掏槽爆破時，僅有一個自由面，爆破時夾制作用很大，若要取得好的掏槽效果需要加大掏槽爆破的單孔藥量［4］。通過對主洞試驗段爆破開挖的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)盡管掏槽爆破的單段藥量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振動強度最大，若要降低爆破施工中的振動效應(yīng)，則需要控制掏槽爆破的單段藥量。但是降低了掏槽爆破的單段藥量又會影響到掏槽爆破的效果，使得整體爆破效果不佳［5-6］。

針對這種情況，在優(yōu)化方案中通過在掏槽孔形式不變的情況下對裝藥結(jié)構(gòu)進行改而解決了掏槽效果與爆破振動效應(yīng)之間的矛盾，即采用掏槽孔孔內(nèi)分段的方式起爆，將掏槽孔內(nèi)的藥包分成兩段起爆，四對掏槽孔的外側(cè)采用1段雷管起爆，四對掏槽孔的內(nèi)側(cè)采用3段雷管起爆。這樣在不降低掏槽爆破藥量的前提下，降低了掏槽爆破的單段藥量，進而降低了掏槽爆破的振動效應(yīng)。

為此，設(shè)計了現(xiàn)場對比試驗。對比試驗中，在保證裝藥量和布孔形式和尺寸相同的情況下采取掏槽孔孔內(nèi)分段起爆（簡稱分段掏槽方案）和掏槽孔內(nèi)采用單一段位起爆（簡稱單段掏槽）兩種方案，進行爆破振動效應(yīng)的對比測試，對其結(jié)果進行分析，從而檢驗爆破優(yōu)化的效果，以新建隧道左洞K0+ 970-K0+982段為試驗段。在新建隧道爆破斷面的中隔墻處布置2臺儀器，在同一斷面的既有隧道邊墻處也布設(shè)測2臺測試儀器，共進行了3次（6個炮次）爆破對比試驗，對比兩種裝藥方案下在中隔墻和既有隧道邊墻處的爆破振動強度。

試驗中的炮孔布置以及裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。各孔裝藥參數(shù)見表1。

表1　主洞爆破對比試驗參數(shù)表

圖2　炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)

3　試驗結(jié)果及分析

3.1振速監(jiān)測結(jié)果及分析

爆破對比試驗監(jiān)測結(jié)果見表2。

由表2可見，雖然在兩種爆破方案中僅僅是掏槽段的起爆方式不同 （單段掏槽方案中孔內(nèi)藥包全部用1段雷管起爆；分段掏槽方案中孔內(nèi)藥包分為1段與3段兩段起爆），但是優(yōu)化方案中采用掏槽孔孔內(nèi)分段的裝藥方式降振效果明顯，在不分段方案下測得的中隔墻處的平均振速為12.537cm/s，既有隧道邊墻處測得的平均振速為4.383cm/s；采用優(yōu)化方案后測得的振速結(jié)果明顯降低，中隔墻處測得的振速平均值為7.019cm/s，既有隧道處測得的振速平均值為3.109cm/s。最終采用優(yōu)化方案后在中隔墻處的降振效果達到43.44%；在既有隧道邊墻處的降振效果達到29.07%。由此可見，掏槽分段技術(shù)的采用使得爆破振動效應(yīng)明顯降低。

表2　爆破對比試驗測試結(jié)果統(tǒng)計

3.2波形分析

3.2.1掏槽不分段方案下爆破振動測試結(jié)果

掏槽不分段方案下隧道墻體爆破振動測試結(jié)果如圖3、圖4所示，見表3、表4。

1）新建隧道中隔墻。

圖3　K0+970斷面爆破振動z向波形圖

表3　測試結(jié)果

2）既有隧道邊墻。

圖4　K0+950斷面爆破振動z向波形圖

表4　測試結(jié)果

由波形圖可見，在單段方案下，掏槽孔采用1段起爆，裝藥量為8.4kg；周邊孔采用15段起爆，裝藥18.75kg為最大單段裝藥量。雖然掏槽爆破的單段裝藥不是最大，但由測得振動波形圖可見，在z方向上在第5.3ms波速迅速達到最大值13.575cm/s，為掏槽爆破引起的振動結(jié)果。爆源處的縱波、橫波和面波同時生成，在爆破近區(qū)的中隔墻的質(zhì)點上，3種波幾乎同時到達，相互重疊，各類波的初至時刻難于區(qū)分，無法辨別初振相與主振相。如圖4所示在既有隧道中測得波速在z方向上在第2.9ms迅速達到最大值3.958cm/s，這也是掏槽爆破作用的結(jié)果。在既有隧道邊墻處與中隔墻處測的趨勢一致，均為在掏槽爆破中，波形前沿上升較快、較陡，測點振動速度很快達到峰值在隧道掘進爆破技術(shù)中，控制爆破振動效應(yīng)的一個關(guān)鍵技術(shù)就是掏槽爆破。

3.2.2掏槽分段爆破振動測試結(jié)果

掏槽分段方案下隧道墻體爆破振動測試結(jié)果如圖5、圖6所示，見表5、表6。

1）新建隧道中隔墻。

圖5　K0+972斷面爆破振動z向波形圖

表5　測試結(jié)果

2）既有隧道邊墻。

圖6　K0+972斷面爆破振動x向波形圖

表6　測試結(jié)果

由波形圖可見，掏槽孔1、3段爆破的振動波形的主振相在時間軸上分離，波形未明顯疊加。但掏槽孔內(nèi)分段裝藥，有效減小了掏槽爆破的單段藥量，減小了掏槽爆破的主振動強度，使得中隔墻上測得的最大振動波速未出現(xiàn)在掏槽爆破中，而既有隧道中測的掏槽爆破引起的振動強度也明顯降低。試驗證明掏槽分段的方案能夠明顯地降低了掏槽爆破的振動效應(yīng)，并且未減少掏槽爆破的總藥量與掏槽孔的單孔藥量，有效地保證了掏槽爆破的效果。

裝藥結(jié)構(gòu)中周邊孔采用15段起爆，裝藥18.75kg，為最大單段裝藥量；內(nèi)圈孔采用13段起爆，裝藥12kg。周邊孔爆破與內(nèi)圈孔爆破的單段藥量最大，然而最大振動波速卻出現(xiàn)在周邊孔與內(nèi)圈孔爆破中，其原因為爆破振動效應(yīng)的強弱不僅與單段藥量有關(guān)，而且與裝藥的分散程度和臨空面有關(guān)，周邊孔或內(nèi)圈孔爆破時臨空面相對較好；同時周邊孔與內(nèi)圈孔安排了高段位的雷管，高段位雷管起爆延時分散性大，誤差疊加，使得各炮孔內(nèi)炸藥起爆時刻分散，設(shè)計中適當增加同段爆破炮眼數(shù)不會明顯加大爆破振動值，同時可以起到改善爆破效果、簡化爆破施工的作用。

4　結(jié)論

1）掏槽爆破是隧道掘進爆破技術(shù)中的主要難點和關(guān)鍵，掏槽的好壞直接影響其他炮孔的爆破效果。因此必須選擇合理的掏槽孔布置方式和裝藥方式。因此在爆破生產(chǎn)中，需要對爆破的振動效應(yīng)跟蹤測量，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)。

2）通過爆破振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)盡管掏槽爆破的單段藥量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振動強度最大，若要降低爆破施工中的振動效應(yīng)，則需要控制掏槽爆破單段藥量。

3）針對掏槽振動最大的現(xiàn)象，在優(yōu)化方案中采用掏槽孔孔內(nèi)分段的方式起爆，將掏槽孔內(nèi)的藥包分成兩段起爆，這樣在不降低掏槽爆破藥量的前提下，降低了掏槽爆破的單段藥量，進而降低了掏槽爆破的振動效應(yīng)。

4）通過爆破對比試驗得出結(jié)論：采用分段掏槽方案后測得的振速結(jié)果明顯降低，中隔墻處的降振效果達到43.44%；在既有隧道邊墻處的降振效果達到29.07%。由此可見，掏槽分段技術(shù)的采用使得爆破振動效應(yīng)明顯降低。

5）周邊孔以及內(nèi)圈孔爆破時有較好臨空面，并且高段位雷管延時分散性大，所以引起的振動較小，可適當增加炮眼數(shù)和藥量。

［1］ 龔倫，仇文革，曹義.下穿樓房隧道近接施工爆破控制技術(shù)研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2006（01）：86-88.（GongLun，Qiu Wenge，Cao Yi.Proximity tunnel beneath the building Con struction Blasting Control Technology［J］.Railway Standard Design，2006（01）：86-88.）

［2］ 申玉生，高波，王志杰，等.復線隧道施工爆破對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.地下空間與工程學報，2009（05）：980-984.（Shen Yu-shen，Gao Bo，Wang Zhijie.Effect of blasting in double line tunnel on existing tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering，2009（05）：980-984.）

［3］ 張志呈.定向斷裂控制爆破［M］.重慶出版社，2000.（Zhang Zhi-cheng.Directional fracture controlled blasting［M］. Chongqing Publishing House，2000.）

［4］ New B M.Ground vibration caused by construction works［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1990，5（3）：179-190.

［5］ 楊軍，陳鵬萬，胡剛.現(xiàn)代爆破技術(shù)［M］.北京理工大學出版社，2004.（Yang Jun，Chen Peng-wan，Hu Gang.Modern blasting technology［M］.Beijing Institute of Technology Press，2004.）

［6］ 言志信，王后裕.爆破振動效應(yīng)及安全［M］.科學出版社，2011.（ZengZhi-xin，WangHou-yu.Blast vibrationeffect and safety［M］.Science Press，2011.）

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