城際鐵路暗挖隧道爆破開挖微振動控制技術

楊永

摘 要：微振動控制爆破技術可以有效降低爆破振動，已在對爆破振動有要求的隧道中廣泛采用。文章結合莞惠城際6標暗挖隧道下穿學校所采用的微振動控制爆破技術，針對如改善裝藥結構、優化爆破參數、控制最大一段起爆藥量、采用微差起爆技術、同一斷面分區分次起爆等施工技術進行改進，通過工程實踐，最終顯著降低了爆破振速，使爆破達到預期效果，為今后類似隧道的爆破開挖施工提供借鑒。

關鍵詞：微振爆破；參數；控制

中圖分類號：F530.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0037-03

引言

城市地鐵隧道常修建在人口密集的街區，當采用礦山法爆破開挖時，除了控制地表沉降，另外一個主要問題就是控制爆破振動對地表建筑物及對人群的影響。目前我國《爆破安全規程（GB6722-2014）》僅對建筑物爆破振動安全允許標準有明確規定，但對人群的影響卻沒有明確規定。

莞惠城際軌道交通GZH-6標段隧道地處人口密集街區，并下穿一所小學，該段隧道爆破開挖時除了要求對學校建筑物不能產生不良影響外，還要求爆破振動不能對學生造成任何心理影響，因此要求爆破振速不超過1mm·s-1，使人感覺不到振感。

本文結合現場施工實際，并根據爆破振動產生的機理，從控制爆破能量源及控制爆破能量的傳遞著手，采用工程類比法、計算法及現場試驗法等，取得爆破參數，進一步優化微振動控制爆破技術，最終使爆破振動達到預期效果。

1 工程概況

莞惠城際軌道交通GZH-6標段位于廣東東莞市大朗鎮，左線盾構隧道起訖里程為GDZK35+432.596～GDZK38+359.000。GDZK38+359.000處為盾構始發井，GDZK35+432.596處為盾構吊出井。原設計盾構機從始發井往小里程方向盾構吊出井掘進。

為了在限定工期內完成，經設計變更，采取在GDZK35+432.596吊出井往大里程始發井方向進行礦山法開挖接應盾構機，礦山法隧道施工二襯，盾構機空推不拼管片通過的方案。該段礦山法隧道埋深27～38m，地表建筑密集，交通繁忙，隧道需下穿一所小學。隧道洞身范圍內主要為弱風化混合片麻巖，設計圍巖等級為Ⅳ級，采用爆破開挖，要對爆破振動進行監測及控制。

2 開挖方案

隧道洞身施工遵守“弱爆破，短進尺，強支護，早封閉，勤量測”的原則。在圍巖開挖中主要采用光面爆破開挖，微振動爆破技術，以盡可能減輕對圍巖和周圍構筑物的擾動，維護圍巖自身穩定性，達到良好的輪廓成形。

洞身開挖采用二臺階法開挖，開挖循環進尺根據圍巖地質條件和初期支護鋼架間距合理確定。上臺階長度5～8m，上臺階開挖高度約6.1m，開挖斷面約52m2。下臺階開挖高度約4.2m，開挖斷面約32m2，下臺階及早封閉成環。開挖完成后立即施做初期支護，二次襯砌滿足隧道安全步距要求。

隧道施工爆破后及時清除開挖作業面石渣，使用挖機將石渣裝在載重車上運輸到井口位置，由龍門吊將渣吊入渣池，在渣池由挖機裝車運出施工場地到棄渣場。

隧道內進行圍巖及初期支護的變形監控量測，地表進行爆破振動速度監測，對每次爆破的監測值進行分析，及時調整爆破參數，使爆破振動達到理想效果，確保施工安全。

3 施工方法

3.1 微振動爆破原理

由巖石爆破機理可知，炸藥包在巖石中爆炸，爆轟作用形成的應力波，由爆炸中心向周圍傳播，先是使臨近藥包周圍的巖石產生壓碎圈和破裂圈，當應力波通過破裂圈后，由于它的強度急劇衰減，只能引起巖石質點產生彈性振動，并以地震波的形式向外傳播。爆破地震波傳播到地表，引起地表振動，即為爆破振動。

微振動爆破的核心技術，就是根據應力波疊加原理，在等同裝藥量的情況下，采用毫秒延期雷管分段微差爆破，使爆破地震波的能量在時空上分散，從而降低爆破地震的強度。因此，通過利用微振動爆破技術對爆破振速進行控制，主要從炸藥品種、裝藥結構、炮眼布置、裝藥量、爆破時差等爆破參數的合理確定來實施。

計算微振動爆破技術質點振動速度公式一般為薩道夫斯基公式：

本段隧道采用二臺階開挖法，經過初期多次爆破振動監測，下臺階爆破開挖時爆破振動未傳到地表，所以只在上臺階開挖時進行爆破振動控制即可。

3.2 選擇合適的炸藥

炸藥品種對炸藥的爆破振速有直接影響，根據爆破理論，炸藥爆轟傳遞效率與巖石波阻抗和炸藥波阻抗有著直接的關系。炸藥波阻抗和巖石波阻抗匹配系數β接近1，即可充分發揮炸藥能量，又有一定的降震效果。

本段隧道爆破選用小直徑2#巖石乳化炸藥，密度ρ0=1.1g/cm3，爆速D=3600m/s，隧道巖體容重ρ=2.0g/cm3，縱波波速V=2500m/s。

根據公式β=ρ0·D/ρ·V，計算得β=0.792，能滿足控制爆破效果需要。

3.3 優化裝藥結構

目前炮孔空氣不耦合裝藥已被廣泛應用于光面爆破、預裂爆破等斷裂成型控制爆破工程中。在鉆孔爆破中采用不耦合裝藥結構可以減弱爆破的強沖擊荷載對炮孔壁的破壞，延長爆破壓力的作用時間，比耦合裝藥有明顯的降低爆破地震效應的作用。

為了選擇合適的不耦合系數，通過多次試爆，實測爆破振速如表1所示。

經過綜合比較，選擇不耦合系數2.0時爆破效果最好，本隧道選用的小直徑2#巖石乳化炸藥直徑為2.5cm，故炮眼直徑選擇5cm。

3.4 設計合理的爆破參數

爆破參數的合理選取是獲得預期爆破效果的基本前提，必須根據具體的工程要求與目的，在優化確定爆破方案的基礎上，正確設計各爆破參數。隧道光面爆破主要參數包括：周邊眼間距（E）、周邊眼抵抗線（W）、相對距離（E/W）、裝藥集中度q。這些參數可參照鐵路隧道施工規范選擇，見表2：endprint

根據以上參數可以計算炮眼數量、最大一段允許裝藥量、總裝藥量等參數。

3.4.1 計算炮眼數量

式中：N-炮眼數量，不包括未裝藥的空眼數，個；q-單位炸藥消耗量，一般取q=1.2kg/m3～2.4kg/m3，硬巖取大值，軟巖取小值；s-開挖斷面積，m2；ɑ-裝藥系數，裝藥長度與炮眼全長的比值，參考表3；γ-每米藥卷的炸藥質量，kg/m；Ф2.5cm的2#巖石乳化炸藥γ=1.25。

3.4.2 計算炮眼深度

本段隧道圍巖為Ⅳ級圍巖，每次開挖循環進尺不大于2m，炮眼利用率為0.9。計算炮眼深度為2.2m，一般掏槽眼炮眼深度加深0.2m，故掏槽眼深度L=2.2+0.2=2.4m，輔助眼、周邊眼深度取2.2m。

3.4.3 確定炮眼直徑

根據確定的不耦合裝藥系數及炸藥藥卷直徑，炮眼直徑為5cm。

3.4.4 計算最大一段允許裝藥量

3.4.5 總裝藥量

炮眼裝藥量的多少是影響爆破效果的重要因素，目前多采取先用體積公式計算出一個循環的總用藥量，然后按照各種類型炮眼的裝藥系數ɑ進行分配，再在爆破實踐中加以檢驗與修正，直到取得良好的爆破效果為止的方法。計算總用藥量的公式：

式中：QM-一個爆破循環的總用藥量，kg；q-爆破每立方米巖石所需炸藥的消耗量，kg/m3，Ⅳ級圍巖q=1.2；l-每掘進循環的計劃進尺數，m；s-開挖斷面面積，m2。

本隧道每掘進循環的計劃進尺數為2m，開挖斷面面積為52m2。

3.5 采用微差爆破技術

在采用多排炮孔爆破時，起爆順序及排間的延遲時間對爆破作用的影響較大，為了改善爆破效果，降低爆破地震波的危害，爆破中采用同次分段起爆方法，即在同一次爆破中將炮孔劃分成不同的組別，按照一定的先后順序依次起爆。

隧道施工炮孔起爆順序為：掏槽孔→輔助孔→周邊孔。

為了保證準確的按設計順序起爆，采用微差爆破技術。在生產實踐中，間隔時間受起爆器材各段的間隔時間制約。根據現場施工條件，選取隔段起爆間隔50ms的1～13段毫秒導爆管雷管孔內延期起爆法。各個炮眼所采用的毫秒導爆管雷管段別為：掏槽眼1、3段，輔助眼5、7、9、11段，周邊眼13段。

3.6 同一斷面分區分次起爆

在上臺階爆破開挖過程中，通過采用基本的微振動控制技術，可將爆破振速控制在《爆破安全規程》對建筑物爆破振動安全允許標準之內。但當隧道通過學校時，需將爆破振速進一步減小。若減少裝藥量，則每循環開挖進尺過小，無法滿足施工工期要求。

經過試驗改進，在施工中采用了將上臺階斷面劃分為上下兩部分，先起爆下部分，再起爆上部分的分區分次起爆方法。采用此方法后爆破振速顯著減小，這樣既保證每循環開挖進尺，又滿足隧道通過學校時爆破振速的要求。

4 爆破參數及炮眼布置圖的確定

施工過程中，根據以往爆破經驗，對爆破方案和參數進行選取和設計，并通過現場初期多次試爆，對采集的爆破振速等監測數據進行分析，及時對設計參數進行逐步修正，在后續的爆破中根據實際情況不斷調整，通過不斷的改進和實踐，最終確定爆破參數見表5，炮眼布置如圖1。

5 爆破效果

根據最終確定的爆破參數及技術措施，在后續爆破施工中，對爆破振速的監測未出現超標情況，實測爆破振速見表6。

爆破監測人員在現場親身感受爆破，在不經意間未感覺有振感，對人體未產生任何心理影響，實踐證明莞惠城際軌道爆破開挖所采取的爆破技術和相關措施是成功的。

6 結束語

微振動控制爆破技術是爆破降振的有效措施，施工前根據經驗及理論計算確定合理的爆破開挖方案，施工中通過試驗選擇炸藥品種，優化裝藥結構，調整爆破參數等細部設計，采用微差爆破技術，采取同一斷面分區分次起爆來控制爆破能量源和爆破能量的傳遞方法，最終達到設計的降振效果。

參考文獻：

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