隧道掘進爆破的振動監測與控制技術研究

袁　東，高景明，張向榮，喬　雄

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南　洛陽　471013；2.臺州市黃巖區公路管理局，浙江　臺州　318020；3.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州　730050）

隧道掘進爆破的振動監測與控制技術研究

袁東1，高景明1，張向榮2，喬雄3

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南洛陽471013；2.臺州市黃巖區公路管理局，浙江臺州318020；3.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州730050）

通過爆破振動監測發現在臨近隧道爆破施工中通常掏槽爆破引起既有隧道的振動最為強烈，并且掏槽爆破效果的好壞直接影響整體的爆破效果。針對這個問題設計了掏槽分段的爆破方案，并進行了爆破對比試驗，試驗結果證明，分段掏槽技術的采用使得爆破振動效應明顯降低，可為類似工程的建設提供參考與借鑒。

隧道爆破施工；分段掏槽爆破；實驗探究

臨近隧道施工中，爆源與既有隧道間距很小，爆破振動對既有隧道結構的危害性明顯。爆破振動荷載的反復作用，容易引起圍巖和襯砌結構的損傷，弱化結構強度，使結構可能產生塑性變形，引起部分區域裂縫發展甚至隧道整體變形、結構失穩坍塌［1］。施工中應當采用控制爆破技術，并采取適應的安全控制標準，利用爆破振動測試測的反饋信息來合理設計或者優化爆破參數，使爆破振動強度不至于危及既有隧道的安全，最終減少爆破振動產生的危害［2］。

基于上述原因，通過隧道掘進爆破的振動監測與控制技術研究可以在保證隧道結構安全的基礎上，尋求經濟合理的爆破掘進方案，對促進控制爆破技術的發展具有重要的理論和實用價值［3］。

1　依托工程概況

新建隧道下部的既有隧道為分離式雙向4車道，隧道長445m，隧道凈距約為28m，新建隧道為雙向四車道的連拱山嶺隧道，新建隧道平面線位于既有隧道的內側，且底部高于既有隧道。

新建隧道圍巖基本質量級別為V級，穩定性較低，宜采用復合式襯砌。新建隧道第四系厚度不大，巖石屬較硬巖-堅硬巖，施工中要充分考慮開挖難度。新建雅山隧道與既有雅山隧道凈距較小，最小凈距約12.5m，新建隧道位于既有隧道之上，如圖1所示。既有雅山隧道采用復合式襯砌，初期支護為型鋼支護，二次襯砌為素混凝土和鋼筋混凝土襯砌，影響范圍內的隧道襯砌為素混凝土襯砌，抗震等級為八度，如圖1所示。

圖1　新建隧道與即有隧道的位置關系

2　試驗方案設計

由于掏槽爆破時，僅有一個自由面，爆破時夾制作用很大，若要取得好的掏槽效果需要加大掏槽爆破的單孔藥量［4］。通過對主洞試驗段爆破開挖的監測，發現盡管掏槽爆破的單段藥量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振動強度最大，若要降低爆破施工中的振動效應，則需要控制掏槽爆破的單段藥量。但是降低了掏槽爆破的單段藥量又會影響到掏槽爆破的效果，使得整體爆破效果不佳［5-6］。

針對這種情況，在優化方案中通過在掏槽孔形式不變的情況下對裝藥結構進行改而解決了掏槽效果與爆破振動效應之間的矛盾，即采用掏槽孔孔內分段的方式起爆，將掏槽孔內的藥包分成兩段起爆，四對掏槽孔的外側采用1段雷管起爆，四對掏槽孔的內側采用3段雷管起爆。這樣在不降低掏槽爆破藥量的前提下，降低了掏槽爆破的單段藥量，進而降低了掏槽爆破的振動效應。

為此，設計了現場對比試驗。對比試驗中，在保證裝藥量和布孔形式和尺寸相同的情況下采取掏槽孔孔內分段起爆（簡稱分段掏槽方案）和掏槽孔內采用單一段位起爆（簡稱單段掏槽）兩種方案，進行爆破振動效應的對比測試，對其結果進行分析，從而檢驗爆破優化的效果，以新建隧道左洞K0+ 970-K0+982段為試驗段。在新建隧道爆破斷面的中隔墻處布置2臺儀器，在同一斷面的既有隧道邊墻處也布設測2臺測試儀器，共進行了3次（6個炮次）爆破對比試驗，對比兩種裝藥方案下在中隔墻和既有隧道邊墻處的爆破振動強度。

試驗中的炮孔布置以及裝藥結構如圖2所示。各孔裝藥參數見表1。

表1　主洞爆破對比試驗參數表

圖2　炮孔布置及裝藥結構

3　試驗結果及分析

3.1振速監測結果及分析

爆破對比試驗監測結果見表2。

由表2可見，雖然在兩種爆破方案中僅僅是掏槽段的起爆方式不同 （單段掏槽方案中孔內藥包全部用1段雷管起爆；分段掏槽方案中孔內藥包分為1段與3段兩段起爆），但是優化方案中采用掏槽孔孔內分段的裝藥方式降振效果明顯，在不分段方案下測得的中隔墻處的平均振速為12.537cm/s，既有隧道邊墻處測得的平均振速為4.383cm/s；采用優化方案后測得的振速結果明顯降低，中隔墻處測得的振速平均值為7.019cm/s，既有隧道處測得的振速平均值為3.109cm/s。最終采用優化方案后在中隔墻處的降振效果達到43.44%；在既有隧道邊墻處的降振效果達到29.07%。由此可見，掏槽分段技術的采用使得爆破振動效應明顯降低。

表2　爆破對比試驗測試結果統計

3.2波形分析

3.2.1掏槽不分段方案下爆破振動測試結果

掏槽不分段方案下隧道墻體爆破振動測試結果如圖3、圖4所示，見表3、表4。

1）新建隧道中隔墻。

圖3　K0+970斷面爆破振動z向波形圖

表3　測試結果

2）既有隧道邊墻。

圖4　K0+950斷面爆破振動z向波形圖

表4　測試結果

由波形圖可見，在單段方案下，掏槽孔采用1段起爆，裝藥量為8.4kg；周邊孔采用15段起爆，裝藥18.75kg為最大單段裝藥量。雖然掏槽爆破的單段裝藥不是最大，但由測得振動波形圖可見，在z方向上在第5.3ms波速迅速達到最大值13.575cm/s，為掏槽爆破引起的振動結果。爆源處的縱波、橫波和面波同時生成，在爆破近區的中隔墻的質點上，3種波幾乎同時到達，相互重疊，各類波的初至時刻難于區分，無法辨別初振相與主振相。如圖4所示在既有隧道中測得波速在z方向上在第2.9ms迅速達到最大值3.958cm/s，這也是掏槽爆破作用的結果。在既有隧道邊墻處與中隔墻處測的趨勢一致，均為在掏槽爆破中，波形前沿上升較快、較陡，測點振動速度很快達到峰值在隧道掘進爆破技術中，控制爆破振動效應的一個關鍵技術就是掏槽爆破。

3.2.2掏槽分段爆破振動測試結果

掏槽分段方案下隧道墻體爆破振動測試結果如圖5、圖6所示，見表5、表6。

1）新建隧道中隔墻。

圖5　K0+972斷面爆破振動z向波形圖

表5　測試結果

2）既有隧道邊墻。

圖6　K0+972斷面爆破振動x向波形圖

表6　測試結果

由波形圖可見，掏槽孔1、3段爆破的振動波形的主振相在時間軸上分離，波形未明顯疊加。但掏槽孔內分段裝藥，有效減小了掏槽爆破的單段藥量，減小了掏槽爆破的主振動強度，使得中隔墻上測得的最大振動波速未出現在掏槽爆破中，而既有隧道中測的掏槽爆破引起的振動強度也明顯降低。試驗證明掏槽分段的方案能夠明顯地降低了掏槽爆破的振動效應，并且未減少掏槽爆破的總藥量與掏槽孔的單孔藥量，有效地保證了掏槽爆破的效果。

裝藥結構中周邊孔采用15段起爆，裝藥18.75kg，為最大單段裝藥量；內圈孔采用13段起爆，裝藥12kg。周邊孔爆破與內圈孔爆破的單段藥量最大，然而最大振動波速卻出現在周邊孔與內圈孔爆破中，其原因為爆破振動效應的強弱不僅與單段藥量有關，而且與裝藥的分散程度和臨空面有關，周邊孔或內圈孔爆破時臨空面相對較好；同時周邊孔與內圈孔安排了高段位的雷管，高段位雷管起爆延時分散性大，誤差疊加，使得各炮孔內炸藥起爆時刻分散，設計中適當增加同段爆破炮眼數不會明顯加大爆破振動值，同時可以起到改善爆破效果、簡化爆破施工的作用。

4　結論

1）掏槽爆破是隧道掘進爆破技術中的主要難點和關鍵，掏槽的好壞直接影響其他炮孔的爆破效果。因此必須選擇合理的掏槽孔布置方式和裝藥方式。因此在爆破生產中，需要對爆破的振動效應跟蹤測量，不斷優化爆破參數。

2）通過爆破振動監測發現盡管掏槽爆破的單段藥量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振動強度最大，若要降低爆破施工中的振動效應，則需要控制掏槽爆破單段藥量。

3）針對掏槽振動最大的現象，在優化方案中采用掏槽孔孔內分段的方式起爆，將掏槽孔內的藥包分成兩段起爆，這樣在不降低掏槽爆破藥量的前提下，降低了掏槽爆破的單段藥量，進而降低了掏槽爆破的振動效應。

4）通過爆破對比試驗得出結論：采用分段掏槽方案后測得的振速結果明顯降低，中隔墻處的降振效果達到43.44%；在既有隧道邊墻處的降振效果達到29.07%。由此可見，掏槽分段技術的采用使得爆破振動效應明顯降低。

5）周邊孔以及內圈孔爆破時有較好臨空面，并且高段位雷管延時分散性大，所以引起的振動較小，可適當增加炮眼數和藥量。

［1］ 龔倫，仇文革，曹義.下穿樓房隧道近接施工爆破控制技術研究［J］.鐵道標準設計，2006（01）：86-88.（GongLun，Qiu Wenge，Cao Yi.Proximity tunnel beneath the building Con struction Blasting Control Technology［J］.Railway Standard Design，2006（01）：86-88.）

［2］ 申玉生，高波，王志杰，等.復線隧道施工爆破對既有隧道結構的影響分析［J］.地下空間與工程學報，2009（05）：980-984.（Shen Yu-shen，Gao Bo，Wang Zhijie.Effect of blasting in double line tunnel on existing tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering，2009（05）：980-984.）

［3］ 張志呈.定向斷裂控制爆破［M］.重慶出版社，2000.（Zhang Zhi-cheng.Directional fracture controlled blasting［M］. Chongqing Publishing House，2000.）

［4］ New B M.Ground vibration caused by construction works［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1990，5（3）：179-190.

［5］ 楊軍，陳鵬萬，胡剛.現代爆破技術［M］.北京理工大學出版社，2004.（Yang Jun，Chen Peng-wan，Hu Gang.Modern blasting technology［M］.Beijing Institute of Technology Press，2004.）

［6］ 言志信，王后裕.爆破振動效應及安全［M］.科學出版社，2011.（ZengZhi-xin，WangHou-yu.Blast vibrationeffect and safety［M］.Science Press，2011.）

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