青島膠州灣海底隧道陸域段近距下穿地表建筑物爆破震動控制技術

羅厚金，方俊波

(1.中鐵隧道三處有限公司，廣東深圳 518052;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

當硬巖隧道埋深較淺時，其爆破掘進引起的震動常能使地表建筑物墻體開裂、結構錯位等，需要采取一系列的減震措施進行施工。目前，國內對于鉆爆法近距下穿地表建筑物的施工實例較多，技術措施亦較多。

文獻［1］以膠州灣海底隧道陸域段以例，指出地表震動以垂直向為主，水平震動較弱，只要將毫秒管的時間間隔控制在50 ms左右即可使相鄰波段分開而不疊加;文獻［2］通過爆破震動監測及分析，得到了震動波的傳播規律，指出控制最大單段藥量及循環進尺是控制措施的關鍵所在;文獻［3］介紹了隧道爆破震動監測技術及各種減震措施;文獻［4］主要介紹了某隧道近距(拱頂距地表15.8 m)下穿地表建筑物的控制爆破技術，采用楔形掏槽、人工手持風鉆鉆眼，分區分批次進行雙側壁導坑法施工，循環進尺僅0.5 m。

縱觀國內近距(埋深15m以下)下穿地表建筑物控制爆破施工技術，主要采用多分區、短進尺的技術措施達到減震目的，更有采用非爆破開挖通過的實例。對于類似膠州灣海底隧道大斷面、中進尺下穿薛家島后岔灣村民房的控制爆破施工還不多見。本文所述技術的關鍵在于:通過采用孔外中段別雷管接力起爆，實現了大斷面(超前下導、后續擴挖面)一次性點火起爆，解決了大斷面一次性爆破雷管段別不足的難題;通過液壓鑿巖臺車鉆鑿一排近距大直徑空孔，進行具有較好減震能力的直眼掏槽爆破，循環進尺達到了2 m，避免了大規模爆破引起的過大震動;通過進行爆破震動監測及數據回歸分析，得到了震動波在該地層中的傳播規律，實現了不同地段最大單段安全藥量的真正校核。

1 工程概述

青島膠州灣海底隧道是連接青島市主城區和黃島經濟技術開發區的重要通道，北連青島市團島，南接青島經濟技術開發區薛家島，下穿膠州灣灣口海域。隧道設2條主隧道和1條服務隧道，總長約6 170 m，其中跨越海域段約 3 950 m，兩端陸域淺埋段長約1 000 m，是一條以城市道路功能為主兼有公路功能的隧道。

陸域淺埋段右側主隧道YK8+050～+480段穿越薛家島后岔灣村，洞頂集中約50棟1～2層民房，為居民自建自居房，基礎埋深在1 m左右，磚混結構，建筑年代在10 a左右，墻體為單層，有許多已開裂，部分房仍有人居住。該段主隧道埋深12～39m。主隧道與地面建筑物位置關系示意如圖1所示。

由于存在大量的、距隧道拱頂較近的地表建筑物，主隧道陸域淺埋段在下穿薛家島后岔灣村施工地一個重要特點是需要控制隧道爆破施工對位于其上方表建筑物的影響，需要采用控制爆破技術，減弱隧道爆破的震動量，防止因震動較大而對地表建筑物產生破壞性影響。

該段圍巖級別以Ⅱ級和Ⅲ級為主，多為微風化花崗巖，存在高傾角裂隙。局部Ⅴ級圍巖段以強、弱風化破碎巖體為主，巖體斷裂構造發育，風化破碎嚴重，爆破施工可能對洞頂建筑造成破壞。基巖裂隙水既接受低山丘陵基巖裂隙水的側向補給，也接受海水補給，地下水運動緩慢，為不發育。

2 下穿地表建筑物爆破震動控制技術流程及對策

2.1 控制爆破施工技術流程

針對右線主隧道施工現場，提出了控制爆破施工技術流程(見圖2)。

2.2 控制爆破施工技術對策

1)選擇合理的開挖方法。主隧道Ⅱ級和Ⅲ級圍巖下穿房屋段采用下導洞超前、后續大斷面擴挖法進行施工，局部Ⅴ級圍巖段采用臺階法施工。

2)應用控制爆破技術。應用控制爆破技術將爆破震動對地表環境的擾動降低到最低程度。開挖時采取跳段(時間間隔大于50 ms)微差起爆技術［1］，全面實施光面爆破，減少超挖量、減小圍巖松馳圈的影響范圍。施工中采取分區施工、分次或采用孔外中段別雷管接力起爆，減小炮眼裝藥密度，采用低威力低爆速炸藥或采用小直徑不耦合裝藥、限制一次起爆裝藥量等減震措施［3］。

3)爆破震動檢測。根據GB 67222—2003《爆破安全規程》規定，下穿房屋段時為保證地表建筑物的安全，應將爆破震動波速控制在1.5～2.0 cm/s［5］。施工前提前布置地表監測點，以自動采集數據的形式進行以地表垂直震速為主的震動測試試驗［1］，并進行反饋分析，尋找到合適的爆破方案、經濟的施工方法以滿足爆破震動波速控制指標及進度指標要求。

3 爆破設計

主隧道下穿房屋段主要為Ⅱ級和Ⅲ級圍巖，圍巖整體性較好，故采用下導洞(寬度4.6、高4.1 m)超前、后續斷面(設計寬15.386 m、高9.63 m)擴挖的施工方案，導坑超前后續擴挖大斷面1～2個循環長度，同時鉆孔。后續擴挖大斷面上孔外延期接力雷管采用7段毫秒管串聯超前導洞所有炮孔，進行孔外接力起爆，達到2個斷面同時點火起爆且避免超前導洞與擴挖大斷面上相同段毫秒雷管數相疊加而增大。超前導坑的主要作用是為后續擴挖大斷面創造較好的臨空面，達到減震目的。

超前下導及后續擴挖大斷面均采用液壓鑿巖臺車鉆孔，鉆孔深度為2.0～2.5 m，設計開挖循環進尺為2.0 m。超前下導采用大中空孔直眼掏槽，后續擴挖大斷面不需要掏槽。主隧道開挖方法及鉆爆設計示意如圖3所示。

后續擴挖大斷面是在超前下導創造出較好的臨空面后進行擴挖，根據多年控制爆破施工及爆破震動監測經驗，擴挖爆破對地表的震動影響不會很大，最大的爆破震動應該位于超前下導，故主要控制超前下導的爆破藥量。超前下導裝藥參數及經濟技術參數如表1和表2所示。

隧道爆破的關鍵在于掏槽孔爆破后能否為其他炮孔的爆破創造出足夠的第二自由面，為此掏槽孔的藥量通常都大于其他炮孔的裝藥量。國內外許多隧道爆破震動波形圖也表明，掏槽孔爆破產生的震動波幅通常比其他炮孔高出很多，故改進爆破效果，降低爆破震動，故改進掏槽方法是關鍵［6］。

本工程由于具有大型液壓鑿巖鉆孔臺車，在主隧道下穿地表建筑物時，采用了鉆鑿大直徑中空孔直眼掏槽技術，而棄用常見的楔形掏槽。施工中采用直徑0.1 m的大鉆頭在超前下導中部鉆3個(有時達5個)大孔，自上而下一字形排列，中心間距0.2 m，深2.3～2.5 m，鉆孔完成后由3個大空孔(最多時達7個)形成一個寬0.1 m、高0.4 m(最大時達0.8 m)的空槽。掏槽孔和其他炮孔則以此開口槽為中心布置。這一開口槽為其他炮孔爆破提供了一個很好的第二自由面，不僅大大提高了爆破進尺，而且也有效地降低了爆破震動。

圖3 下穿地表建筑物段隧道爆破開挖方法及鉆爆設計示意圖(單位:cm)Fig.3 Excavation method and drilling and blasting design for tunneling underneath buildings(cm)

表1 超前下導裝藥參數表Table 1 Charging parameters for bottom heading

表2 超前下導經濟技術參數表Table 2 Economical and technological parameters of bottom heading

4 超前下導最大單段允許藥量的校核

根據我國大量實測數據整理結果，隧道爆破開挖的最大震動速度值與微差爆破的總藥量無關，而是決定于某單段的最大用藥量［2］，并在GB 67222—2003《爆破安全規程》中，最大單段藥量與允許震速之間的關系［5］為

式中:Qmax為最大單段允許藥量，kg;R為爆心距，超前下導爆心距地表建筑物基礎的最近距離，m;v為允許最大震速，cm/s，取2 cm/s;K，α為由地質地形條件決定的場地系數和指數(K值一般取50～150，α值一般取1.3～1.8)。

主隧道拱頂距地表最近距離為12 m，并以一定的角度向海底下插，而超前下導拱頂距主隧道拱項約5 m，爆破中心按位于下導中心計算，則爆心距約為12+ 5+2=19 m。過民房段超前下導最大單段允許裝藥量校核值見表3。按表3對上述系數賦值，代入式(1)，則可計算出超前下段最大單段允許裝藥量應控制在10.11 kg以下。

表3 過民房段超前下導最大單段允許裝藥量校核值Table 3 Calibrated value of maximum allowable charging quantity per delay for bottom heading underneath buildings

由表3知:超前下導最大單段設計藥量(9 kg)要小于校核計算出的最大單段允許藥量(10.11 kg)，即超前下導設計鉆爆裝藥參數是合理的，并且隨著主隧道向海底掘進，超前下導的爆心距會增加，則主隧道爆破震動對地表的影響會更小。

5 爆破震動監測結果及分析

一般將爆破震動速度作為衡量爆破地震波效應的判據［2］，爆破震動監測采用四川拓撲智能爆破震動監測儀UBOX－5016和中科院TC－4580爆破震動自記儀。接收數據采用水平和垂直傳感器(以垂直為主)，監測時傳感器用石膏固定。測點布置原則上是沿離爆心最近的房屋墻角和房屋的結構處進行全程監測，其目的是通過爆破震動監測，掌握主隧道爆破對近距離地表建筑物的影響程度，以驗證和修改爆破設計參數，確保地表建筑物結構安全。另外，亦可根據實際測得的爆破震速進行反分析計算，回歸出場地系數K和指數d，根據傳播規律預測出爆破開挖掌子面前方某一定范圍內的最大單段允許藥量。

5.1 爆破震動實測結果

主隧道下穿地表建筑物期間，控制爆破按上述設計進行，進行了數百次的地表建筑物垂直質點震速測試。通過爆破震動測試，基本上掌握了爆破震動的量值及其衰減規律。測試結果統計顯示:在下穿初期，質點速度峰值超標(2 cm/s)相對較多，且以超前下導掏槽眼爆破引起的震動值超標為最多，所占比值達到了43%;隨著下穿深度加大，大中空孔個數增加(至5個)，質點震速得到了較好的控制，峰值超標現象降低至10%左右。由上可表明控制爆破效果較好，鉆爆設計是合理的。2007年12月至2008年1月期間部分爆破震動測試結果見表4。

表4 主隧道淺埋段下穿薛家島后岔灣村爆破震動監測表(部分)Table 4 Blasting vibration monitoring data during tunneling underneath Houchawan Village on Xuejia Island with shallow cover

5.2 爆破震動傳播規律

式(1)中能核心反映震動波在巖層中震動傳播規律的參數是K和α，超前下導最大單段藥量校核計算中，此2個參數是根據經驗預估;但在實際施工中，還需要通過實測數據進行反演分析計算，尋找出傳播規律。一般用最小二乘法計算反演其大小，反演的基礎是有適量的數據，每套數據包括單段藥量Q、爆心距R，震動速度v。

將式(1)進行變形后兩邊取自然對數為線性方程

對于表4測試所得的多組v，Q，R數據，代入y= ln(v)，x=ln/R)，得到2組數組(y，x)值，將此2組數組列入Excel表，運用LINEST函數進行回歸分析計算，可得到回歸系數b為1.955，常數項a值為4.958，相關系數為0.9242(表明回歸效果較好)，反算出α值為1.955，K值為142.35。則爆破震動的傳播規律為

運用此傳播規律，可得到最大單段藥量在12kg的情況下，主隧道爆破引起距拱頂12 m的地表建筑物震動速度為2.0 cm/s。隨著隧道下穿距離的增加，爆破中心距地表建筑物會愈來愈大，地表建筑物會更安全。

5.3 典型爆破震動波形

爆破震動波形不僅反映爆破震速的大小，還反映隧道爆破分段情況，波形圖各時刻對應各段毫秒管所產生震動大小以及整個爆破震動歷程。圖4為主隧道下穿地表建筑物階段的典型爆破震動測試波形圖。

圖4 主隧道下穿地表建筑物階段的典型爆破震動測試波形圖Fig.4 Typical blasting vibration waves measured during tunneling underneath buildings

從實測典型波形圖可以看出:1)除超前下導1段和3段波有所疊加外，其余各段波基本按設計微差間隔時間分隔開，段別愈大，間隔時間愈長，沒有出現震動峰值疊加現象。2)爆破最大峰值震速基本上是由掏槽爆破引起的，其次是由擴挖層爆破的第1層所引起。3)一旦有了較好的臨空面，后各段引起的爆破震動均較小。

6 爆破效果

從監測數值可以看出，膠州灣海底隧道陸域淺埋段在下穿薛家島后岔灣村施工過程中爆破控制良好，所產生的地震波對上部建(構)筑物的震速基本上控制在2 cm/s以下，未對隧道上部建(構)筑物產生不良影響。此外，現場的實際震感也不強烈，分段明顯，由于采取炮孔封堵，震動產生的分貝不大。至2010年4月，該隧道已貫通，通過走訪調查，主隧道下穿房屋段爆破施工對附近建筑物和居民生活沒有造成太大的影響，地表建筑是安全的，無墻體開裂及結構錯位等損壞現象，居民生活正常。上述現象表明了隧道控制爆破設計及施工是合適的、正確的。

7 結論

1)合理采用掏槽形式。在液壓鑿巖臺車的基礎上，可采用較大鉆頭鉆大中空孔進行直眼掏槽，由于具有大中空孔，直眼掏槽具有掏槽效果好、能為主掏槽眼爆破創造較好的臨空面等特點，可以在增大爆破規模(循環進尺達到了2 m)的同時，減少掏槽眼爆破震動強度，保證地表建筑物安全。

2)通過采用孔外雷管(7段)接力起爆，實現大斷面(超前下導、后續擴挖面)一次性點火起爆并掘進，解決了大斷面一次性爆破雷管段別不足的難題。

3)通過進行爆破震動監測及數據回歸分析，得出震動波在該地層中的傳播規律，實現不同地段最大單段安全藥量的真正校核。

4)埋深大于12m的三車道公路隧道爆破開挖時，可采用下導超前、后續大斷面擴挖的施工方法，并采用大中空孔直眼掏槽，最大單段裝藥量控制在10 kg左右，爆破震動對地表的建筑影響較少，表明該方法是安全的。

［1］ 李現森，付迎春，孫星亮.青黃海底隧道接線工程近接地面建筑物段爆破震動控制數值分析［J］.石家莊鐵道學院學報:自然科學版，2007，26(4):74－77.(LI Xiansen，FU Yingchun，SUN Xingliang.A finite element analysis of blasting vibration in Qingdao-Huangdao cross-harbor tunnel guide line project［J］.Journal of Shijiazhuang Railway Institute:Natural Science，2007，26(4):74－77.(in Chinese))

［2］ 邢新元.隧洞開挖中爆破震動控制研究［J］.東北水利水電，2008，26(8):51－54，74.(XING Xinyuan.Study on blasting vibration control in tunnel excavation［J］.Water Resources＆Hydropower of Northeast China，2008，26(8):51－54，74.(in Chinese))

［3］ 張金泉，魏海霞.爆破震動測試技術及控制措施［J］.中國礦業，2006，15(6):68－70.(ZHANG Jinquan，WEI Haixia.Testing technique and control measures of blasting vibration［J］.China Mining Magazine，2006，15(6):68－70.(in Chinese))

［4］ 周春鋒.城市淺埋隧道開挖減震控制爆破技術［J］.工程爆破，2001(1):58－62，54.(ZHOU Chunfeng.Vibrationreducing controlled blasting technology for excavation of urban shallow tunnel［J］.Engineering Blasting，2001(1):58－62，54.(in Chinese))

［5］ 中國工程爆破協會.GB 6722—2003 爆破安全規程［S］.北京:中國工程爆破協會，2003.

［6］ 鄒定祥.復雜環境下的地鐵隧道爆破技術［C］//第七屆全國工程爆破學術會議論文集.成都:中國力學學會，2001.