城市硬巖隧道減振爆破直眼掏槽技術應用及實踐

王軍濤，王海亮，楊 慶

(1．中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 0 65201;2．山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島 2 66590)

0 引言

青島地鐵一期工程3號線自青島火車站至青島火車北站，全長24．9 km，全部為地下段，共設22個站點，全線采用鉆爆法施工。沿線下穿、側穿各種類型的建(構)筑物多達95處。地鐵隧道爆破施工中面臨的一個重要問題就是如何降低爆破振動對臨近地表建筑物的影響。開展隧道爆破減振技術方面的研究對于地鐵隧道的順利建設、確保地面建(構)筑物、交通干道及地下管線的安全具有重要意義。

從大量的施工監測數據來看，隧道進行鉆爆法施工時，振動的最大值一般發生在掏槽位置［1］，因此掏槽爆破時對振速的控制尤為重要。目前國內外學者對于掏槽爆破做了大量的研究工作，如:林大能等［2］基于典型空孔直眼掏槽炮眼布置，研究了腔內碎石在高壓爆生氣體作用下的拋射過程，建立了空腔形成的物理和力學模型，得出了空腔尺寸的理論計算方法;鄭祥濱等［3］采用ANSYS三維非線性動力有限元軟件，對單螺旋空孔直眼掏槽的爆炸應力波傳播規律與成腔過程進行了數值模擬研究，得到了單元有效塑性應變分布圖、節點有效速度分布圖、節點時間-加速度歷程曲線和炸藥爆炸體積擴展過程示意圖;李萍［4］通過理論分析與數值模擬系統地對漸進式大空孔螺旋掏槽的布孔數目、空孔直徑、槽孔與空孔的距離、孔深、裝藥量和爆破延遲時間等爆破機理問題進行了理論分析研究。

目前，國內外學者對掏槽爆破做了大量的研究工作，但大多集中在掏槽掘進效果、槽眼優化布置、裝藥量等方面，對于掏槽爆破的振動效果研究較少，而掏槽區正是隧道爆破振動最大值發生區域。因此，本文通過對3種掏槽形式的振動及掘進效果進行現場試驗，并將其掘進進尺、炮眼利用率及振動峰值速度進行對比分析，以確定最優掏槽形式，確保施工時順利通過建筑物。

1 工程概況

青島地鐵一期工程3號線3標段ZK4+966～+797區段共下穿4棟建筑物。在ZK4+966．65～+929區間，隧道左線下穿濟南軍區第一療養院口腔科醫院(以下簡稱口腔科醫院)，也是該標段施工過程中首次下穿建筑物的區間，故選取該段作為本次試驗研究區段，隧道與口腔科醫院空間關系如圖1和圖2所示。口腔科醫院樓東側與西側地勢平坦，適合布置監測儀器。該區間隧道埋深為13～14 m，相比后續的下穿工程埋深較深。該區段隧道圍巖級別為Ⅱ—Ⅲ，圍巖主要為花崗巖，整體性較好，巖體性質與地質條件均無大的變化。隧道下穿的建筑物——口腔科醫院，建于1957年，為地上3層、地下1層的磚木結構，地表振速要求控制在2 cm/s以內。

2 掏槽形式的選擇

目前，常用的掏槽形式有直眼掏槽和斜眼掏槽2類。一般情況下，直眼掏槽采用逐孔起爆，且有中間空孔作為自由面;而斜眼掏槽采用齊發起爆方式，無中空孔作為自由面。所以單從掏槽減振效果來說，直眼掏槽優于斜眼掏槽［5］。

圖1 隧道與口腔科醫院平面關系Fig．1 Plan relationship between the tunnel and the hospital

圖2 隧道與口腔科醫院剖面關系Fig．2 Profile showing relationship between the tunnel and the hospital

近年來，隨著重型鑿巖機械的使用，尤其是鉆取炮眼直徑為100 mm以上的液壓鉆機投入施工，使得直眼掏槽形式有了較大發展。目前常用的有小直徑中空直孔掏槽、大直徑中空直孔掏槽和大直線雙中空直孔掏槽等形式［3］。一般中空直孔是1個，但也可根據具體情況采用2—4個空孔［6］。

本工程ZK4+966～+944區段隧道圍巖、地質變化不大，埋深在13～14 m，故選取該段對小直徑單中空直孔掏槽、大直徑單中空直孔掏槽和大直徑雙中空直孔掏槽3種形式進行試驗研究，其炮眼布置如圖3所示，3種掏槽形式、爆破參數如表1所示。

試驗區段內的隧道采用微臺階法開挖。分上、下2個臺階進行施工，上臺階高度3．2 m。如圖4所示，掏槽區位于上臺階中間偏下，距上臺階底板約1 m，單獨起爆。

3 掏槽眼參數選擇

掏槽眼參數選擇是掏槽成功的關鍵，在試驗時，對掏槽眼的關鍵參數進行了設計［6-8］。

圖3 直眼掏槽炮眼布置圖(單位:mm)Fig．3 Layout of blasting holes of 3 different parallel cut methods(mm)

圖4 掏槽區位置(單位:m)Fig．4 Location of cut area(m)

3．1 炮眼間距

對于中空直孔掏槽裝藥眼與中空直孔之間的距離l可按公式(1)和公式(2)確定。

式中:D為中空直孔直徑，mm;當采用逐孔起爆方式時，l1為首個起爆的炮孔與中空直孔之間的距離，mm;l2為其他掏槽眼與中空直孔之間的距離，mm。當采用齊發起爆方式時，所有掏槽眼與中空直孔之間的距離按l1計算。

按上述計算方法，小直徑單中空直孔掏槽裝藥眼與中空直孔之間的距離過小，鉆孔時容易造成兩眼鉆穿，影響掏槽效果。故根據前期施工經驗，小直徑單中空直孔掏槽裝藥眼與中空直孔之間的距離取100 mm，見圖3(c)。

表1 3種掏槽形式爆破參數表Table 1 Blasting parameters of 3 different cut methods

掏槽眼、小直徑中空直孔采用YT28風動鑿巖機鉆鑿，鉆桿直徑38 mm，成孔直徑42 mm;大直徑中空直孔采用HTG鉆機鉆鑿，可鉆鑿直徑為80 mm和150 mm的直孔。

3．2 裝藥量和起爆方式

掏槽眼的裝藥量按公式(3)確定。

式中:Q為單個槽眼裝藥量，kg;q為單位炸藥消耗量，取2．6～3．2 kg/m3;L為炮孔長度，m;ρ為炸藥密度，g/cm3;m為槽眼個數。

炸藥選用2號巖石乳化炸藥，藥卷規格為32 mm×300 mm，300 g/卷。雷管選用第1系列毫秒延期導爆管雷管。掏槽區采用逐孔起爆的方式起爆，相鄰雷管段別的延期時間間隔控制在50 ms以上較好。

4 試驗效果與分析

為研究3種掏槽方式爆破時地表質點振動效果，將監測儀器布置在掌子面正上方，同時監測爆破振動的垂直方向、水平徑向及水平切向3個振動分量。本文所指的爆破振動峰值是振動速度3個分量中的最大值。爆破振動監測采用UBOX-5016爆破振動智能監測儀及其配套的速度傳感器、數據線。數據采集及處理采用計算機及配套軟件BMVⅠEW。

對大直徑單中空直孔掏槽進行了4次試驗，為了確保試驗的可比性，每次爆破總藥量均為1．2 kg，單孔裝藥量0．15 kg，單段最大起爆藥量0．15 kg，隧道拱頂距地表距離13～14 m。

對大直徑雙中空直孔掏槽和小直徑單中空直孔掏槽分別進行了4次試驗，為了確保試驗的可比性，其中，大直徑雙中空直孔掏槽每次爆破總藥量均為1．35 kg，小直徑單中空直孔掏槽每次爆破總裝量均為1．8 kg，單孔裝藥量、單段最大起爆藥量、隧道拱頂距地表距離同大直徑單中空直孔掏槽試驗條件一致。

3種掏槽方式首次試驗時，振動峰值所在垂直方向的振動分量波形如圖5—7所示，3種掏槽方式的試驗效果對比如表2所示。

圖7 小直徑單中空直孔掏槽爆破垂直方向振動波形圖Fig．7 Vibration wave in vertical direction in the case of smalldiameter single hollow hole cut method

圖5 大直徑單中空直孔掏槽爆破垂直方向振動波形圖Fig．5 Vibration wave in vertical direction in the case of largediameter single hollow hole cut method

表2 3種掏槽方式試驗效果對比Table 2 Trial results of 3 different cut methods

由表2可知，大直徑單中空直孔掏槽、大直徑雙中空直孔掏槽與小直徑單中空直孔掏槽炮眼平均利用率分別為85%、83%和69%;3種掏槽方式平均振動峰值速度分別為 0．479 cm/s、0．460 cm/s 和 0．741 cm/s。從圖5—7的波形圖可證實:1)采用逐孔起爆時，掌子面正上方爆破振動峰值一般出現在首個或靠前的起爆眼位置;2)該試驗中，相鄰雷管延期間隔時間均在50 ms以上，波形圖上未出現振動疊加現象。從掏槽的減振效果和掘進效果2方面考慮，大直徑單中空直孔掏槽是下穿建筑物最優的掏槽形式。爆破施工中相鄰雷管延期時間間隔大于50 ms時，基本可以避免爆破振動的疊加。在左線隧道下穿口腔科醫院施工中，下穿段共計21．8 m，采用大直徑單中空直孔掏槽，順利通過了下穿段，振動速度峰值全部控制在2 cm/s以內，未發生超振事故。在下穿施工過程中，口腔科醫院建筑結構未受到損傷，沿線居民正常的工作生活也未受到影響。

理論研究表明，中空直孔掏槽爆破的巖石拋擲一般分為2個階段，第1階段是裝藥孔爆破使破碎介質向中間空孔方向拋擲;然后由于爆生氣體膨脹，使破碎介質沿槽腔向自由面方向拋擲［7-10］。由表2和現場勘測效果分析看出，直眼掏槽掘進效果、減振效果與起爆的炮眼距中空孔邊沿距離l與中空孔孔徑φ比值相關。采用逐孔起爆時，大直徑單中空直孔掏槽、大直徑雙中空直孔掏槽，首個起爆的炮眼距中空孔邊沿距離l與中空孔的孔徑φ之比分別為1．00和1．06，且相鄰炮眼內雷管延期間隔時間在50 ms以上，從現場勘測效果來看，裝藥眼與空孔之間由爆炸產生的破碎巖石可以通過借助大直徑空孔順利完成2個階段的拋擲。大直徑空孔掏槽中空孔孔徑較大，碎石能順利拋出，給予未作用于巖石的那部分爆炸能量向空氣自由面的溢出空間，從而可以降低爆破振動。

而小直徑中空直孔掏槽，首個起爆的炮眼距中空孔邊沿距離l與中空孔孔徑φ之比為2．38，在爆炸過程中產生的破碎巖石易在小直徑空孔內相互擠實，阻礙后續的破碎巖石沿槽腔向自由面方向的拋擲，進而影響了炮眼的利用率。小直徑中空直孔掏槽，中空孔孔徑較小，同時又由于爆炸過程中，中空孔內發生巖石擠實現象，未作用于巖石的那部分爆破能量難以溢出，爆破振動較大。

5 結論與建議

本工程所在隧道的圍巖級別為Ⅱ—Ⅲ，巖性主要為花崗巖，埋深為13～14 m，本文通過對大直徑單中空直孔掏槽、大直徑雙中空直孔掏槽、小直徑單中空直孔掏槽3種掏槽形式進行現場試驗并應用在后續工程，從中可得到以下結論:

1)同等條件下，大直徑單中空直孔掏槽在炮眼利用率、減振效果方面優于其他2種掏槽形式。采用該掏槽形式，順利下穿口腔科醫院段，振動速度峰值控制在2 cm/s以內，且未發生超振事故。

2)直眼掏槽掘進效果、減振效果與裝藥眼距中空孔邊沿距離l與中空孔孔徑φ的比值相關。當首個起爆眼距中空孔邊沿距離l1基本等于中空孔的孔徑φ時，掏槽區的掘進效果、振動效果較好;當裝藥眼距中空孔邊沿距離l1遠大于中空孔的孔徑φ時，掏槽區的炮眼利用率較低，振動速度峰值較大。

3)相鄰炮眼內雷管延期間隔時間在50 ms以上，既可避免振動疊加的發生，又給予了槽腔內巖石足夠的拋擲時間，利于形成較好的爆破槽腔。

由于本文對于掏槽形式的掘進與振動效果的研究，僅依據現場試驗結果得出結論，因而具有一定的局限性。后續研究還需要采用數值模擬方法對不同掏槽方式的爆破效果進行分析研究，以佐證現場試驗結果。本文僅通過比較3種直眼掏槽形式，得出了直眼掏槽掘進進尺、減振效果與裝藥眼距中空孔邊沿距離l與中空孔孔徑φ的比值相關這一觀點。對于直眼掏槽的掘進進尺、爆破時振動掌子面正上方地表質點的振動速度峰值與掏槽區裝藥眼距中空孔邊沿距離l與中空孔孔徑φ的比值的關系尚需進一步的量化，才能更好地指導工程實踐。

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