復線隧道施工爆破對既有隧道安全性影響的技術(shù)研究

錢 勇，秦 亮

（1.遵義市建設(shè)工程質(zhì)量安全服務站，貴州 遵義 563000；2.中鐵隧道集團一處有限公司，陜西 渭南 715300）

0 引 言

復線修建過程中產(chǎn)生的爆破振動對既有隧道的影響一般都比較大，有可能造成既有隧道結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，特別是凈距越小時影響越大。因此新建隧道控制爆破對既有隧道的影響監(jiān)測顯得尤為重要。日本獲津隧道、初狩隧道，國內(nèi)大理—麗江高速龍翔隧道等都因隧道間距較小需控制爆破振動安全，均在施工過程中進行爆破監(jiān)測并采用分析軟件進行三維數(shù)值模擬［1］，研究新建隧道爆破施工對既有隧道的影響。

總之，國內(nèi)外先后對因爆破振動影響既有隧道結(jié)構(gòu)安全性進行了諸多研究，雖然都取得了一定的成果［2，3］，但仍需要不斷地去摸索和尋求更多更好辦法來實現(xiàn)減振防災，將爆破振動影響降至最低。現(xiàn)結(jié)合遵義市官井隧道復線的修建，研究爆破振動對既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響。

1 工程概況

遵義市官井隧道復線1#隧道位于貴州省遵義市老城區(qū)西北部城郊，與原既有官井南隧道并行，兩隧道間凈距僅為 20～55 m，全長 371 m（其中 V 級圍巖占到 63.1 %，IV 級圍巖占 35.9 %），揭示圍巖主要以泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r和砂巖為主，圍巖整體較破碎且存在不同程度的風化。隧道進口段最大埋深為 7 m，出口段最大埋深為 3 m。全隧不良地質(zhì)主要有巖溶，隧道出口仰坡順層。

2 爆破振動監(jiān)測準備工作

2.1 監(jiān)測儀器的選擇

根據(jù) GB 6722-2003《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，交通隧道安全振速一般控制在 10 cm/s 以內(nèi)，才能確保既有隧道的結(jié)構(gòu)安全不受影響。因此，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性及精確性，現(xiàn)場采用成都科技測控有限公司研制的IDTS3850爆破振動記錄儀進行監(jiān)測（見圖1）。IDTS3850 爆破振動記錄儀體積小，便于攜帶，分辨率高。

圖1 爆破監(jiān)測儀器

2.2 監(jiān)測點位的選定

為全面監(jiān)測官井 1# 隧道爆破引起的既有隧道振動效應，考慮不同開挖方法，不同凈距的情況下，來對既有隧道的爆破振速進行數(shù)據(jù)分析和評估。現(xiàn)場以掘進掌子面為中心，在對應既有隧道沿線每隔 20 m 布設(shè) 1 個監(jiān)測斷面，每個斷面在靠既有隧道側(cè)沿拱腰部位向下每隔 1.2 m布設(shè) 1 個振動測點，共 4 個，具體如圖2、3 所示。

圖2 監(jiān)測斷面測點平面布置示意圖

圖3 監(jiān)測斷面測點斷面布置圖

3 爆破監(jiān)測方案

官井 1 # 隧道進、出口剛進洞內(nèi)時，在側(cè)壁導坑內(nèi)進行了 6 次爆破振動監(jiān)測試驗，監(jiān)測點以爆破點為中心，共得到 24 組數(shù)據(jù)，利用薩道夫斯基經(jīng)驗公式（見式 1），獲得該爆破區(qū)域爆破場地條件有關(guān)參數(shù)K、地質(zhì)條件有關(guān)參數(shù)α，經(jīng)爆破試驗測得K=129.753、α=1.722，因此為避免爆破對既有隧道造成過大影響及破壞，需對單次齊發(fā)爆破藥量進行控制，V級（按最小爆心距至測點間距 26 m 計算）圍巖單次齊發(fā)藥量為 7.5 kg，IV 級（按最小爆心距至測點間距 46 m 計算）圍巖單次齊發(fā)藥量為 41.1 kg。

式中：R為測點至爆源中心安全允許距離，m；Q為炸藥量（齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大段位的用藥量），kg；v為保護對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，10cm/s；K、α為與爆破點到計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

施工過程中現(xiàn)場通過采用CD法及三臺階兩種施工方法去實現(xiàn)創(chuàng)造多個臨空面，而斷面中的每個分部在爆破時又采用多段位、長時差的方式來實現(xiàn)控制質(zhì)點振動速度，控制一次爆破影響范圍和減少對周圍結(jié)構(gòu)物的影響和破壞。

3.1 V級圍巖側(cè)壁導坑法開挖爆破參數(shù)

循環(huán)進尺 0.65 m，上臺階開挖斷面寬 14.7 m、高 4.1 m，側(cè)壁導坑采用楔形掏槽，主洞采用復式楔形掏槽，掏槽眼深度為 1.42 m，布置在斷面中下部。周邊眼：周邊眼間距為 50 cm，深度 0.77 m，采用間隔裝藥，最小抵抗線：m=a/W，0.6～0.8。輔助眼：間距取 1.0 m～1.3 m，深度 0.77 m。底板眼：間距取 0.80 m，深度 0.77 m。具體如表1、2 及圖4所示。

表1 側(cè)壁導坑上臺階爆破參數(shù)

表2 主洞上臺階爆破參數(shù)

圖4 V 級圍巖炮孔布置圖（單位：cm）

3.2 IV級圍巖臺階法開挖爆破參數(shù)

循環(huán)進尺在 2.4 m內(nèi)，上臺階開挖斷面寬 14.5 m、高 3.9 m，采用復式楔形掏槽，掏槽眼深度為 3.07 m、3.15 m，布置在斷面中下部，以方便施工。周邊眼：間距為 45 cm、深度 2.80 m，采用間隔裝藥，最小抵抗線：m=a/W，0.6～0.8。輔助眼：間距取 1.0～1.3 m，深度 2.80 m。底板眼：間距取 0.80 m、深度 2.80 m。具體如表3及圖5所示。

表3 上臺階爆破參數(shù)

圖5 Ⅳ 級圍巖炮孔布置圖（單位：cm）

4 既有隧道爆破振動影響監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)收集

監(jiān)測中為了解爆破點由遠及近，以及同一個斷面不同部位的振速情況，針對某一巖性及開挖方法的圍巖采用不同的監(jiān)測方式進行監(jiān)測，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4～7 所示。

表4 V 級圍巖主洞（CD 法）監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

表5 IV 級圍巖主洞（三臺階法）監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

表6 同一個里程部位多個開挖爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

表7 以振動最大質(zhì)點為準圍巖開挖爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

4.2 爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1）炸藥用量一致同一斷面上多個測點對既有隧道的影響。

結(jié)合圖6（數(shù)據(jù)來源于表4、5）可以看出，不論是 CD 法還是三臺階法，暫時不考慮爆心距和單循環(huán)炸藥用量多少，僅從測點和振速來分析，新建隧道爆破時對既有隧道一般影響最大的點為測點 B 點和 C 點（主因是 B、C 點距爆源水平距離最小且位于隧道直墻部位），其次分別為測點 A 和 D。因此可以分析得出離爆心越接近的部位影響越大，振速也就越大，反之離爆心越遠影響越小，振速也就越小，可見在施工過程中只要能控制住拱腰部位（即 B 點和 C 點部位）的爆破振速，即可達到控制或降低其它部位的影響。

施工過程中根據(jù)現(xiàn)場情況也做了多余的爆破監(jiān)測試驗，試驗結(jié)果表明當爆心距為 135 m 以上且裝藥量控制在 50 kg 以內(nèi)時，爆破振速監(jiān)測結(jié)果為 0，即對既有隧道或附近建筑物無任何影響。

圖6 斷面質(zhì)點最大振速圖

2）爆心距一致同一測點炸藥用量多少對既有隧道的影響。

結(jié)合圖7（數(shù)據(jù)來源于表6）分析得出，當爆心距一致，無論單循環(huán)總藥量使用多少、變化多大，對質(zhì)點的振速無太大影響，而影響測點振速的因素是單次同時爆破的藥量多少，當單次同時爆破的藥量增加時，則質(zhì)點的振速也相應增加，反之則減弱，因此，在施工過程中，若要控制或降低爆破振動對既有隧道和附近建筑物的影響，只能從嚴格控制單次爆破藥量下手，可以通過以下三種方式來控制爆破振速：

①將一次爆破的所有炮孔分成多段順序起爆；

②加大相鄰的段位差，適當減小炮孔內(nèi)線裝藥密度，采用周邊預裂爆破技術(shù)阻隔爆破地震波向外傳播；

③若采用空孔直眼掏槽爆破方案，應增加空孔數(shù)量或增大空孔直徑。

本隧道在剛進洞時曾經(jīng)嘗試著通過將雷管段位拉大（采用 1、5、9、13 段）的方式進行過試驗，監(jiān)測的爆破振速均有明顯下降，但由于一些段位的雷管存在質(zhì)量問題，經(jīng)綜合考慮，為方便施工，仍然使用 1、3、5、7、9 段雷管，過程中嚴格控制循環(huán)單次爆破炸藥用量來實現(xiàn)既有隧道結(jié)構(gòu)安全，監(jiān)測結(jié)果依然在規(guī)范允許范圍以內(nèi)。

圖7 最大振速與裝藥量關(guān)系圖

3）同一測點上爆心距對既有隧道不同測點的影響。

針對施工過程隨著隧道的掘進，圍巖情況的陸續(xù)變好及兩隧道次間距的不斷增大，在嚴格控制每循環(huán)單次爆破炸藥用量的前題下通過對數(shù)據(jù)的拉通分析（圖8數(shù)據(jù)來源于表7），最終結(jié)論與 2）相同，總藥量的多少與爆心距的長短對質(zhì)點振動速度的變化影響較小。或者說是當隨著總裝藥量的增加，對既有隧道相應位置的測點影響理論上也有所上升，但影響極為小，可簡略不計；但對于爆心距增加時，則測點的振速隨著減少，增加至一定距離后則無數(shù)據(jù)測出。

4）不同圍巖級別爆破對既有隧道影響。

巖體地質(zhì)條件對爆破振動的影響，主要表現(xiàn)在振動波的傳播衰減指數(shù)上。根據(jù)以往隧道爆破開挖過程中的監(jiān)測結(jié)果以及查閱其它相鄰近距離隧道爆破的有關(guān)資料，不同地質(zhì)條件下，巖體越堅硬完整，振速越大，振波衰減越慢；而振波通過軟弱破碎巖體時，振波衰減較快。

圖8 爆破振速與爆心距、裝藥量關(guān)系圖

5 有效減振降災措施

為了保證新建隧道周圍既有結(jié)構(gòu)和人員安全，須將爆破振動危害控制到最小范圍之內(nèi)。因此爆破設(shè)計時常用的減振措施主要包括以下幾個方面。

1）選擇合理的開挖工法。復線隧道在洞口段一般凈距都最小，且洞口段圍巖條件也相對較差，為了保證新建隧道施工與既有隧道結(jié)構(gòu)的安全，除了采取超前支護、邊仰坡防護等措施外，還需要盡量減少開挖斷面面積。因此洞口段一般采用分步開挖法、超前大管棚施工，本工程進口端采用側(cè)壁導坑法施工，減小開挖斷積，降低裝藥量，也能減少對既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。

2）分段起爆及嚴格控制單段裝藥量。隧道爆破單段裝藥量同次爆破對振動有很大影響，因此對于分段位起爆或控制單段同次爆破裝藥量是有效降低爆破振速的基礎(chǔ)。大量實踐證明爆破振動速度主要與單段裝藥量、爆心距及介質(zhì)條件有關(guān)，在爆心距及介質(zhì)無法改變條件下，認為控制最為有效的方法就是分段起爆和最大段藥量的控制。一般將一次爆破藥量分為多段毫秒延期起爆，可以使得爆破振動峰值減小為僅受單段最大藥量控制，這樣一次爆破規(guī)模可以得到擴大但是不會產(chǎn)生超強振動。因此爆破中可采用增加雷管的段別，減少同段雷管起爆藥量來減小爆破振動。

3）選擇合理的掏槽形式。掏槽是隧道爆破成敗的關(guān)鍵，同樣也是產(chǎn)生最大爆破振動速度的主要影響因素。為了達到減震的目的，根據(jù)巖石的性質(zhì)，選擇合理的掏槽形式。如斜眼掏槽、中空直眼掏槽等。但一般情況下均選用楔形掏槽，可以充分利用楔形掏槽的易拋擲和多余的臨空面來最大限度減小振動。

4）選擇合適的爆破材料。通過以往經(jīng)驗，控制爆破法與普通爆破法相比可以起到保護圍巖、減小爆破振動的效果，質(zhì)點振速可大大減小。此外，采用低爆速炸藥、開挖面增打減震孔、采用控制爆破、非電毫秒不對稱起爆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等綜合減震措施，以減輕爆破振動。

5）根據(jù)本次研究并結(jié)合施工經(jīng)驗，控制爆破振動的方法有以下幾種：干擾降振法、控制單響最大段藥量降振法、預裂隔振帶降振法、不偶合裝藥結(jié)構(gòu)與低爆速炸藥降振法、增加臨空面（減小爆破夾制力）降振法等。

6 結(jié) 語

本次通過對新建隧道爆破振動速率及爆破振動影響范圍的數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析及總結(jié)，及時對每循環(huán)爆破炸藥用量的調(diào)整及控制，以達到減震防災的效果，為以后類似隧道爆破施工，提供可靠的經(jīng)驗保障。在以后的檢測中，如有必要，可對既有隧道受爆破振動的襯砌混凝土開裂情況以及由于爆破而導致的破壞范圍大小加以深入的研究，取得不同圍巖、不同藥量下將影響降至最低的極限距離。