復(fù)雜環(huán)境下微震控制爆破技術(shù)在隧道開挖施工中的應(yīng)用研究

劉繼國

（中鐵三局六公司，山西 晉中 030600）

1 前言

（1）在隧道穿過較長的人口房屋密集段、地表覆蓋層薄弱、圍巖較差的情況下，開挖一般采用靜態(tài)爆破法、微振爆破法或機械開挖法進行掘進。

（2）靜態(tài)爆破無聲、無爆破振動，但是成本投入巨大；機械開挖法同樣無振動干擾，但是工效比太低，很難滿足工期要求；微震控制爆破施工在微震控制爆破振動傳播速度滿足相應(yīng)的規(guī)范許可值內(nèi)，是不會對房屋造成結(jié)構(gòu)損害的，而且對圍巖的干擾較小，不會產(chǎn)生大的施工地表沉降，威脅不到隧道頂部結(jié)構(gòu)物安全，在3種開挖方法中有最高的功效比。

2 工程概況

鞏登高速公路3A合同段線路全長1.405 km，里程樁號K19+980～K21+385，主要工程北莊隧道按分離式雙向4車道設(shè)計，設(shè)計車速100 km/h。左線隧長1 255m，右線隧長1 300m，共計2 555m。隧道處于S形綜合曲線內(nèi)，線路最大縱坡2.4%。

北莊隧道隧址所處位置地形復(fù)雜，地勢起伏大，地質(zhì)主要為沖洪積碎石土，圍巖自穩(wěn)性差，且埋深較淺，隧道中心線位置頂部覆蓋層厚度為30～50m，易坍塌。隧道下穿村莊，穿過段長度為450m，該段隧道頂部地表建筑物集中，房屋多為磚石結(jié)構(gòu)、土坯結(jié)構(gòu)，抗震能力差。居住人口密度較大，分布范圍較廣。

3 微震控制爆破的應(yīng)用

3.1 微震控制爆破的目的和方法

（1）微震控制爆破的振動速度要保證建筑物安全、穩(wěn)定。

（2）通過不同結(jié)構(gòu)物的爆破振動安全允許標準和實際的爆破衰減系數(shù)計算允許最大裝藥量，以達到控制總體藥量，調(diào)整爆破參數(shù)。

（3）在保障安全的前提下，尋求科學合理、高效可行的微震爆破施工方法。

（4）通過監(jiān)控量測、地表沉降觀測、爆破振速觀測實時監(jiān)督和驗證爆破方案的可行性。

3.2 微震控制爆破方案

3.2.1 爆破振動的安全判斷依據(jù)對于爆破振動強度的估算，通過經(jīng)驗公式來計算：

式中：V：質(zhì)點振動速度；

K：與地質(zhì)地形有關(guān)的參數(shù)，對一般巖石常為40～650；

α：衰減指數(shù)，對一般巖石為1～1.75；

ρ：等效藥量，或稱等效距離、比例距離。

式中：Q：炸藥用量，kg；

R：測點至爆破中心的距離，m。

由允許安全振動速度通過以下公式計算最大一段允許炸藥用量：

式中：Qm：最大一段允許用藥量，kg；

Vkp：振動速度控制標準，cm/s；

R：爆源中心至振速控制點距離，m；

K：與爆破技術(shù)，地質(zhì)地形有關(guān)的系數(shù)；

α：爆破振動衰減指數(shù)。

K，α值，有條件的工點可以通過試驗爆破及振動觀測直接得出，或通過手冊資料工程類比確定。

由上式可知，質(zhì)點的爆破振動強度與一次爆破的炸藥用量和至爆源的距離有關(guān)。由于爆炸的震動效應(yīng)只存在于介質(zhì)的彈性傳播區(qū)范圍內(nèi)（該公式只適用于距爆源5～3 000m的范圍內(nèi)）。

已有的觀測資料表明，在堅硬巖層中爆破振動頻率較高，軟弱圍巖中振動頻率較低。在一座泥巖、砂巖的隧道中，全斷面開挖爆破時實測距離距開挖面48～62m時，圍巖的爆破振動頻率為100～200Hz。同時，隨著隧道至爆源距離的增加，周期較短的高頻振動迅速衰減，而周期較長的低頻振動則可以傳播得比較遠。由于低頻振動作用持續(xù)時間長、振動幅度大，因而會對圍巖或建筑物造成較大的傷害，所以爆破對軟弱圍巖的危害較大；對地面建筑物的損害比隧道等地下結(jié)構(gòu)要大。

隧道工程爆破，通常使用毫秒雷管，因而爆破振動的主振相是對應(yīng)于各段爆破多次出現(xiàn)的。炸藥量Q值的選取應(yīng)以出現(xiàn)最大振動速度時相對應(yīng)的那段藥量進行計算是合理的。

3.2.2 計算允許的單段最大共同作用裝藥量確定

我國《爆破安全規(guī)程》中，對各類建筑物所允許的安全振動速度有相關(guān)規(guī)定。在實際應(yīng)用時，每個工程都要結(jié)合工程的具體情況，作出相應(yīng)的安全規(guī)定，如建筑物的質(zhì)點峰值振動速度安全控制標準。

鞏登高速公路北莊隧道通過與以往相似穿過構(gòu)造物的同類地質(zhì)條件隧道相比較，并結(jié)合北莊村建筑物多為磚石結(jié)構(gòu)，而且較為破碎，所以選定的安全振動速度為不大于1.0 cm/s，是較為合理的判定。其中，爆破系數(shù)K按照同類地質(zhì)情況選擇為300；爆破振動衰減指數(shù)α選定為1.90。

Ri為爆源中心至振速控制點距離（m），分別選定不同距離。

V=1.0 cm/s；

K=300；

α=1.90。

由公式（2）Qm=R3（Vkp/K）3/a計算出的不同Ri時允許的最大段裝藥量，得出Q=0.000 122R^3 kg。

結(jié)合北莊隧道埋深及與左右線隧道平面位置關(guān)系，選擇空間半徑R=40m的最大裝藥量微震控制爆破，Q≤7.85 kg為標準設(shè)計微震控制爆破參數(shù)。

3.3 施工方法及技術(shù)措施

3.3.1 微震控制爆破方法及要求

根據(jù)北莊隧道穿過北莊村段左右線圍巖的自身特點，制定具有針對性的微震控制爆破開挖方法。

3.3.1.1 Ⅴ級圍巖作業(yè)流程

Ⅴ級圍巖采用環(huán)形開挖留核心土法，施工順序為：長管棚注漿預(yù)支護（超前注漿小導管）—上弧形導坑開挖—上弧形導坑初期支護—核心土開挖—下半斷面拉中槽開挖—邊墻初期支護封閉仰拱。環(huán)形開挖進尺長度控制在1.0～1.2m。

3.3.1.2 Ⅳ級圍巖作業(yè)流程

Ⅳ級圍巖采用上下斷面臺階法施工，施工順序為：上斷面開挖—上斷面初期支護—下斷面開挖—邊墻初期支護。上半斷面采用微震控制爆破，開挖進尺長度為1.0～1.2m。

3.3.2 微震控制爆破設(shè)計

為了實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速掘進，在施工前根據(jù)隧道地質(zhì)條件、開挖斷面、開挖方法、掘進循環(huán)進尺、鉆眼機具、爆破材料和出渣能力等因素制定切合實際的鉆眼爆破措施，需做到巖變施工方法即變，在北莊隧道穿北莊村段施工中，初步設(shè)計單次微震控制爆破進尺長度為1.2m。

3.3.2.1 起爆方式及裝藥結(jié)構(gòu)

爆破方式：硬巖宜采用微震控制爆破，軟巖宜采用預(yù)裂爆破，分部開挖可采用預(yù)留控制層微震控制爆破。局部開挖宜采用淺眼爆破，防止振動對支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。采用半斷面或臺階法開挖，眼深為1.0～3.0m的淺眼爆破時，單位耗藥量可取0.4～0.8 kg/m3。

3.3.2.2 選擇合理的起爆段間時差（雷管）

軟弱圍巖中爆破振動頻率比較低，一般多在100 Hz以下；振動持續(xù)時間大多為100～200ms。為避免段間振動疊加，段間隔時間一般應(yīng)大于100ms。而在硬巖隧道工地的觀測資料表明，這時爆破振動頻率較高，通常僅幾十赫茲，振動持續(xù)時間也較短，因而可以認為，堅硬完整巖層中隧道爆破可以選用段間隔時間不小于50ms即可。

對于常用的25ms遞增間隔的Ⅲ系列非電毫秒雷管，控制設(shè)計選擇跳段使用，即采用1段、3段、5段、7段、9段、10段、11段、13段、15段雷管，每段延時均不小于50ms，滿足設(shè)計要求。

3.3.2.3 掏槽形式的選定

一般情況下，掏槽爆破的震動強度比其他任何部位炮眼爆破時的都要大。因此，從減小掏槽爆破的震動強度出發(fā)，選用楔形掏槽，布置在隧道底部。本微震控制爆破方案中采用多重復(fù)式楔形掏槽，以最大限度使掏槽區(qū)炮眼最大共同裝藥量減少，降低振動強度，也有利于取得最佳的掏槽效果。

3.3.2.4 確定整個爆破設(shè)計

北莊隧道微震控制爆破設(shè)計本著短進、弱爆、控制用藥量、減少振動的原則，按照淺密原則布置。周邊炮眼應(yīng)按預(yù)裂爆破設(shè)計，必要時應(yīng)在兩裝藥孔間加打空眼以減振，周邊眼還采用小直徑藥卷不耦合裝藥或串狀間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

3.3.2.5 微震控制爆破作業(yè)

微震控制爆破參數(shù)根據(jù)計算依據(jù)以及結(jié)合軟硬巖的爆破炸藥用量共同編制后經(jīng)試爆后，對于穿過北莊村段隧道采用炸藥采用二號巖石硝銨炸藥，鉆爆參數(shù)為掏槽眼14個，1段裝藥5.4 kg，3段裝藥7.2 kg；掏槽輔助眼8個，5段裝藥7.2 kg，壓炮眼9個，7段裝藥4.05 kg；輔助眼20個，7段裝藥1.8 kg，9段裝藥7.2 kg；周邊輔助眼25個，10段裝藥7.5kg；周邊眼49個，11段裝藥7.2 kg，13段裝藥7.5 kg；底板眼13個，15段裝藥5.85 kg。合計138個眼，總裝藥量為60.9 kg。

3.4 微震控制爆破實施過程中的監(jiān)控方案

北莊隧道穿過北莊村段因其具有房屋密集，居住人口眾多的獨特地理環(huán)境，微震控制爆破用藥量及爆破參數(shù)均采用公開透明原則，以便當?shù)卮迕窳私獠⒅椤６椰F(xiàn)場還采用了地質(zhì)超前預(yù)報、視頻監(jiān)控、監(jiān)控量測及地震波監(jiān)控等多方式、全方位的監(jiān)控手段進行監(jiān)督并指導修正鉆爆參數(shù)。

經(jīng)中國地震局監(jiān)測振動速度最大值為1.366 cm/s，符合設(shè)計及規(guī)范要求。

4 結(jié)論

隧道處于復(fù)雜外部環(huán)境和較差的圍巖情況下，通過判定圍巖振動衰減系數(shù)和地表結(jié)構(gòu)物的抗震級別，合理進行爆破參數(shù)的設(shè)置。同時，控制起爆的最大藥量及單孔最大裝藥量，可有效地降低爆破振動速度，從而滿足施工安全和施工進度要求。