淺埋隧道下穿高壓給水管道微振動控制研究

王曉鵬，王海亮

(1.中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110000;2.山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

淺埋隧道下穿高壓給水管道微振動控制研究

王曉鵬1，王海亮2

(1.中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110000;2.山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

摘要：為減小區間隧道爆破作業對地下高壓給水管道的擾動，需對其進行微振動控制。針對青島地鐵某區間隧道下穿DN1200高壓給水管道，最近距離僅為8.9 m、圍巖Ⅳ～Ⅴ級的特點，結合爆破施工經驗，進行了微振動爆破控制專項設計。通過選用大直徑中空孔直眼掏槽、合理選擇爆破參數，對爆破振動進行有效控制。同時，對爆破振動進行動態監測，分析爆破振動影響。結果表明：在進尺為750 mm時，選用150 mm直徑中空孔，環形布置掏槽眼，分炮次起爆的情況下，可將振速控制在1 cm/s以下，達到良好的減振效果，為類似工程提供了參考。

關鍵詞：爆破;直眼掏槽;微振動控制;高壓管道;近距離

在城市軌道交通工程中，因隧道與地下管線交叉重疊，不可避免要考慮其施工對市政管網的影響。若隧道工程措施不當，極易造成管線開裂，誘發煤氣泄漏、水患、停電、通訊中斷等安全事故，造成不必要的經濟損失及社會影響[1]。隧道近距離下穿管線是淺埋暗挖施工的主要難題和風險之一，越來越受到重視。

國內外學者已對隧道穿越管線控制措施做了相關研究：李軍省[2]利用Midas GTS軟件及現場監測數據，分析了隧道施工對管線的影響，確定了包括注漿加固、分臺階控制爆破等下穿給水管線的技術措施；楊選擇等[3]針對隧道穿越有壓管道情況，上半斷面帷幕注漿，對富水砂層進行止水加固，并提出短進尺、弱爆破、加強超前支護的技術措施，順利通過管道；王凱[4]通過現場監控量測、數值模擬等分析了鉆爆法施工對鄰近腐蝕管線的影響，并提出優化的爆破參數及安全防護控制措施；Anirban等[5]針對地表爆破情況，開展了管線、隧洞等地下結構物離心模型試驗。

上述研究中，針對穿越大直徑高壓給水管道的爆破微振動控制研究較少。青島地鐵3號線某區間隧道上方管線對爆破振動速度控制要求為在1.0 cm/s范圍內。根據前期非下穿管線段爆破施工經驗，通過振動驗算可知，下穿段若繼續采用原爆破方案，不能滿足振動控制要求，需進行專項設計，實現微振動控制。本研究主要結合現場工程實際，提出大直徑中空孔直眼掏槽分部起爆微振動控制技術，從爆破開挖角度減少對有壓給水管線的影響。

1工程概況及風險分析

青島地鐵嶺清暗挖隧道施工地層主要為第四系(Q)，圍巖等級為Ⅳ～Ⅴ，從地表起依次有素填土、強風化巖層、中風化巖層、微風化巖層，為上軟下硬地層。工作區內的地下水類型主要為第四系松散堆積層孔隙水及基巖裂隙水，地下水補給來源主要為大氣降水和河流上游的側向徑流補給。

如圖1所示，該區間隧道下穿引黃入青的DN1200高壓給水管道。管道直徑達1 200 mm，與隧道最近距離僅為8.9 m。同時，DN1200給水管線與隧道走向一致，埋深為2.8 m，為混凝土承插式接頭，水泥膠圈接口，脆性較大，水管下方無支撐墩，建設施工過程中多次爆破的振動累積可能導致該管線損壞。

圖1　DN1200高壓供水管線與暗挖隧道的位置關系

一方面，爆破振動會影響圍巖的穩定，當爆破振動較大時，將會破壞圍巖的完整性，誘發地層沉降，導致管線的破壞；另一方面，管內為高壓給水、管線管徑較大、無支撐墩，管線易于損壞且破壞后易發生水患。因此，控制爆破振動，減少區間隧道施工對管線及圍巖影響，成為重點關注的難題。

2波傳播機理及微振動控制技術

隧道掌子面爆破近區(即爆源區域)產生沖擊波，爆破中區產生應力波，通過巖土介質進行傳播，最終轉換為相應的初級及次級地震波，對建(構)筑物造成一定的有害效應[6]。爆破波的傳播形式如圖2所示。在工程實踐中，因巖土介質的不均勻及不連續性，相應波動也較為復雜。根據爆破的特點，現階段爆破微振動控制措施主要從爆源、受保護構筑物及傳播過程三方面進行[7]，施工中前兩者較多。

圖2　波的傳播形式(R0為裝藥半徑)

2.1爆源振動控制

在爆源、傳播過程、受保護構筑物三方面振動控制中，針對爆源采取振動控制研究方法較多，應用也較為廣泛。從爆源振動控制角度分析，包含了炸藥的選取、藥量的控制、爆破時差的選擇、鉆爆參數的制定等。

炸藥爆速與質點的振動速度密切相關，呈現正比關系。為降低爆破振動影響，應盡量采用低爆速的炸藥。在青島爆破工程中常用的炸藥有乳化炸藥及水膠炸藥兩種。2號巖石乳化炸藥爆速趨近于3 200 m/s，可有效減少因炸藥爆速對質點振動速度的影響。表1為2號巖石乳化炸藥的主要指標。

表1　2號巖石乳化炸藥性能指標

爆破引起的質點振動速度的衰減規律一般用薩道夫斯基經驗公式表示。根據式(1)可知，單段起爆藥量Q越大，質點振動速度V也隨之增大。在地質條件一定的情況下，為了降低爆破振動對地表建筑物的影響，較為有效的方式就是限制單段最大起爆藥量。因此，爆破中應降低同段位起爆的雷管數目及單孔裝藥量。

(1)

式中：V是保護對象的質點振動速度，cm/s；Q是最大單段炸藥量，kg；R是爆源與保護對象質點間的最短距離，m；K、α分別是與地質條件等相關的系數和衰減指數。

理想狀況下，若微差爆破時間選擇合理，則可以使得幾個爆源在某個時刻實現波的反向疊加，即所謂的波峰和波峰相互疊加，降低波的振幅，實現爆破振動強度的削弱，避免受保護物的共振現象。一般而言，爆破時差Δt越大，減振效果越好。同時，考慮到振動持續時間因素，爆破的時差不宜取過大。根據相關研究，微差時間在50～200 ms范圍內時，爆破震動效應可得到有效控制。

鉆爆參數的制定包含了掏槽形式的選擇、減排距及孔深的確定等。隧道爆破中，掏槽主要以楔形掏槽及直眼掏槽兩種形式為主。直眼掏槽需在爆破前鉆取中空孔增加自由面，使得爆炸能量得到有效釋放，減少爆破振動向周圍巖體的傳播。炮孔間排距及孔深制定上，應遵循“多打眼、短進尺”的原則。

2.2傳播過程控制

爆破傳播過程中，若作為傳播介質的圍巖整體性好，爆破振動衰減較慢；當圍巖自身整體性不好或人為破壞后，爆破振動衰減速率隨之增加。所以改變傳播過程條件可降低爆破振動的影響。現階段，主要應用的技術手段包括了預裂爆破、隧道周邊靜態破碎、開挖隔振溝槽等方法。以預裂爆破及靜態破碎為例，爆破時鉆孔的數目增多，增加了施工作業時間及藥劑成本，在本研究中未采用此種振動控制方式。

3爆破參數設計

本區間隧道分上下臺階施工，上臺階超前下臺階5 m。因上臺階緊靠管道且沒有良好的自由面，為本次研究的重點控制對象。隧道上臺階開挖面積15.08 m2，循環進尺取0.75 m，采用大直徑中空孔直眼掏槽爆破技術。上臺階炮眼共計89個，比鉆眼數7.36個/m2，炸藥總藥量16.3 kg，單耗為1.44 kg/m3。爆破共分3次，按照順序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ依次起爆。圖3為隧道上臺階炮眼布置圖，圖中阿拉伯數字表示雷管段別，羅馬數字表示開挖炮次。

3.1掏槽眼參數的確定

為充分利用輔助自由面及良好的空孔效應，采用的中空孔直徑越大，掏槽效果愈好。根據現有的設備條件，中空孔孔徑選擇150 mm的大孔徑。為提高施工效率及保證中空孔位置的準確性，水平布置的中空孔一次鉆鑿深度7～10 m。掏槽眼以中空孔為中心，四個掏槽眼及四個擴槽眼環形分布。

首響孔與中空孔距離決定著掏槽效果及爆破振動控制，其決定因素是藥包爆炸能量能否有效破碎巖體、掏槽爆落區體積是否大于脹碎后的體積等因素。按照爆破作用指數理論，空孔與首響孔間距

(2)

圖3　上臺階炮眼布置圖

式中：a為首響孔與大直徑空孔距離；R為空孔半徑；n為爆炸作用指數，取值范圍0.1～0.75，當空孔半徑較小時n取小值[8]。當R取75 mm時，n取0.42。計算得最內側掏槽眼距中空孔250 mm，掏槽眼間距向外逐步擴大[9]，見圖4。

圖4　掏槽眼布置示意圖

掏槽眼炮孔孔深與循環進尺成正比關系。根據工程經驗，循環進尺750 mm，掏槽眼孔深取900 mm。通過薩道夫斯基公式可知，單段最大起爆藥量越大，其相應的振動影響也越明顯。為減少對地面的擾動、同時達到良好的掏槽效果，掏槽單孔裝藥量取0.2 kg，單孔單響，即單段最大起爆藥量為0.2 kg。

3.2周邊眼參數

周邊眼決定著隧道的成型效果。周邊眼應沿開挖輪廓線布設，孔底位于同一平面上，同時保持有3%～5%的外插斜率。隧道上臺階主要處于中風化巖層中，圍巖相對較軟，參考表2炮眼間距E取350 mm。當周邊眼密集系數K(炮眼間距E與光爆層厚度W的比值)接近0.8時，可達到良好的光面爆破效果，故W取450 mm。

表2　光面爆破參考數值

本設計中，根據炮眼間距E、光爆層厚度W等參數，確定周邊眼的單孔裝藥量。由于隧道上臺階周邊的圍巖相對較軟，裝藥集中度取0.15 kg/m，則0.8 m的炮孔長度單孔裝藥量為0.12 kg。

3.3輔助眼參數

直線形與弧線形是輔助眼的兩種基本布置方式，本方案將兩種方式充分結合。輔助眼間距a、排距b應大于周邊眼的最小抵抗線W，而且a、b的取值與炮眼的單孔裝藥量有關。本設計取a=500～600 mm,b=500～600 mm。輔助眼的單孔裝藥量與炮眼的間排距及圍巖硬度等緊密相關。循環進尺為0.75 m，取炮孔深度0.8 m，單孔裝藥量0.15 kg。

4振動控制與分析

為最大限度的監控隧道爆破對管線的振動影響，監測儀器均布置于爆破掌子面上方、給水管線軸線對應的地表位置，同時采集管線上方在垂直方向、水平軸向及水平切向三個方向的振動數據。所監測的數據與地下管線振動相應速度有所不同，但在工程實踐中，因爆破監測條件限制，默認地表監測數據作為管線振速。爆破地震波特性參數包含了振幅、頻率及持續時間[10-11]。現階段，爆破振動廣泛依據振動速度進行判斷。

為有效證明方案的控制效果，對連續20個開挖循環炮次的3個方向峰值振動速度進行了統計，如表3所示。前20個開挖循環炮次的實測結果表明，最大振速出現在第6炮，振速0.917 cm/s，未發生超振。實測結果表明，全部振動速度均控制在1.0 cm/s，爆破的振動速度集中控制在0.25～0.75 cm/s，爆破振動控制效果良好。垂直方向平均最大振動速度為0.484 cm/s，水平軸向平均振動速度為0.356 cm/s，水平切向平均速度為0.346 cm/s，進一步說明采取大直徑空孔直眼掏槽、嚴格控制單段最大藥量微振動控制措施的可行性。

表3　開挖循環與各方向的振速峰值

5結論與建議

結合下穿高壓給水管線隧道開挖施工對爆破振動的控制要求，通過爆破的微振動控制，提出可行的掏槽形式、控制炮孔的單孔裝藥量及單段最大藥量、選擇合理的間排距、分炮次開挖等一系列措施，并根據監控量測數據，得出主要結論如下：

1)采用150 mm大直徑中空孔，掏槽孔及擴槽眼均采用單孔單響，首響孔與中空孔中心距離250 mm，可滿足掏槽處微振動控制的要求，可將掏槽處振速控制在1.0 cm/s范圍內。

2)輔助眼孔深0.8 m，輔助眼單孔裝藥量0.15 kg，間排距500～600 mm，可實現良好的爆破效果且滿足微振動控制要求。

3)分炮次爆破可以保證形成良好自由面，規避大段別延期起爆復雜網路易出現的殘管風險，有效控制振動速度。

本研究將設計與現場試驗結合，實現了微振動控制的目標，針對下穿高壓管線采用的爆破控制方法具有一定的實施性和指導意義。但是，微振動控制舉措較多，針對受保護構筑物微振動控制措施還應進一步研究。同時，將地表監測數據作為管線振動速度的研究尚需探討。

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(責任編輯：呂海亮)

Study on Micro-vibration Blasting Control for Shallow Tunnel Crossing Underneath High Pressure Water Supply Pipelines

WANG Xiaopeng1, WANG Hailiang2

(1. China Railway No. 9 Group Co. Ltd, Shenyang, Liaoning 110000, China 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Abstract:In order to reduce the disturbance of tunnel blasting to the underground high pressure water supply pipelines, it is necessary to carry out micro-vibration blasting control. Based on the tunnel of Qingdao metro crossing underneath high pressure water supply pipeline DN1200 with the nearest distance of only 8.9m and the surrounding rock of grade IV ～ V and combined with blasting construction experience, a special design of micro-vibration blasting control was carried out. The blasting vibration was effectively controlled by selecting the large diameter empty hole and blasting parameters reasonably. At the same time, dynamic monitoring of blasting vibration was conducted and the effect of blasting vibration was analyzed. The results show that with a footage rate of 750 mm, 150 mm diameter empty hole, annular arrangement of cut holes and sub shot blasting, the vibration velocity can be controlled within 1 cm/s and good damping effect can be achieved, which provides a reference for similar projects.

Key words:blasting; parallel cut; micro-vibration control; high pressure pipeline; near distance

收稿日期：2016-01-24

基金項目：國家自然科學基金項目(10672091)

作者簡介：王曉鵬(1980—)，男，遼寧撫順人，主要從事地鐵隧道工程等方面的研究工作.E-mail:xwldzs_1456@163.com 王海亮(1963—),男,河北石家莊人,教授,博士生導師,主要從事工程爆破、地下工程、安全評價理論等方面的研究，本文通信作者.E-mail:tlgcbp@263.net

中圖分類號：TB41

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)03-0061-06