地下洞室群微振爆破技術及振動控制標準研究

劉建友，田四明，呂 剛，劉 方

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.中國國家鐵路集團有限公司,北京 100844)

引言

隨著隧道工程的不斷發展，目前鉆爆法以其施工方式靈活、效率高及成本低等優點被廣泛應用于隧道開挖[1]。但隧道在爆破開挖過程中會引起鄰近邊坡失穩、結構物開裂、設施設備破損及人員傷害等不利爆破振動效應，因此必須對這種不利效應進行控制。為了減小隧道爆破振動對周邊環境的影響，國內外學者在爆破機制和振動效應兩方面已有豐碩的研究成果。對爆破機制研究有：Gosh.A等[2]對Leocnt及 Morris提出的經驗公式進行了修正。目前，我國《爆破安全規程》[3]也采用應用廣泛的薩道夫斯基經驗公式來計算爆破振動安全允許距離。Mancini.R[4]提出通過提高鉆孔精度可以提高爆破輪廓線精度，減少對圍巖的破壞，以達到節約爆破成本和支護成本，加快施工進度的目的。而由爆破振動應力波引起的爆破振動導致的各種振動現象及破壞稱為爆破振動效應[5]，對于爆破振動效應的研究，Song.Ki-II[6]采用數值模擬法分析了預裂爆破方法，指出其可有效降低爆破產生的振動，并減少對圍巖的損傷和爆破超挖，同時指出減少對圍巖的損傷和爆破超挖是降低開控成本的重要措施。G.A[7]主要研究采礦場和礦山爆破振動對周圍建筑物及構筑物的影響，針對破壞現象進行了統計分析和經驗總結。隨著美國、前蘇聯、日本等國地下核試驗和核防護工程的大量修建，工業爆破工程得到了前所未有的快速發展，以Thoenen、WIndes、Crandell、Duvall、Fogelson、Edwards、Northwood、Devine、Atwell、Langefors.U和薩道夫斯基等[8-10]為代表的各國研究人員，對工程爆破的地震效應問題進行了研究和分析；其中包括爆破地震波的衰減規律、爆破振動強度的影響因素、爆破振動的破壞準則學等，并對不同的建筑物制定了一系列區域性的破壞標準，王樹強[11]、Song.Ki-II[6]、Kim.J.G等[12]結合隧道爆破工程實際，利用數值模擬等方法分析了在隧道輪廓鉆設減振孔或水射流切割減振帶對爆破地震波傳播途徑的阻隔機理，并根據現場振動測試驗證了此類方法是降低隧道開挖爆破時振動強度的一種有效途徑。在干擾爆破降振技術理論基礎上，田振農等[13]發展提出了利用精確延時起爆確保爆炸波到達被保護點時錯開約1/2周期的錯相減振爆破理論，并將其應用于城市隧道開挖爆破中達到了預期的降振效果。

余紅燏[14]和朱家穩等[15]對城市淺埋隧道的控制爆破進行了研究，吳圣智[16]對順層軟巖隧道的微振爆破開展了研究，王剛等研究了微振爆破在隧道換拱中的應用[17-18]。

技術人員對微振爆破開展了大量的研究工作，也取得了豐富的研究成果，但在爆破振動控制機理及控制標準方面，尤其是振動控制標準與材料強度之間的關系，仍然存在認識不清的問題。

1 爆破振動的分級

根據目前各種爆破技術的特點和降振水平，降振技術劃分為常規爆破、弱振爆破、微振爆破和靜態爆破4個層次。

(1)常規爆破

常規爆破是指以追求爆破效率為目標，以最小成本達到最大爆破效果的常規爆破技術。常規爆破一般應用于周邊無建(構)筑物的場地，周邊環境對爆破振動無要求，因此常規爆破的設計僅需考慮爆破的成本和效果兩個參量。

(2)弱振爆破

弱振爆破是以保護圍巖或保護周邊一般建(構)筑物為目標，通過采用低威力低爆速的炸藥、適當減小裝藥量、選擇合理的裝藥結構、減小爆破進尺、采用掌子面分部爆破、預裂爆破等手段，從而減小爆破振動的一種爆破技術。弱振爆破技術一般應用于周邊存在普通建(構)筑物的場地，弱振爆破的設計需要考慮振動對圍巖及周邊環境的影響。

(3)微振爆破

微振爆破是以保護周邊敏感建(構)筑物為目標，采用電子雷管等精準起爆材料，將爆破過程在時間上分開，使各個炮孔逐個起爆，從而大幅降低爆破振速的一種降振技術。微振爆破技術一般應用于周邊存在敏感建(構)筑物的場地，且弱振爆破技術無法滿足爆破振動的控制要求[19-20]。

實現微振爆破目前有兩種方法，分別是跨主振周期法和干擾降振法。單個藥包爆破后一般產生一個主振和兩個次振，第一次振幅值為主振幅值的1/3，第二次振幅值為主振幅值的1/10。跨主振周期法是指前后炮孔起爆時間間隔大于前炮孔爆破振動的主振周期，使前后炮孔爆破的主振振動相互隔開而不發生疊加。干擾降振法是指前后炮孔起爆時間間隔控制在主振周期的一半，使前后炮孔產生的爆破振動在同一目標點波峰和波谷相互抵消，從而大幅度降低振動速度。干擾降振法的降振效果更好，但其技術難度更高，當間隔時間控制不當反而會出現波峰與波峰相互疊加，從而增大振動速度的情況，因此在復雜場地復雜傳播路徑下，干擾降振法技術難度非常大。跨主振周期法技術難度相對較小，也相對可靠成熟。

(4)靜態爆破

靜態爆破一般分為試劑靜態爆破和機械靜態爆破兩種爆破方法。試劑靜態爆破是把一些硅酸鹽和氧化鈣等固體膨脹劑加水攪拌后，放入鉆孔中發生水化反應，固體硬化，溫度升高，體積膨脹，把巖石漲破。機械靜態爆破是采用液壓機械方式使巖石開裂，利用液壓驅動分裂棒內的油缸產生巨大推動力，脹裂巖石。

2 爆破振動的控制標準

爆破振動控制標準是開展控制爆破，評價爆破對保護對象影響的基礎。爆破振動的控制標準是保護對象本身的屬性，與爆破施工無關，主要受保護對象的類型、結構特點、穩定性現狀、使用要求等因素的影響。

控制爆破的首要目標是防止結構變形開裂，因此可以根據彈性力學波動理論，計算保護對象應力和應變與彈性波振動速度之間的關系，如下式所示

(1)

(2)

(3)

c1——彈性波的傳播速度，m/s；

ρ——質點的密度，kg/m3。

上式表明，建筑物受到的拉壓應力主要受質點的振動速度、彈性模量、泊松比和密度的影響，其中近接工程的彈性模量、泊松比和密度是常量，因此，可以采用振動速度作為評價爆破振動對建筑物影響的控制指標。

根據混凝土的抗拉和抗壓強度，采用式(1)和式(2)可以反算出爆破振動速度的極限值，并采用下式確定建筑物振動速度的控制標準

(4)

式中 [V]——爆破振動速度的控制標準，cm/s；

Vmax——爆破振動速度的極限值，cm/s；

K——爆破振動安全系數，根據建筑物的重要程度取值1.4～2.0，如表1所示；

γs——建筑物服役狀態折減系數，可根據建筑物的服役年限和現狀評估取0～1.0，如表2所示。

表1 爆破振動的安全系數K建議值

以混凝土結構為例，假設結構物采用了C35混凝土，且不允許出現裂縫，取C35混凝土的抗拉強度設計值為1.57 MPa，根據公式(1)計算得到C35混凝土爆破振動速度的極限值為16.3 cm/s，對于重要建筑物安全系數取2.0，如表1所示，對于新建工程且服役狀態良好，服役狀態折減系數取1.0，如表2所示，C35混凝土爆破振動速度的控制標準為8.2 cm/s，如表3所示。

表2 建筑物服役狀態折減系數γs建議值

表3 建筑物爆破振動速度極限值及控制標準建議值cm/s

注：表中振動速度控制標準的安全系數取2.0，折減系數取1.0。

表3中的振動速度極限值Vtmax和Vcmax是分別根據混凝土抗拉強度和抗壓強度計算得到，分別為了確保混凝土在爆破振動作用下不出現受拉破壞和受壓破壞。對于隧道結構來說，其初支噴射混凝土和二襯模筑混凝土主要以受壓為主，因此可以允許混凝土出現裂縫并實現帶縫工作，但應對裂縫寬度進行控制，因此隧道噴射混凝土和模筑混凝土的振動速度極限值Vsmax應介于Vtmax和Vtmax之間，建議按下式計算

Vsmax=Vtmax+γc(Vcmax-Vtmax)

(5)

式中Vtmax——受拉強度控制的振動速度極限值，cm/s；

Vcmax——受壓強度控制的振動速度極限值，cm/s；

Vsmax——隧道支護結構的振動速度極限值，cm/s；

γc——裂縫寬度修正系數。

裂縫寬度修正系數主要取決于隧道的類型和混凝土的類型，建議按表4取值。以交通隧道為例，按上述公式和取值可計算得到隧道噴射混凝土和模筑混凝土的振動速度極限值和控制標準建議值，如表5所示，C30噴射混凝土振動速度可按22～28 cm/s進行控制，C35模筑混凝土振動速度可按8～16 cm/s進行控制。

表4 裂縫寬度修正系數γc建議值

表5 交通隧道工程振動速度極限值及控制標準建議值

注：振動速度控制標準的安全系數取2.0，折減系數取1.0。

3 微振爆破設計方法

微振爆破的關鍵在于控制各個炮孔的起爆時間，這主要依賴于精準的起爆材料，包括導爆管雷管和電子雷管。

3.1 跨主振周期法

跨主振周期法前、后相鄰炮孔的起爆時間間隔相對較長，使后起爆的地震波避開了前起爆的地震波主振周期，從而減少地震波的疊加。跨主振周期法的起爆時間間隔可根據現場振動監測確定，根據工程經驗，典型單孔爆破主振波持續時間約為60 ms，因此，跨主振周期法的起爆間隔時間一般大于60 ms。

跨主振周期法有兩種實施方法，一種為電子雷管單孔連續起爆網路；另一種為電子雷管和高段位導爆管雷管聯合起爆網路，即隧道掏槽眼及擴槽眼采用電子雷管單孔連續起爆，掘進眼、內圈眼、底板眼和周邊眼利用高段位導爆管雷管起爆，利用高段位導爆管雷管的起爆誤差實現單孔起爆。

導爆管雷管的段位數量有限，不能滿足每個炮孔都使用不同段位逐個起爆的要求，電子雷管可以設置電子雷管的起爆時間，實現單孔逐個起爆。但是電子雷管價格昂貴，在大斷面隧道中，炮孔較多，若全部使用電子雷管單孔逐個起爆，每循環需要電子雷管數量較多，增加了爆破成本，因此采用電子雷管和高段位導爆管雷管聯合起爆是經濟成本較小的微振爆破方式。

其中爆破振動速度控制標準根據表5取得，單孔裝藥量根據被保護對象爆破振動速度的控制標準，采用薩道夫斯基公式確定:

Q=([V]/K)3/a·R3

(6)

式中Q——炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；

[V]——爆破振動速度的控制標準，cm/s；

R——爆破振源與被保護對象之間的距離，m；

K，α——爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

3.2 干擾降振法

干擾降振的關鍵是確定合理的間隔時間，使前后起爆的地震波出現波峰和波谷疊加的相互干擾。可以將爆破地震波簡化為正弦波，在同一介質中傳播時，周期相同，為達到波峰波谷相互疊加，間隔時間應滿足下式要求

T/3<Δt<2T/3

(7)

式中T——爆破振動的主振周期，ms；

Δt——前后炮孔起爆的時間間隔，ms。

理論上，當時間間隔剛好為主振周期的一半時，波峰和波谷完全抵消，降振效果最好。爆破設計時還應考慮相鄰炮孔至降振點的距離差對時間間隔的影響，按下式修正

(8)

式中 ΔS——相鄰炮孔至降振點的距離差，m；

Vp——地震波的傳播速度，km/s。

根據工程經驗，典型單孔爆破主振波持續時間約為60 ms，最大波峰和最大波谷之間的主振半周期約為17 ms，因此炮孔延時間隔10～20 ms時可以達到較好的爆破減振效果。

4 工程應用

京張高鐵新八達嶺隧道位于八達嶺長城風景名勝區，全長12.01 km，最高設計速度為250 km/h，為單洞雙線隧道。該隧道并行水關長城，兩次下穿八達嶺長城，淺埋下穿老京張鐵路青龍橋車站，洞頂覆土僅5.3 m。八達嶺隧道內設置了八達嶺長城站，距離隧道出口約3 km。車站總長470 m，地下建筑面積36 143 m2。八達嶺長城站層次多、洞室數量大、洞型復雜，洞室間距小，其中站臺層三洞分離段隧道水平間距為2.24～6 m，站臺層與進出站通道層豎向間距為4.55 m，如圖1所示。

圖1 八達嶺長城站透視

4.1 微振爆破參數及標準選取

八達嶺隧道車站施工爆破對周邊環境的影響主要表現在兩個方面，一是對長城和老京張鐵路鄰近構筑物的影響，一是施工過程中與地下車站相鄰洞室的相互影響。其中，八達嶺長城站群洞施工爆破對鄰近洞室圍巖和支護結構的影響最大，已施工完成的支護結構分別為C30噴射混凝土和C35模筑混凝土。修正的振動速度控制標準應分別取25 cm/s和12 cm/s。根據車站圍巖的力學測試，完整花崗巖巖塊抗壓強度約60 MPa，抗拉強度約6 MPa，巖體完整性系數約0.2，巖體的抗壓強度約12 MPa，抗拉強度約1.2 MPa。抗壓強度和抗拉強度控制的完整巖塊的振動速度極限值分別為668 cm/s和67 cm/s，考慮裂隙切割影響后的巖體的振動速度極限值分別為135 cm/s和14 cm/s，安全系數K取2，裂縫寬度修正系數γc取0.5，則圍巖爆破振動速度控制標準為37 cm/s。

4.2 微振爆破開挖

車站站臺層三洞分離段先施工左、右到發線再開挖中洞正線，左、右到發線超前正線50～80 m，左、右洞錯開距離>20 m，三個洞室共計分成10步進行爆破，如圖2所示。其中左、右到發線為兩臺階開挖法采用跨主振周期減振法的非電毫秒雷管起爆，根據公式(6)計算的單孔最大裝藥量1.68 kg；中洞正線采用中導洞超前開挖法，采用干擾降振法的電子雷管起爆，分六部爆破開挖，根據公式(8)計算電子雷管延遲時間間隔10 ms，中洞正線隧道炮孔布置及延遲時間如圖3所示，單孔最大裝藥量1.905 kg。

圖2 八達嶺長城站站臺層爆破施工順序(單位：cm)

圖3 中洞正線隧道炮孔布置及延遲時間(單位：ms)

4.3 微振爆破監測結果

開挖爆破過程中，對現場振動進行實時監測發現，爆破引起的中巖墻圍巖、初支和二襯的振動速度分別為32.5，17.7 cm/s和8.9 cm/s，而根據修正的爆破振動速度控制標準，圍巖、支護結構C30噴射混凝土和C35模筑混凝土分別為37，25 cm/s和12 cm/s。結果滿足振動速度的控制要求，有效減少了京張高鐵新八達嶺隧道及車站掘進爆破過程中對鄰近建筑物的干擾。

5 結論

(1)根據爆破引起的振速大小，可以將爆破劃分為常規爆破、弱振爆破、微振爆破和靜態爆破四個等級。

(2)微振爆破根據其降振機理可分為跨主振周期法和干擾降振法兩種，干擾降振法的降振效果更好，但其技術難度更高，跨主振周期法技術難度相對較小，也相對可靠成熟。

(3)建筑物振動速度的控制標準可根據材料抗拉強度和抗壓強度確定其極限振動速度，根據建筑物的重要性和服役狀態選取安全系數和折減系數，根據建筑物運營對裂縫寬度的要求確定裂縫寬度修正系數，從而得到建筑物振動速度控制標準。爆破振動的安全系數根據建筑物的重要性等級可取值1.4～2.0，建筑物服役狀態根據建筑物的服役年限和現狀損傷情況取值0～1.0，裂縫寬度修正系數根據裂縫控制要求取值0～1.0。

(4)京張高鐵八達嶺長城站地下洞室群爆破施工相關干擾大，為減小爆破對圍巖及已有支護結構的影響，左、右到發線采用了微振爆破跨主振周期法，中洞采用了干擾降振法，圍巖、噴射混凝土和模筑混凝土爆破振動速度控制標準分別為37，25 cm/s和12 cm/s。現場監測表明，爆破引起的中巖墻圍巖、初支和二襯的振動速度分別為32.5，17.7，8.9 cm/s，滿足振速控制要求，效果良好。