小凈距隧道施工中減振技術研究

趙禹鋒

（中鐵八局集團第一工程有限公司 重慶 400050）

張家山隧道位于重慶云陽縣境內，設計為分離式隧道，穿越的地層是Ⅱ～Ⅳ類侏羅系中統上砂溪廟組砂巖、泥巖和砂質泥巖，該隧道左線長1386m，右線長1436m，最大埋深約為135m，其中隧道雙線進口段K183+180～K183+600的420m區段內，左右線中夾巖柱厚度為由洞口的10.0m漸變至K183+600里程的28.8m。在這420m的小凈距隧道區段中，K183+180～K183+220里程的40m段處在Ⅱ類淺埋偏壓巖質地層中，K183+220～K183+600里程380m小凈距段是處在Ⅲ類圍巖地層中。其中K183+180～K183+300的120m區段中夾巖柱的厚度為10.0～18.8m漸變，是典型的小凈距隧道。設計文件對120m典型小凈距段提出了明確的要求，并重點強調了必須嚴格控制施工爆破。

1 小凈距隧道爆破施工的難點

在小凈距隧道的爆破施工中，先行洞開挖時其圍巖出現了首次應力重分布，當后行洞爆破開挖時，先行洞圍巖出現再次應力重分布，所以后行洞的爆破直接影響先行洞的圍巖穩定。

在小凈距隧道雙洞開挖時，后行洞靠先行洞側的中夾巖柱實際上是處于懸空狀態，后行洞爆破時，可能對中夾巖柱造成嚴重的二次擾動，導致中夾巖柱破壞。

張家山隧道單洞最大開挖斷面為102.93m3，毛洞最大跨度12.4m，大斷面因素增加了施工中控制爆破的難度。

在小凈距段，隧道處于淺埋偏壓位置且隧道軸向與巖層產狀小角度相交，這些地質方面的不利因素也增加了爆破施工的難度。

在保證施工安全的前提下，如何有效控制爆破，加快施工進度，確保先行隧道及中夾巖柱的穩定，就成為小凈距隧道爆破施工控制的重點和難點。

2 影響爆破振動強度的因素

我國現行的《爆破安全規程》（GB6722-86）中用于計算爆破地震振動速度的公式[2]：

式中：V—振動速度，cm/s；K，α—場地系數；Q—單段起爆藥量，kg；R—爆源到計算點的距離，m。

從定性的角度分析可以看出，決定振速V大小的主要因素有：由幾何關系決定的爆心距R，由爆破條件決定的裝藥量Q和由地質條件決定的參數K，α，但爆破產生的振動是一個十分復雜的瞬間過程，相互獨立地使用上述三個條件參數所得的結果與實際相差較大，實際上三者是耦合作用的。

2.1 幾何距離的影響

根據大量的洞內爆破振動測試結果分析，爆破振速最大值與爆心距的關系基本上可回歸成指數衰減函數關系，說明比例距離與振動速度有良好的對應關系，這與式（1）是一致的，是影響爆破振動強度的重要因素之一。

2.2 爆破條件的影響[3]

爆破條件包括炸藥的重量、性能和裝藥結構以及爆破介質臨空面的夾制條件等。在這些因素中，除考慮單段最大爆破藥量Q外，爆破的夾制條件是影響爆破振動強度的另一重要因素。

炸藥的種類：本工程中使用的是2號巖石硝銨炸藥，其性能穩定。炮眼直徑為40mm，裝藥結構參見《公路隧道施工技術規范》[5]（JTJ042-94）條文釋義第5.4.9中圖29。

當其他爆破條件相同時，爆破振動的最大峰值振速出現在掏槽爆破和底限爆破時。掏槽爆破時，只有一個臨空面(掌子面)，因此掏槽爆破是在較大夾制作用下的強拋擲爆破。夾制爆破導致更多的爆炸波能向巖體內部傳播，造成臨近隧道的較強振動，如底眼一般要下傾，特別是兩角的底眼，其臨空面內折，爆破時夾制作用增大，所以底眼爆破時也引起較大振動。已有的資料顯示，不同爆破條件下測得的爆破振動速度回歸分析，爆破夾制作用與爆破振動速度衰減經驗公式中K值有一定的對應關系。夾制力作用最大的掏槽爆破條件下，式（1）中K值最大；擴槽爆破時臨空面增大，夾制作用減小，K值減小；周邊爆破臨空面最大，夾制作用最小，K值也最小。

2.3 地質條件的影響

對于小凈距隧道爆破施工，隧道圍巖類別，巖層的厚度、破碎程度、軟弱夾層或斷層，巖層走向與隧道軸線的夾角大小，洞頂覆蓋土層的厚度以及地下水等內在因素，和先行洞的橫斷面形狀、襯砌支護情況等，都是影響參數的條件。

3 后行洞開挖鉆爆設計

小凈距段隧道的先行洞施工與普通單行隧道一樣，但后行洞必須落后先行洞一定的距離，其距離因圍巖類別不同而不同，一般情況下，對Ⅱ類圍巖先行洞開挖斷面超前后行洞的開挖斷面控制在35～45m，Ⅲ類圍巖控制在35～45m，Ⅳ類圍巖控制在35～45m[4]。在爆破施工中，對先行洞影響最大的爆破參數是最大段裝藥量和間隔時間，其次是掏槽形式、炮眼布置、炮眼深度及起爆網路等。下面介紹后行洞在不同類別圍巖下的鉆爆設計。

3.1 最大段裝藥量

如果采用的雷管不出現延時或竄段現象時，先行洞內最大振速出現在裝藥量最大段位。在小凈距段要求光面爆破的張家山隧道，裝藥量段位布置等見表1、表2。

表1 Ⅱ類圍巖鉆爆設計參數

表2 Ⅲ類圍巖鉆爆設計參數

3.2 間隔時間

合適的間隔時間既可以避免爆破振動的疊加，也可以獲得光面爆破的最好效果，這樣一方面保證了先行洞的安全穩定，另外還可以取得最優的經濟效果。以往的實踐經驗表明：普通毫秒雷管的振動波形疊加較多，特別在低段位時；25ms等間隔高精度毫秒雷管只在個別段位出現疊加，也是出現在低段位；50ms等間隔高精度毫秒雷管基本不疊加。因此，選用50ms等間隔高精度秒雷管，也就是說在后行洞爆破中，段間隔采用50ms較合適。

3.3 爆破參數

鑒于雙線隧道間距較小，從振動安全角度考慮，爆破規模較大的全斷面開挖顯然不能有效控制爆破振動。所以，結合已有隧道施工的經驗，對Ⅱ類圍巖段采用臺階分部法、Ⅲ類圍巖段采用短臺階上下斷面法爆破掘進的方案[3]，如圖1、圖2。

圖1 Ⅱ類圍巖施工工序

圖2 Ⅲ類圍巖施工工序

（1）掏槽形式

在對隧道爆破振動的多次監測中發現，一般掏槽孔爆破在整個斷面爆破中比相同裝藥量的其他炮孔爆破產生較大的振動速度，因此選擇合理的掏槽形式及掏槽孔位置，是后行洞開挖中控制爆破振動的關鍵措施。楔形掏槽具有掏槽效果好、能為輔助眼爆破創造較好的臨空面等特點，可以減少輔助眼爆破時的振動強度，在工程實際中得到了廣泛的應用。

根據張家山隧道的地質條件、開挖方法以及機械設備和工人的技術水平，決定采用楔形掏槽。

（2）炮眼布置

根據《公路隧道施工技術規范》（JTJ042—94）第5.4.3條中(5)規定[5]：光面爆破各參數如周邊眼間距（E）、最小抵抗線（E）、相對距（E/V）和裝藥集中度（q）等，可按照表5.4.3選用[2]，決定選用符合軟巖（飽和單軸抗壓強度Rb≤30MPa）的光面爆破參數：裝藥不偶合系數D=2.0(炮眼直徑為40mm)，周邊眼間距E=40cm，周邊眼最小抵抗線V=50cm，相對距E/V=0.8，周邊眼裝藥集中度q=0.15kg/m。小凈距段后行洞炮眼布置如圖3、圖4，爆破參數如表1、表2。

圖3 Ⅱ類圍巖鉆爆設計（單位：cm）

圖4 Ⅲ類圍巖鉆爆設計（單位：cm）

3.4 減振措施

（1）采用小循環進尺，分區開挖。對小凈距及振動要求較高的施工條件，進尺小則循環爆破方量小，一次爆破藥量小，相對地爆破振動也小，分區開挖則也減小了一次起爆的藥量，且為后續的區間爆破創造了更多臨空面，也可以減小爆破振動。

（2）微差爆破。在選擇雷管段數時，應加大相鄰段的段位差。微差爆破是把一次起爆的許多炮孔分為若干組按先后順序起爆，其實質一方面是減少一次起爆藥量，另外是為避免微差爆破延時時間不夠或延時誤差造成應力波疊加。所以微差爆破既有利于相鄰兩段振動的主振相分開，避免振動疊加，也有利于為后排爆破創造更充分的臨空面，減輕爆破夾制作用，因而能達到降低爆破振動的目的。

（3）加強炮孔堵塞。加強炮孔堵塞可以提高炸藥能量利用率、有效地降低單位耗藥量，減小爆破振動。

（4）光爆層[6]。對于光面爆破，一方面，在隧道斷面主爆破孔爆破時，光爆層有效地保護了對設計輪廓線以外的巖石，使得主孔爆破對圍巖的損傷明顯降低，減小了主孔爆破對先行洞圍巖的振動；另一方面，光爆層由于臨空面條件較好，減少了巖石的夾制作用，所以減震效果也較為顯著。

（5）炮孔側向最小抵抗的大小對先行洞的振動影響很大，適當地縮小側向最小抵抗線有利于減小既有隧道的振動強度。

4 振動監測

4.1 測點布置

在先行洞的Ⅱ類圍巖段選取K183+203、Ⅲ類圍巖段選取K183+245兩個斷面布設爆破振動觀測點位，布置如圖5。

圖5 先行洞爆破振動觀測點布置圖（單位：cm）

4.2 監測結果分析

根據隧道的最大振速監測結果可以看出：先行洞迎爆側邊墻上的振速最大，其值為14.8cm/s，小于《安全爆破規程》的允許值[V]=15cm/s；迎爆側拱肩處為第二峰值區，約為最大振速的92%；拱頂處為第三峰值區，約為最大振速的80%；迎爆側底角和背爆側拱肩處為第四峰值區，約為最大振速的65%；背爆側邊墻中部以下直到底角部位的振速最小，不到最大振速的10%。

（1）先行洞迎爆側邊墻上振速最大，此區正是爆炸波正入射作用點。迎爆側底角雖然應力水平很高，但由于該部位受中夾巖柱和底板圍巖的擠壓作用較大，其振速相對較小，故迎爆側底角不是最危險的振動破壞區。拱頂的最大振速接近《爆破安全規程》規定的交通隧道的允許振速[V]=15cm/s，其振動破壞的危險性也很大。背爆側邊墻中部以下區域的峰值振動速度小于最大振速10倍以上以及背爆側拱肩振速不大，主要是由于已開挖完畢的先行洞起到了減震溝的作用，所以背爆側墻的安全性大大提高。

（2）通過試驗觀測分析，在小凈距隧道后行洞的開挖中，采用臺階分部法和上下臺階開挖，對降低爆破振動峰值速度較為有利。從實踐結果來看，在相同藥量、相同凈距、相同支護條件下，上下臺階開挖最大振動速度比全斷面明顯開挖減小，而對軟弱的Ⅱ類圍巖段，宜采用臺階分部法開挖，能有效控制先行洞圍巖的振速。

（3）對于先行洞迎爆側邊墻，爆破振動在掌子面前方測得的振動速度比后方要小，可能是在掌子面后方的雙洞開挖形成中夾巖柱整體力學性能降低造成的。

5 結論

（1）通過對先行洞不利斷面的爆破施工產生的振動監測，發現其最大振速小于相關規范的允許值，同時爆破過程中未出現支護結構開裂和大的變形，證明在張家山隧道小凈距段采取的爆破控制技術是成功的。

（2）小凈距段爆破產生的振動與掏槽形式、單段裝藥量的多少、起爆順序、周邊眼的爆破方式、段間隔時間和爆破的規模（一次爆破的總藥量）等因素有關。采用爆破振動控制技術，可較大幅度降低爆破地震振速。

（3）在小凈距隧道的施工中，后行洞爆破開挖將對先行洞產生極大的影響，影響最大的部位是先行洞的迎爆側邊墻，迎爆側邊墻峰值振速是遠離爆破側峰值速度的十倍以上，也說明在施工過程中，迎爆側邊墻是爆破開挖控制的薄弱部位，應重點對迎爆側水平方向速度進行監控，了解結構的力學狀態，為及時處理反饋信息。

（4）對凈距較小及振動要求高的爆破施工，分區開挖、循環施工的方案是切實可行的，不僅可以減小爆破振動，還可以顯著降低爆破炸藥單耗。

（5）合理的爆破設計如采用合理的間隔時間、適當的光爆圈厚度等多項減振措施，可有效阻隔爆破能量的傳遞，顯著降低爆破效應危害的范圍及程度。

[1]JTJ026-90，中華人民共和國行業標準[S].

[2]GB6722-86，中華人民共和國標準[S].

[3]楊年華，劉慧.近距離爆破引起的隧道周邊振動場[J].工程爆破，2000，6(2).

[4]楊轉運，王羽，劉會.雙洞小凈距隧道施工控制要點[J].現代隧道技術，Vol42(2)，2005.

[5]JTJ042-94，中華人民共和國行業標準[S].

[6]張志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程師手冊[M].北京:人民交通出版社，2002.