微地震精細爆破技術在2擴4隧道開挖施工中的應用

戴俊搴

(福建省交通建設工程質量安全監(jiān)督局 福建福州 350001)

引 言

本文依托沈海高速公路福建境泉州至廈門段大帽山隧道2擴4施工開展微地震精細爆破技術應用研究。該隧道擴建前左右洞均為兩車道隧道，擴建方案為:在原兩洞之間新建一座四車道隧道后開放交通，再將右洞擴建為四車道隧道。擴建隧道各級圍巖均采用單側壁導坑法開挖，單層初期支護。Ⅴ級圍巖采用φ108mm注漿大管棚超前支護，一般Ⅴ級圍巖采用φ50mm注漿小導管支護，Ⅳ級圍巖以下采用超前錨桿支護。Ⅴ級圍巖以機械開挖為主，局部實施低振動的松動爆破，Ⅳ級圍巖以下根據圍巖情況原則上采用光面控制爆破。為加快施工進度，確保人員、設備、周圍建(構)筑物安全和施工工期，復雜環(huán)境下爆破施工方案應優(yōu)先考慮采用微地震精細爆破技術。

精細爆破的核心是定量化和精細化。主要包含如下幾個部分:(1)精確數值化的爆破技術研究;(2)定量化的工程爆破設計;(3)高精度高可靠性的爆破器材選型;(4)精細化的爆破施工技術;(5)精細化的施工管理方法;(6)定量化的爆破效果評價等內容。

1 設計原則

為了保證隧道爆破后輪廓線的平整度，減少爆破振動[1]對周圍建筑物的影響，采用“短進尺、弱爆破”的微差減震光面控制爆破技術方案。具體方案及設計原則如下:

1)以地面建筑物基礎底部(或地面)至爆源中心距離R為安全控制半徑，借助于經驗公式:

式中:Qmax為一次起爆最大允許裝藥量，kg;R為爆區(qū)邊緣至保護建筑物的距離，m;V為被保護建筑物質點振動波速度限值，根據《爆破安全規(guī)程》(GB4766－6003)取值。

以質點振動波速度限值作為控制標準，進行反算各部分所允許的單段用藥量。并進行試爆試驗，取得合理的爆破參數。

2)根據現(xiàn)場的地質及施工條件，控制爆破規(guī)模和控制循環(huán)進尺，以達到控制質點振動速度的目的。

3)合理選取鉆爆參數和單位炸藥消耗量，力求達到理想爆破效果;對Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用不同的單位炸藥消耗量。

4)必須采用光面爆破技術，嚴格控制圍巖的超挖量;軟巖地段光爆炮眼半孔殘留率控制66%，硬巖90%以上。

5)地面均需配合爆破振動監(jiān)測[2]，及時調整鉆爆參數，滿足環(huán)境及施工要求。

6)除了采用光面爆破施工的減振措施外，必要時可采用減震措施。如周邊密排空眼減震，開挖面增打減振孔、預留光爆層光面爆破等綜合減振措施。

2 鉆爆參數初步設計

爆破參數的確定采用理論計算法、工程類比法與現(xiàn)場試爆相結合，在保證爆破振動速度符合安全規(guī)定的前提下，提高隧道開挖成型質量和施工進度。

2.1 開挖爆破

1)掏槽形式及參數

掏槽眼用來先掏出開挖面上的一部分巖石，增加臨空面，改善其它炮眼爆破條件[3]。掏槽選用直眼和斜眼掏槽。選用直眼掏槽時，風動鑿巖機鉆孔時可采用五梅花型中空孔掏槽，鉆孔臺車鉆孔時可采用大中空孔掏槽。選用斜眼掏槽時，可采用雙層復式楔形掏槽。從減震角度應采用斜眼掏槽——雙層復式楔形掏槽。雙層復式楔形掏槽設計有4對對稱的斜眼，成對的在炮眼底集中炸出一個楔形空間.楔形掏槽眼孔口距為分別80cm、60cm，底口距分別為60cm、60cm，孔深為1.0m、1.7m。炮眼數量為14個。

圖1 雙層復式楔形掏槽

2)周邊孔與底孔

光面爆破效果力爭達到周邊眼炮痕保留率達到90%以上，前后兩個循環(huán)周邊開挖輪廓錯臺小于10cm。采用經驗公式和工程類比法確定。

普通段周邊眼間距 a:a=0.6m，周邊眼抵抗線:W=0.40m，孔底落在輪廓線外10cm。

減震段周邊眼間距E:

式中:d為炮眼直徑。本設計為隔孔裝藥，炮眼間距660mm，炮眼直徑46mm，能滿足E值要求。

周邊眼抵抗線W:

底眼:開口在底板輪廓線上，炮眼間距為0.66～0.4m，底眼抵抗線W=0.4m，孔底落在輪廓線外10cm處。

3)崩落孔

崩落孔用以擴大掏槽的體積，為周邊眼爆破創(chuàng)造有利條件。崩落眼應交錯均勻地布置在周邊眼與掏槽眼之間，垂直于開挖面打眼，力求爆下的石渣塊體大小適合裝渣要求。當炮眼直徑在36～46mm的范圍內時，抵抗線W與炮眼深度L有如下關系式:

在堅硬難爆的巖體中，或炮眼較深時，應取較小的系數，反之則取較大的系數。

爆破炮孔間距:0.86 ～0.9m，抵抗線0.7 ～0.9m。

4)裝藥量計算

爆破一次總裝藥量估算:

式中:Q為爆破一次總裝藥量，kg;K為爆破每m3巖石所需炸藥量，kg/m3;L為炮眼深度，m;s為隧道上臺階斷面積，m3;η 為炮眼利用率，η =0.8～0.96;

各級圍巖爆破參數詳見(表1)和(圖2，圖3).

表1 隧道2擴4爆破參數表

圖2 KZ5－1、KZ5炮孔布置圖

圖3 KZ4、KZ3、KZ2 炮孔布置圖

2.2 既有隧道拆除鉆爆設計

1)隧道環(huán)向溝槽開挖爆破參數

(1)炮孔深度L

式中，L為炮孔深度，m;B為隧道襯砌厚度，m，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖中分別為 B=40，50，65cm，則炮孔深度分別取 L=40，50，65cm。

(2)炮孔間距a和排距b

(3)單孔裝藥量Q

式中，V為破碎巖石體積，m3，其余符號意義同前。

(4)堵塞長度

不裝藥部分全部堵塞。

2)各分段內爆破參數

通過試爆拆除襯砌，有了工作面后，鉆爆參數作過調整 ，沿縱向鉆眼。這部分的鉆爆參數如下:

(1)炮孔深度L

為方便鉆孔作業(yè)，拱部采用傾斜炮孔，炮孔傾角α=45°～60°(實際傾角可以以鉆孔方便為原則確定，但必須保證相鄰炮孔平行。且因為炮孔是傾斜的，布孔時一定要注意根據藥包最小抵抗線的位置來確定孔間距。)。

其他部位炮孔均采用垂直炮孔，梅花形布孔，孔深為

(2)炮孔間距a和排距b(實際炮孔間距a和排距b可根據試炮結果和圍巖狀況調整)

(3)單孔裝藥量Q

(4)堵塞長度

不裝藥部分全部堵塞。

爆破參數計算結果詳見(表2，表3)。

表2 環(huán)形溝槽爆破參數匯總表(取q=1.6kg/m3，拱頂α=45°)

表3 各段內爆破參數匯總表(取q=1.4kg/m3，拱頂α=45°)

3 減震措施

本隧道采用微震光面爆破，可有效減輕震動影響，減小對圍巖的擾動，亦是保證本隧道施工安全的重要措施，其施作要點如下:

1)配合爆破震動地震波測試，根據不同圍巖等級調整優(yōu)化爆破參數，確保山頂及洞口鄰近房屋的安全。

2)合理安排段間隔時差:為避免爆破震動波形疊加，降低爆破震動強度，毫秒雷管跳段使用，段間隔時差控制在60ms左右。

3)根據以往施工經驗，爆破產生大振速部位通常為:掏槽爆破、底板或底角爆破、周邊光面(預裂)爆破。復雜環(huán)境下隧道爆破開挖過程中 ，采用合理的掏槽方式 ，并進行掏槽眼的參數優(yōu)化以控制爆破地震危害是很有必要的。

4)若爆破震動接近規(guī)范允許值，分析原因，查明事實，調整鉆爆方案。同時，亦可考慮采取如下特別減震措施:

(1)設置干擾減振孔，周邊施打減振孔可以減振 30% ～60%。

(2)調整爆破工程傳爆方向:調整爆破工程傳爆方向，以改變與被保護物的方位關系。實踐證明，拋擲爆破時，最小抵抗線方向的振動最小，反向最大，兩側居中;而采用成排的群藥包爆破時，在藥包中心的邊線方向比在垂直于連線方向的振速降低66% ～46%左右。即優(yōu)化掏槽位置、裝藥結構和起爆順序。

(3)調整優(yōu)化微差間隔時間，提高爆破地震波的振動頻率。

4 鉆爆參數優(yōu)化

4.1 爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測

由于監(jiān)測的數據十分多，這里取中間既有四車道隧道在Ⅴ級圍巖擴挖爆破時典型的波形圖，如(圖4)所示。一般情況下測點的最大質點振動速度發(fā)生單段最大藥量爆破的時候，所以要控制爆破振動，單段最大藥量是關鍵，也就是要使爆破質點振動速度[4]不超過某一個值，就一定要把單段最大藥量控制在一個范圍內，這樣就可以控制爆破能量不超過一定限值，達到對既有隧道影響降到最低程度的目的。

圖4 監(jiān)測質點振動速度時程

4.2 精細爆破的數值分析

為了更好地對既有隧道進行穩(wěn)定性控制，確保隧道的順利施工和既有運營隧道的安全運行，采用ANSYS/LS－DYNA顯式有限元程序建立三維數值模型模擬隧道爆破開挖中對臨近隧道的影響情況。模擬過程中，選取埋設監(jiān)測儀器的斷面為研究對象，根據實際情況取隧道的埋深、圍巖的力學參數和初始地應力參數，建立三維模型。以形象地得到既有隧道的峰值振速，并且可以繪出與該爆破點相對應的隧道斷面振動速度隨時間變化規(guī)律。

在同一次爆破振動中，同時監(jiān)測掌子面前方和后方拱肩部位沿隧道傳播的振動速度，并采用上述模型進行模擬，得到既有隧道左線迎爆側拱肩振動速度計算值與實測值對比圖(見圖5)。

由(圖5)可知，既有隧道斷面處振速隨時間推移越來越小，最大振速為16.99cm/s，與實測值相差不大，并小于臨近振動速度。由(圖5)還可以看出，數值計算值稍大于實測值，但比較接近實測值，誤差較小，這樣既保證了數值計算的安全性，又保證了準確性，故可以用數值計算值來分析隧道爆破對既有隧道的振動影響。優(yōu)化后的爆破參數如(圖6～11)所示。

圖5 既有隧道左線迎爆側拱肩振動速度計算值與實測值對比圖

圖6 各開挖區(qū)域

圖7 實際KZ5－1炮孔布置圖

圖8 V級下導坑開挖順序平面示意圖

5 應用效果

(1)依據現(xiàn)場試驗和監(jiān)測分析結果，優(yōu)化后的最大裝藥量等爆破參數設計合理。在本工程中既有左線隧道肩部振動速度最大，但均未超過20cm/s，均小于規(guī)定的允許值，滿足工程要求，取得了較好的經濟效益和社會效益。

圖9 V級下導坑炮眼布置及裝藥參數一

圖10 V級下導坑炮眼布置及裝藥參數二

圖11 V級下導坑炮眼布置及裝藥參數三

(2)在大帽山隧道爆破掘進過程中，充分運用了現(xiàn)代化信息施工理論，把設計、施工和監(jiān)測緊密結合起來是非常必要的。在大規(guī)模施工前，應進行小范圍的爆破試驗，應用監(jiān)測結果數據對施工進行反饋設計，及時調整優(yōu)化爆破參數，不同地段爆破的單段最大藥量應根據測算的K、α值和周圍建筑物的距離經過計算后做適當的調整，以保證隧道的順利開挖和臨近既有隧道的正常運行。

(3)在施工設計中，適當的應用回歸分析和數值模擬等手段，可以得到隧道爆破振動峰值、中夾巖及斷面振速隨時間的衰減分布規(guī)律，更好地對隧道爆破進行穩(wěn)定性控制，確保隧道的順利施工和臨近隧道的安全運行。

(4)在隧道洞口段爆破飛石防護中引進柔性防飛石技術，泉廈高速公路擴建工程實踐應用證明，該技術是一項安全可靠、施工方便，具有良好技術經濟效益的技術。由于爆破作業(yè)環(huán)境復雜，經常遇到石方開挖緊臨既有建筑、鐵路、公路、高壓線和通訊線等重要設施。為確保建筑物安全，需要對飛石及爆破震動等危害進行嚴格控制。而爆破飛石影響因素多，控制難度大，需精心控制。深入研究爆破飛石機理及其控制技術具有重要的理論與工程意義。

[1]陽生權，周健，李雪健.小凈距公路隧道爆破震動觀測與分析[J].工程爆破，2002，21(2):21 －24，32.

[2]張云鵬，張榮，王中華.馬蘭莊鐵礦爆破震動測試分析[J].金屬礦山，2001，1:12 －13.

[3]史雅語，劉慧.招寶山超小凈距隧道開挖爆破技術[J].工程爆破，1997(4):31－36.

[4]陽生權.小間距平行隧道爆破振動加速度測試[J].爆破，1997(4):38－40.

[5]本文參考《既有高速公路2擴4特大跨徑超小凈距隧道CD工法施工技術研究》課題(省科技進步二等獎，證書編號2013－J－006－5，本人排名第五)，文中圖表引用自該課題。課題負責人林作雷，男，大普學歷，教授級高工，13788886077.