隧道爆破對小近距既有病害隧道的影響及控制＊

張優利 劉勝春 楊克文 周 朋 梁 順

（1.象山縣交通局 寧波 315700；2.北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心 北京 100044）

1 隧道工程對既有隧道的影響研究狀況

我國交通事業迅速發展的同時，大量復線鐵路和雙向公路隨之出現，突出問題之一是近距雙線隧道間的相互影響，在復線建設中表現為新建線施工對近距既有線的影響，尤其是既有線存在較多病害問題時，對這種影響的分析及控制研究尤為必要。

國內學者針對大量雙線近距隧道工程實例進行深入研究，主要研究方向為變形及爆破2個方面。王興中等［1］根據廣州地鐵三號線崗石區間超小間距隧道的工程實例，對超小間距隧道施工中的偏壓進行了研究，提出了“偏壓系數”的概念，分析了超小間距隧道偏壓的形態、量值及其變化過程。雷明峰等［2］根據小間距交通隧道的爆破安全現場監測結果，對天際嶺隧道進行了安全性評價及地震波衰減規律分析，并通過薩式公式對監測數據進行回歸分析，給出了測試條件下的場地系數K 和地震波衰減指數α 的值，由此反演出任意質點振速峰值預測公式和最大段允許裝藥量的控制公式。李云鵬等［3］對采用典型雙側導坑法的小間距隧道爆破施工動力效應進行了數值模擬，給出了爆破施工在已有洞室周邊產生動力效應的一般規律和對既有洞室穩定性影響較大的關鍵開挖位置，得到了爆破動荷載對小間距隧道圍巖穩定性的影響主要表現為爆炸應力波造成圍巖臨空面的反射拉伸破壞的結論。

本文依托工程史家山2號隧道位于浙江寧波象山西部，隧道走向大致沿東西向展布，其左側存在近距既有史家山隧道。2隧道設計線最小間距約15.8m，新建隧道全長995m，最大埋深約212 m，建成后與既有隧道構成上下行分離式雙向4車道隧道，隧道凈寬12.36m，凈高10.03m。隧址區基巖巖性主要為含碎（礫）石粉質粘土和含粘性土碎（礫）石，晶屑玻屑熔結凝灰巖、流紋質玻屑凝灰巖和間夾含礫凝灰巖，以及閃長巖及凝灰巖。總體來講，巖體呈碎裂～塊狀結構，巖石致密堅硬，屬硬質巖，風化作用較強烈，存在多組風化層，節理發育，連續性比較差。

2 既有隧道的健全度評估

已建史家山隧道位于S311省道象西線K0＋230處，于2001年建成通車，運營至今已超過10年，已經出現滲水、襯砌開裂等病害，加之2線相距較近，受近距新建史家山2號隧道的施工影響，存在較大的安全隱患。

檢測發現隧道襯砌表面局部開裂嚴重，兩側邊墻開裂較少，但是拱頂開裂相對較多，有多條縱向、斜向和環向裂縫將襯砌切割，隧道存在的滲漏水區域不是很多，集中分布在進洞口和出洞口附近，但還是會對隧道襯砌結構的安全和耐久性產生不利的影響，隧道內裝防火層脫落現象極為嚴重，局部區域（包括側墻和拱頂）出現大面積的涂料脫落。

對于既有隧道，若不采取一定的保護和控制措施，近距新建隧道的爆破開挖施工必然會對上述病害位置造成進一步的損害，加速既有隧道現狀健全度的下降，加大施工安全事故發生的可能性。因此，需要對新建隧道施工方案及爆破參數進行一定的調整，以減小對既有隧道的影響。

3 爆破方案及爆破參數設計

3.1 爆破方案

該新建隧道圍巖大部分屬于III～V 級，破碎帶分布范圍較廣，多為張扭性斷層，呈南北向展布，一定程度上加大了對新建隧道爆破危害的控制難度。為了降低施工引起的爆破響應，采用上下臺階施工方法，上臺階整體開挖，下臺階為了施工方便采用左右半幅分部開挖，見圖1。

圖1 新建隧道爆破開挖分區示意圖（單位：cm）

3.2 爆破參數

該隧道下臺階高度較小，應力及能量釋放大部分發生在上臺階爆破開挖瞬間，因此本文主要對上臺階爆破參數進行闡述和分析。該工程采用炮孔直徑為40 mm，藥卷規格為φ32 mm×200 mm，采用的炸藥主要為巖石粉狀乳化炸藥。施工過程中對既有隧道的振動速度進行了大量現場監測，通過監測爆破振動速度的大小對掏槽形式、炮孔間距、炮孔深度和延時間隔等參數進行調整，以將既有隧道振動速度控制在10cm／s以內，上臺階炮孔布置見圖2。同時各循環會根據具體巖石類別及爆破范圍要求對爆破排距、裝藥量、炮孔深度及數量等進行適當調整。

圖2 上臺階炮孔布置示意圖（單位：cm）

上臺階開挖進尺為3m，開挖寬度12.36m，開挖高度為7.15m，采用斜孔掏槽光面爆破進行施工，表1所列為2011年11月18日采用的爆破參數設置，掏槽孔間距50～70cm，排距50cm，輔助孔間距100cm，周邊孔間距50cm；下臺階采用淺孔排炮，雷管段別為9～11段，炸藥量為15kg。

表1 2011年11月18日上臺階爆破參數

4 既有隧道爆破影響監測結果分析

根據一些學者對某些工程爆破近區影響進行的測試表明，上臺階爆破施工對既有隧道產生的最大振動速度出現在迎爆側的拱肩和拱頂，但由于在既有運營隧道拱頂位置進行爆破監測存在較大難度，監測點一般設置在既有隧道迎爆側的邊墻和拱底。圖3所示為2011年11月11，15，18和26日既有隧道監測點垂直振速。

圖3 上臺階爆破引起的既有隧道監測點振動波形

從上述爆破振動監測結果可見，爆破引起的既有隧道振速基本處于10cm／s以內，滿足《爆破安全規程》（GB722K－2003）中規定的交通隧道爆破安全允許振速，鑒于既有隧道已經存在較多的裂縫和滲水等病害現象，一般將新建隧道上臺階爆破對既有隧道的影響控制在8cm／s左右，圖中11月11日主振頻率為29.297 Hz，最大振速為9.536cm／s；11月15日主振頻率91.553Hz，最大振速為6.665cm／s；11月18日 主振頻率為100.098Hz，最大振速為7.689cm／s；11月26日主振頻率109.863 Hz，最大振速為8.367cm／s，其中11日和26日的監測值均略大于控制標準，主要是由于11日兩洞間距還處于較小的程度，26日掌子面位置圍巖條件較差，而裝藥量、炮孔參數并未作相應的調整。

從上述監測結果可以看出，既有史家山隧道迎爆側的振速明顯大于另一側的振速，而迎爆側邊墻位置和拱腳位置的振速并無太大差異，但主振頻率的差別較大；此外爆破參數的變化尤其是裝藥量、開挖進尺以及臨空面大小的改變對爆破響應的影響很大，說明根據現場施工監測的反饋對各爆破參數的設置進行調整是控制既有隧道爆破響應的有效手段。在史家山2號隧道的施工過程中，通過密集準確地監測作業和及時反饋及調整，逐步將既有史家山隧道的迎爆側振速降低到控制標準以下，有效地控制了已有病害的發展和潛在病害的出現，防止了建設期間安全事故的發生，保證了史家山2 號隧道的施工安全和順利掘進。

5 爆破安全控制技術

由于該工程具有長距離、小間距的特點，不僅要對爆破施工進行嚴格控制，還需兼顧施工單位。因此所增加的成本，爆破振動標準需要根據既有隧道健全度、施工進度、工程投入和地質情況等進行合理制定，既要確保既有隧道的運營安全和新建隧道的施工安全，又要降低施工成本，保證正常的施工進度。

爆破控制技術的著眼點主要在于裝藥量、爆破規模、引爆時間、裝藥結構等幾個方面，由于不同里程位置的地質情況不同，兩洞凈距和地應力狀態也存在很大差異，只進行單一的爆破參數設定顯然是不科學也是不現實的。因此在整個隧道施工過程中需要不斷地對爆破參數進行調整，這就為爆破控制技術的研究提供了可能。

裝藥量是隧道爆破施工響應的主要影響因素之一，其與質點振動速度的關系一般都是通過薩式公式建立起來的：

式中：V 為監測點振速，cm／s；Q 為單段最大起爆藥量，kg；R 為爆源至被保護物的距離，m；K，a 為與爆破點地形、地質條件有關的系數和衰減指數；m 是藥量指數，對于集中藥包爆破，m＝1／3，對于延長藥包爆破，m＝1／2。

根據所采集的監測數據對薩式公式進行回歸分析，可得到適合該工程的K，a 值，再根據《爆破安全規程》（GB722－2003）中的交通隧道爆破安全允許振速應控制在10～20cm／s以內的規定，制定適當的振速控制標準，由這些參數即可通過薩式公式對裝藥量進行大概的估算，從而控制爆破安全。

施工中通常也會采用分次爆破和縮短進尺的方法來對爆破響應進行控制，當全斷面開挖無法滿足振速控制標準要求時，可采用臺階法等分布開挖方法，一方面減小了最大的單響藥量，另一方面也減小了臨空面的范圍，同時可將掏槽眼布置在遠離已建隧道的下側，從而加大與爆源的距離，可使地震波從掏槽眼開始逐段自遠及近地間隔起爆，以避免地震波的疊加，降低爆破振動效應。一般而言，開挖進尺大都通過炮孔深度進行控制，當采用臺階法施工時，上臺階的開挖進尺應嚴格控制，該工程每循環控制在3 m 以內，下臺階應力釋放較小，地震波傳播時空腔效應明顯，可采用較大的進尺，但仍需根據振速標準進行調控［4－5］。

合理的段位設置和起爆時差，能夠有效地控制圍巖的爆破響應，在傳播理論的基礎上避免地震波的疊加，同時也可使主振頻率保持與既有隧道自振頻率的差異，防止共振現象的發生。此外，裝藥結構的不同也會導致爆破響應的巨大差異，耦合裝藥每米炮孔裝藥密度大，爆炸瞬間氣體對孔壁產生的沖擊作用較強，采用非耦合裝藥結構則能有效減弱這種沖擊，如在炮眼不同深度裝入水袋，后用炮泥回填炮眼［6－7］。

6 結語

（1）動態施工過程中對既有史家山隧道的振速監測結果表明，既有隧道結構受爆破施工影響最大部位在迎爆側，拱腳和拱腰處的爆破振速響應相差不大，但主振頻率差別較大；同時可以看到，實時監測工作對調整爆破參數方案及保證施工安全有著極其重要和有效的作用。

（2）該工程實例具有明顯的長距離、小間距特點，施工中需要時刻關注新建隧道爆破施工對既有隧道安全的影響，但在爆破控制措施實施過程中，仍存在很多不足和限制，例如爆破施工對工人的操作工藝要求很高，有時由于工人操作不規范或經驗不足，會使實際炮孔位置和形狀與設計參數相差較遠，所達到的效果也就不盡理想，因此在提高施工人員的專業素質的同時，可使爆破方案盡量簡單易行，減小人為因素的影響。

（3）值得注意的是，對于病害隧道，爆破安全規程中并未作更為詳細的振速標準限定。一般的近距爆破工程中，都是根據工程經驗對振速限值進行適當折減，當施工單位的隧道爆破經驗不足時，所制定的振速標準并沒有充足的理論和現實依據，這就使得爆破工程存在較大的隱患。

［1］王興中，楊新安，黃小平，等.超小間距隧道施工中的偏壓研究［J］.地下空間與工程學報，2008（3）：528－532.

［2］雷明峰，張運良，彭立敏.城市小間距交通隧道爆破安全監測及結果分析［J］.現代隧道技術，2007，44（1）：61－64.

［3］李云鵬，艾傳志，韓常領，等.小間距隧道爆破開挖動力效應數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2007，27（1）：75－80.

［4］畢繼紅，鐘建輝.鄰近隧道爆破振動對既有隧道影響的研究［J］.工程爆破，2004（4）：69－73.

［5］王明年，潘曉馬，張成滿，等.臨近隧道爆破振動響應研究［J］.巖土力學，2004，25（3）：412－414.

［6］姚 勇，何 川.并設小凈距隧道爆破振動響應分析及控爆措 施研究［J］.巖土力學，2009（9）：2815－2822.

［7］徐順香.超小凈距交叉隧道爆破與安全技術［J］.工業安全與環保，2010，36（12）：36－37.