張 雄，孫夢青，張 揚

（1.延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716000；2.陜西交通建設集團 黃延分公司，陜西 延安 716000）

鐵路隧道開挖以鉆爆法和機械掘進法為主，其中鉆爆法在經(jīng)濟性、安全性和效率上具有明顯優(yōu)勢，在國內(nèi)外硬質(zhì)巖隧道施工中得到廣泛應用。但是，爆破過程中產(chǎn)生的沖擊波對隧道圍巖、襯砌結構以及鄰近建筑物可能造成損傷，例如引爆造成隧洞塌方、地表沉陷以及建筑物裂縫等災害時有發(fā)生［1，2］。因此，開展隧道爆破震動規(guī)律及其控制研究，分析隧道爆破開挖與圍巖地質(zhì)條件的相互關系，避免產(chǎn)生次生地質(zhì)災害具有十分重要的意義［3］。目前，相關學者對于隧道爆破振動及施工方面的研究成果多集中在淺埋隧道、交叉隧道和小凈距隧道等的爆破振動施工控制方面［4-7］，而土石交界地層隧道爆破控制方面的研究成果相對較少［8，9］。土石交界地層是我國西南地區(qū)經(jīng)常遇到的一類特殊地層，該地區(qū)地形陡峭，巖石抗風化能力弱，覆蓋層和全風化埋深無規(guī)律，鉆爆法施工存在較大難度。

以空樹河鐵路隧道為研究對象，在分析地層地質(zhì)條件的基礎上，設計土石交界地層在隧洞掌子面或頂拱上方情況下的爆破方案、振動監(jiān)測方案，并對結果進行分析，為該類型復雜地層隧道爆破振動控制技術提供參考。

1 隧道概況

空樹河隧道位于云南省芒康市，隧道全長5.5 km，縱坡為0.8%上坡，直線布置。所處地貌類型為中切割陡坡地形，地表海拔高程一般為200～500 m，地形坡度一般為30°～50°，植被覆蓋茂密。研究區(qū)地層出露單一，以燕山期和加里東期侵入花崗巖為主。其次為上古生界志留系 （S）頁巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r。表層為第三系 （N）花崗質(zhì)礫巖、砂巖、粘土巖和第四系 （Q）粉質(zhì)粘土層。隧道地區(qū)主要穿越地層有殘坡積粉土夾碎石層、全風化巖漿巖以及強弱風化巖漿巖 （見圖1）。殘坡積層和全風化層巖土體結構松散，屬于土層；強弱風化巖漿巖屬于硬質(zhì)巖層。

圖1 空樹河隧道土石交界地層典型縱剖面Figure 1 Typical vertical section of soil-rock boundary stratum in Kongshuhe Tunnel

對空樹河隧道掌子面土石交界位置、地層分布特征和巖性差別進行分析，并在隧道內(nèi)設置位移和鋼拱架內(nèi)力測試儀器，結果發(fā)現(xiàn)：

土石交界面初期變形量稍大于全風化層，小于硬質(zhì)巖層；上部軟弱土層開挖會導致洞內(nèi)斷面位移增大。

當土石交界面為水平分布時，中臺階和下臺階具有較為明顯的應力集中現(xiàn)象，當仰拱部分開挖支護使得仰拱基礎置于硬質(zhì)巖體后，上部土層才可以確保變形穩(wěn)定。土石交界面傾斜時，支護初期內(nèi)力分布呈現(xiàn)明顯的不對稱分布，土層埋深較深一側內(nèi)力偏大。土石分界地層會改變隧道結構軸力和安全系數(shù)，但基本不影響彎矩。

2 隧道爆破方案與振動監(jiān)測設計

2.1 土石分界地層隧道爆破方案

針對土石分界不良地質(zhì)特征，及其所帶來的應力位移變化規(guī)律，選用三臺階分段爆破設計方案，臺階長度設計為10 m，上下臺階間距設置3倍洞經(jīng)，上臺階采用楔形掏槽法，下臺階采用水平孔拉法，循環(huán)進尺控制1.0～1.5 m。根據(jù)土石分界面相對隧洞位置和角度進行微調(diào)，開挖方法嚴格遵循“短進尺，弱爆破，勤量測，早封閉”原則［10］，進行了不同的爆破試驗。隧道爆破施工流程見圖2。

爆破所采用的炮眼間距根據(jù)位置不同一般為0.4～0.9 m，炮眼深度每個循環(huán)進尺0.1～0.2 m，掏槽位置最深約為0.5 m，炮眼數(shù)目設計為150～180個左右，具體設計參數(shù)見表1。

圖2 土石分界地層隧道爆破施工工藝流程圖Figure 2 Flow chart of blasting construction technology for tunnel in earth-rock boundary stratum

表1 土石分界地層爆破設計參數(shù)表Table 1 Design parameters table of blasting in soil-rock boundary stratum

2.2 爆破振動方案設計

振動爆破監(jiān)測主要以爆破時隧道土層分界面、鋼筋混凝土套拱和洞內(nèi)襯砌部位的振動速度為主。選擇TC-500爆破振動監(jiān)測儀和速度接收器，記錄不同部位的振動速度和應力，用于調(diào)整和優(yōu)化爆破設計方案，監(jiān)測點布置見圖3。

當炸藥爆破所產(chǎn)生的荷載作用于掌子面以及附屬建筑物時，其沖擊荷載通常為具有上升段和下降段的三角形荷載，具體表達如下：

上升／下降段作用時間T1按試 （1）求解。

圖3 土石分界地層爆破振動監(jiān)測點布置示意圖Figure 3 Schematic layout of monitoring points for blasting vibration in soil-rock boundary stratum

其中，E代表巖土體的變形模量，MPa；μ為相應位置巖體的泊松比；R代表炮孔間距，m；Q代表裝藥量，g。

爆破荷載產(chǎn)生的應力最大值P根據(jù)公式（2）來推算。

式中：Z代表比例距離，m；R代表炮孔與載荷等效作用面之間的距離，m。

3 監(jiān)測結果分析

為便于分析研究，將土石分界隧道監(jiān)測實施在2種典型工況下：①是土石分界位于隧道掌子面內(nèi)（中部），②是土石分界位于頂拱之上 （距離1.0 m）。

3.1 土石分界位于隧洞內(nèi)

隧道內(nèi)圍巖各個監(jiān)測點主應力分布情況，見表2，掌子面監(jiān)測點C的實測地表振動速度波形，見圖4。

從監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)：沿隧道縱向測點的振動速度一般為5.1～6.0 cm／s，受到隧道埋深和掌子面與地層相交位置影響，自監(jiān)測點向深部未開挖區(qū)域振動波速有遞減趨勢。沿著土石分界掌子面橫斷面方向，由于反射應力波遇到土石界限的反射作用，振動波對混凝土鋼拱架影響較為明顯，特別是在拱頂部位其振動速度達到最大值7.9 cm／s，各測點速度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)中間位置振動速度最小，一般為0.1～1.2 cm／s。應力分布情況標明頂拱以下6 m為可能的塑性破壞區(qū)，受拉破壞的區(qū)域最大深度為頂拱以下2.6 m，均勻分布于土石交界地層以上。該結果表明：在土石分界地層爆破施工過程中應重點關注頂拱中上部圍巖穩(wěn)定性情況，控制土層爆破用藥量。

表2 爆破初期圍巖主應力分布表Table 2 Distribution table of principal stress in surrounding rock at initial stage of blasting

圖4 監(jiān)測點C振動速度波形Figure 4 Monitoring point C vibration velocity waveform

3.2 土石分界面位于頂拱上方

隧道內(nèi)圍巖各個監(jiān)測點主應力分布情況，見表3；掌子面監(jiān)測點D的實測地表振動速度波形，見圖5。

表3 爆破初期圍巖主應力分布表Table 3 Distribution table of principal stress of surrounding rock at initial blasting stage

圖5 監(jiān)測點D振動速度波形Figure 5 Vibration velocity waveform of monitoring point D

從監(jiān)測結果可以看出，掌子面振動速度自中心向未開挖區(qū)逐漸降低，由于土石分界層位于頂拱上方，導致上部和地表振動速度存在區(qū)域差異，土層區(qū)域振動速度小于巖石層振動速度，土石分界面處振動速度高達11.5 cm／s，大于開挖區(qū)；當沖擊波穿過土石界限后振速衰減變快。應力分布監(jiān)測結果顯示，頂拱上部50°范圍內(nèi)發(fā)生一定程度塑性變形，受拉破壞最大深度為1.12 m，該區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性最大，應在該區(qū)域減少裝藥量或者采取機械掘進方式，并及時來取支護措施。

4 結論

以空樹河隧道作為研究對象，針對鐵路隧道爆破施工過程中遇到土石交界特殊地層條件，在分析基本地層地質(zhì)概況的基礎上，對土石交界地層隧道爆破方案設計和振動監(jiān)控分析，得到以下結論：

a.當土石交界面為水平分布，中下臺階具有較為明顯的應力集中現(xiàn)象；土石交界面傾斜時，內(nèi)力呈現(xiàn)不對稱分布，土層埋深較深一側內(nèi)力大。土石分界地層會改變隧道結構軸力和安全系數(shù)，但基本不影響彎矩。

b.土石分界面位于隧洞掌子面時，爆破振動沿著土石分界掌子面橫斷面方向發(fā)展，由于反射應力波遇到土石界限的反射作用，振動波對混凝土鋼拱架影響較為明顯，特別是在拱頂部位其振動速度達到最大值，應力分布情況表明塑性應力均勻分布于土石交界地層以上。

c.土石分界面位于隧洞頂拱以上時，土層區(qū)域振動速度小于巖石層振動速度，沖擊波穿過土石界限后振速衰減變快，頂拱上部50°范圍內(nèi)發(fā)生一定程度塑性變形，受拉破壞最大深度為1.12 m，該區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性最大。

d.土石分界地層常常以多種角度和相交位置與隧道相遇，同時還受到巖、土層差異以及地下水的影響。因此，對不同相交位置、巖土性質(zhì)及地下水對隧道爆破振動的影響研究是今后的研究重點。