張征亮

（江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

公路隧道洞口段圍巖破碎、風(fēng)化嚴(yán)重，常伴隨淺埋、偏壓等現(xiàn)象，其力學(xué)特征復(fù)雜，穩(wěn)定性差。當(dāng)洞口段地形復(fù)雜且有偏壓時(shí)，由于重應(yīng)力場分布的影響，地面偏壓會(huì)導(dǎo)致地層主應(yīng)力方向發(fā)生傾斜，故在引起淺埋偏壓隧道開挖后應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力不均勻，而在爆破開挖的多次干擾下，如果不及時(shí)支護(hù)，很容易導(dǎo)致工程安全事故。因此，在開挖時(shí)必須將支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工相結(jié)合，采用合理的爆破參數(shù)，最大限度地降低爆破振動(dòng)對圍巖的干擾及對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。

1 爆破振動(dòng)監(jiān)測

1.1 測試設(shè)備選擇

監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)劣將會(huì)對監(jiān)測結(jié)果的可靠性產(chǎn)生很大的影響，并對監(jiān)測的成功與否產(chǎn)生重要的影響。所以，在選用試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，要依據(jù)所測信號的幅度及頻域來選用試驗(yàn)設(shè)備。該試驗(yàn)設(shè)備采用UBOX-5016型智能爆破振動(dòng)檢測裝置，并采用配套的水平、垂直速度傳感器。該測試系統(tǒng)量程大，通頻帶寬，采用電池供電，無須外部電源，與常規(guī)的測試方式相比，省去大量的布線、檢查、回收等煩瑣的工作，有效地解決了野外測試中對交流電的依賴性，提高了現(xiàn)場測試的方便和高效。另外，由于電腦功能強(qiáng)大，處理數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、方便，功能更加完備，可以大大提高工作效率。

1.2 爆破條件及測試方案

該隧道的行車速度為60km/h，建筑限界為10.5m，高度為5.0m。隧道進(jìn)口拱頂埋深為9m，輪廓線右側(cè)距地表最淺處不足4m，屬于淺埋偏壓的隧道。

隧道洞口表層為2.5m 厚的粉質(zhì)黏土，下部為強(qiáng)-中風(fēng)化（黑云母）片麻巖，節(jié)理裂縫發(fā)育，巖心為短圓柱形，局部破碎塊，綜合評價(jià)為V 型，具有良好的可爆性。考慮到洞口斷面采用后壓回填法，超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管，初期支護(hù)采用中空注漿錨桿+工字鋼+8 鋼筋網(wǎng)+C25 噴射混凝土支護(hù)形式；隧道采用上下臺階法進(jìn)行開挖，上部為楔形掏槽，下部為水平孔，以減少上部混凝土襯砌和地面破壞。

現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測主要是對地面震動(dòng)速度的采集，輔以隧道襯砌的振速監(jiān)測，對地震波衰減規(guī)律進(jìn)行全面的分析。下臺階開挖爆破振動(dòng)主要發(fā)生在混凝土襯砌上，根據(jù)不同位置振動(dòng)速度的變化，對其進(jìn)行了相應(yīng)的控制。在地面上，現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在深埋隧道施工過程中，巖體整體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，成洞區(qū)表面振速會(huì)被進(jìn)一步擴(kuò)大，即“空洞效應(yīng)”。每個(gè)測量點(diǎn)的間距表示在圖1 中，ABC 表示隧道的縱向（也就是挖孔的方向），bAc 是指爆破的剖面。

圖1 振速測點(diǎn)布置（單位：m）

1.3 爆破測試系統(tǒng)及原理

該工程采用TC-4850、UBOX-5016 爆破振動(dòng)記錄儀、速度傳感器對爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。通過現(xiàn)場實(shí)測，估算出隧道爆破測點(diǎn)振速為30cm/s，振動(dòng)時(shí)間約為1s。為了確保整個(gè)振速波形的錄制，設(shè)定了5kHz的取樣速率、2s 的取樣時(shí)間、10V 的全范圍、0.2V 的觸發(fā)和上升邊緣的觸發(fā)方式。在工程實(shí)施期間，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的監(jiān)測方案，在監(jiān)測點(diǎn)安裝了測速傳感器，再用數(shù)據(jù)線路將其與記錄設(shè)備連接起來，并啟動(dòng)設(shè)備。在工作面引爆過程中，發(fā)生了爆炸，在巖層中形成了一種應(yīng)力波，并在巖層中擴(kuò)散，使測點(diǎn)附近的速度傳感器發(fā)生了震動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)化為電壓，再用A/D 變換成數(shù)字信號，將其存儲在設(shè)備內(nèi)。通過分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如速度三向量疊加分析、頻譜分析、薩道夫斯基衰減方程的回歸分析，得出了爆破地震波的傳播和衰減規(guī)律。

1.4 爆破監(jiān)測點(diǎn)布置

按照相關(guān)部門對隧道施工過程的全過程監(jiān)測，在現(xiàn)有隧道內(nèi)每60m 設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)（兩個(gè)洞口間距），以準(zhǔn)確評估爆破對現(xiàn)有隧道的影響。每一次在新的隧道掘進(jìn)工作面前、后部設(shè)置兩個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)傳感器設(shè)置在已建隧道的迎爆側(cè)墻內(nèi)。在每個(gè)點(diǎn)布置水平、徑向和豎向三個(gè)傳感器，可以對挖掘工作面前后的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。

2 振動(dòng)監(jiān)測成果分析

此次爆破振動(dòng)的監(jiān)測重點(diǎn)是在隧道的明暗交界處，在地面上沿著隧道的縱向方向設(shè)置了測點(diǎn)，并與工作面一起向前推進(jìn)。在穿越A 處時(shí)，根據(jù)地形的不同，在隧道橫截面上增加了輔助測點(diǎn)b、c，并位于爆炸源的正上方。根據(jù)工程進(jìn)度，逐項(xiàng)分析監(jiān)測資料，為爆破施工方案的適時(shí)調(diào)整提供參考。根據(jù)隧道洞口段的深度和圍巖的風(fēng)化程度，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度，采取了上下臺階法，上臺階高6m，開挖面積55m；下臺階3.6m，開挖面積30m。采用楔形開孔法、周距無耦合裝藥工藝，循環(huán)進(jìn)尺控制在1～2m以內(nèi)。上階梯段開挖段的地面振動(dòng)速度測量結(jié)果見表1，典型的測量點(diǎn)振速曲線見圖2。

在圖2 中，垂直方向上的地勢變化較小，測量點(diǎn)的高度基本一致；在隧道的橫向上，由于地形的影響，各個(gè)測點(diǎn)的高程也有一定的差異。由表1 可知，在成洞區(qū)，D 點(diǎn)的振動(dòng)速度最大，在非開挖區(qū)域B 點(diǎn)振速最?。辉跈M截面上，c 點(diǎn)與隧道剖面的距離最接近，振動(dòng)速度最大，b 點(diǎn)最遠(yuǎn)，振動(dòng)速度最低。

圖2 典型實(shí)測地表振速

表1 的監(jiān)測結(jié)果顯示：第一，在隧道工作面上測點(diǎn)A 處，隧道縱表面測點(diǎn)的振動(dòng)速率反映出淺埋的特性，而隧道開挖會(huì)使上部淺層巖石的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使地表測點(diǎn)振速有區(qū)域性的變化，這就是從成洞區(qū)到非開挖區(qū)的振速逐漸減小。第二，在工作面正面的地面測量點(diǎn)A 處的振動(dòng)速率，這一次的監(jiān)測結(jié)果比鄰近成洞區(qū)D 要小。第三，在偏壓地形作用下，在隧道橫向上，在偏壓作用下，淺埋段的振動(dòng)是最大的。第四，在淺埋偏壓隧道施工中，爆破振動(dòng)對開挖區(qū)上部、襯砌結(jié)構(gòu)和偏壓淺埋等方面的作用要加以控制。

表1 地表部分測點(diǎn)及振速數(shù)據(jù)

3 淺埋偏壓隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)

3.1 洞口小導(dǎo)管超前支護(hù)與反壓回填

為增強(qiáng)隧道洞口段圍巖的穩(wěn)定，在開挖過程中采用雙排注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，在洞口段2m 處鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并進(jìn)行錨噴；同時(shí)，通過采取“倒壓回填”的技術(shù)措施，提高隧道右側(cè)的土層厚度，以達(dá)到平衡由于左側(cè)高差引起的橫向壓力。

3.2 選擇合理的掏槽結(jié)構(gòu)形式

通過對掏槽爆破的振動(dòng)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在單洞爆破和外洞爆破中的單聲藥用量差別不大的情況下，掏槽爆破的振動(dòng)明顯增大，主要是由于掏槽爆破的臨空面條件較差，巖體夾持的影響較大。因此，在減少或消除淺埋隧洞爆破的震害問題時(shí)，必須采取有效措施進(jìn)行震害控制。因此，本文提出了多級復(fù)式楔形挖槽爆破方案，從大楔形掏槽改為多級小楔形掏槽，一方面減少了各級楔形掏槽的爆破藥量，另一方面前一次掏槽為后一級掏槽提供了一個(gè)臨空面，巖體的夾壓作用減弱，爆破振動(dòng)得到了有效控制，而且由于掏槽爆破效果的改善，循環(huán)掘進(jìn)的進(jìn)尺也增加了。

3.3 合理布置掏槽位置

由于地形的改變，隧道入口出現(xiàn)了偏壓。為有效地控制淺埋地面的振動(dòng)，減小爆破振動(dòng)對隧道軟弱部位的破壞（尤其是在地震作用下），在開挖時(shí)除了采用級小楔形掏槽形式外，還可以在開挖中線左邊偏移0.6～1.0m，可以降低掏槽孔爆破對巷道偏壓淺埋區(qū)域的震動(dòng)效應(yīng)。偏壓巷道開挖部位的選取也應(yīng)充分考慮其構(gòu)造特點(diǎn)及賦存條件。

3.4 爆破器材選擇

爆破設(shè)備如炸藥、雷管等是影響爆破震動(dòng)的重要因素。從理論上講，采用低爆速、低猛度、小直徑、高傳爆性能、高精度延遲雷管來完成連續(xù)引爆，可獲得較好的光面爆破效果，減小爆破震動(dòng)。在實(shí)際工程中，由于設(shè)備種類、環(huán)境等因素的制約，可供選擇的余地較小，所以在掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)已有的爆破設(shè)備，對各個(gè)部位的炮眼作用進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)。對于擴(kuò)溝孔，可以選用高段位的雷管進(jìn)行爆破，在這個(gè)時(shí)候，爆炸面好，高段長的雷管有很大的延時(shí)散性，在設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)增大同段開孔數(shù)量，而不會(huì)使爆破振幅顯著增大，而且可以簡化爆破作業(yè)。在條件允許的情況下，可以選用高精度的數(shù)字電子雷管，實(shí)現(xiàn)任何延遲時(shí)間的設(shè)定，充分利用延時(shí)錯(cuò)峰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使爆破震動(dòng)減小，提高爆破效果。

3.5 預(yù)應(yīng)力錨索框架梁施工

第一，放樣，搭建腳手架。根據(jù)邊坡的長度，精確地將錨桿定位，孔位誤差不能大于50mm；腳手架由中48 鋼管搭設(shè)，在每個(gè)立桿的底面都要有一個(gè)基座或墊片，支架的縱向和橫向搭設(shè)。橫桿與地板相距20～30cm，腳手架應(yīng)設(shè)置適當(dāng)且堅(jiān)固的拉結(jié)點(diǎn)，并設(shè)有斜撐，以提高支撐的整體穩(wěn)定性。腳手架外懸掛防護(hù)立網(wǎng)隨著施工的進(jìn)行而上升，并將腳手架展開，安裝時(shí)應(yīng)及時(shí)設(shè)置連接桿、剪刀撐，支架安裝完成后應(yīng)拉設(shè)四周纜風(fēng)繩錨固，避免腳手架的變形、傾倒。

第二，鉆機(jī)就位，鉆孔。根據(jù)斜坡測量孔位，精確地固定和安裝鉆機(jī)，嚴(yán)格調(diào)整位置，保證錨桿開鉆到位，鉆孔必須干燥，嚴(yán)禁使用水鉆，以保證邊坡巖體性能被破壞。

第三，采用高壓的通風(fēng)方式。在達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后，不得馬上停止，需穩(wěn)定鉆孔1～2min，再用高壓風(fēng)管對鉆孔進(jìn)行清洞，通過驗(yàn)收后方可進(jìn)行下一階段的施工。

第四，錨索的制作，驗(yàn)收和安裝。錨桿必須集中在鋼筋預(yù)埋場集中處理，然后將其運(yùn)送到工地儲存。在安裝錨桿之前，要保證鋼筋的平直，除銹、除油污，并涂上防銹劑，仔細(xì)檢查錨孔號碼，確定正確后再用高壓風(fēng)洞進(jìn)行清理，然后手工把錨桿緩緩插入孔中。

第五，制作泥漿和灌漿。采用M30 水泥砂漿填充錨桿，采用0.4～0.45的水灰比、1∶1 的灰砂比、30MPa 的混凝土強(qiáng)度。采用自孔底部向孔內(nèi)灌漿的方法，灌漿壓力不得小于0.3MPa，且與錨索拉伸試驗(yàn)結(jié)果相符；灌漿管在距離孔底300～500mm 的位置，由下往上不斷注入泥漿，然后緩慢地將灌漿管抽出。

第六，框架梁挖槽。在此基礎(chǔ)上，對卸載框架進(jìn)行定位，進(jìn)行人工開挖，并將地基中的土壤進(jìn)行加固。采用手工搭設(shè)鋼筋籠，并將其加固，在變形縫部位的拱形鋼筋必須斷裂。在鋼筋安裝完畢并通過驗(yàn)收后，才可以進(jìn)行模板的安裝。

第七，鋼筋和模板的安裝。模板安裝完畢后，應(yīng)重新核對框格尺寸，鋼筋排列位置、數(shù)量和間距，鋼筋綁扎是否牢固，并請監(jiān)理工程師進(jìn)行框格混凝土的澆筑。

第八，澆筑水泥?？蚣芎托敝_應(yīng)該同時(shí)澆筑，還要將錨桿和錨桿同時(shí)進(jìn)行安裝和澆筑。澆筑混凝土?xí)r必須連續(xù)進(jìn)行，并在澆筑的同時(shí)進(jìn)行振搗。

第九，混凝土的養(yǎng)護(hù)。每次施工完畢，在混凝土初凝后按時(shí)間進(jìn)行覆蓋，并進(jìn)行澆灌養(yǎng)護(hù)。覆蓋養(yǎng)護(hù)7 天，在框架鋼筋混凝土強(qiáng)度大于80% 時(shí)，才能進(jìn)行張拉。

4 結(jié)語

在爆破荷載作用下，側(cè)向淺埋偏心段地面振動(dòng)速度最大；自成洞區(qū)在掘進(jìn)過程中，從開挖走向到非開挖區(qū)域，其表面振動(dòng)速度有逐漸減小的趨勢。隧道開挖爆破振動(dòng)的變化與隧道斷面尺寸、埋深、施工方法、地形地質(zhì)等因素有很大關(guān)系。合理地選取挖溝的構(gòu)造方式，由大楔形挖溝改為多級小楔形挖槽，降低了不同掏槽的藥量和巖體的夾持力，提高了爆破的震動(dòng)和掏槽的爆破效果。根據(jù)淺埋偏壓巷道的特征及巖體的賦存情況，合理安排掏槽部位，能有效地降低開挖孔洞爆破對巷道偏壓區(qū)的振動(dòng)效應(yīng)，并能控制圍巖在薄弱部位的破壞。將振動(dòng)監(jiān)測、拱頂沉降、洞周收斂等技術(shù)相結(jié)合，并對隧道內(nèi)不敏感地段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、綜合監(jiān)測以及優(yōu)化，使其在一定程度上減小了爆破振動(dòng)，并確保了最大的循環(huán)進(jìn)尺。