TBM導洞先行大斷面地鐵隧道爆破方案優(yōu)化研究

王萬仁， 王海亮， 肖業(yè)輝， 張 偉

(1.中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100043；2.山東科技大學安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590)

在地鐵隧道施工中，以鉆爆法、TBM法、盾構法為代表的許多隧道掘進方法已得到廣泛應用。為了充分發(fā)揮TBM法和鉆爆法的優(yōu)勢，許多專家學者對“TBM法導洞+擴挖”法(即采用TBM法開挖導洞，然后采用鉆爆法擴挖的方法)進行了深入的研究。國外對TBM導洞擴挖法已有成功案例并取得了一些經驗[1]；國內雖有研究和設想，但缺乏現場應用和實際工程案例。由于城市環(huán)境的特殊性以及地質條件的復雜性，地鐵隧道爆破施工開挖難度增大，爆破地震波對周邊建筑設施的破壞作用也不容忽視，因此，如何降低爆破振動效應對地鐵隧道開挖工程順利實施的影響顯得尤為重要[2]。但是，如果采取過于保守的爆破方案，雖然能夠降低振動效應，保障周邊建筑設施的安全，卻不能滿足施工進度和施工效益的要求。因此，對復雜環(huán)境下的爆破施工方案進行研究，尋求經濟、合理又安全的爆破振動控制方法具有重要的理論價值和實踐意義[3]。

1 工程概況及施工問題

1.1 工程概況

青島地鐵1號線貴州路站至西鎮(zhèn)站區(qū)間隧道全長546.9 m。線路出貴州路站后沿臺西五路向北敷設，下穿大量建筑物后在費縣路與鄆城北路交叉口處接入西鎮(zhèn)站。根據運營需要西鎮(zhèn)站站前設置雙存車線，形成四線大斷面隧道。四線大斷面隧道采用TBM掘進后進行鉆爆法擴挖施工，隧道長344.5 m，最大開挖跨度22.4 m。四線大斷面隧道拱頂埋深16.9～28.7 m，地質為微風化花崗巖，力學性質好，圍巖等級為Ⅱ～Ⅳ級。

四線大斷面隧道周邊環(huán)境復雜，隧道下穿和側穿大量老式居民樓，其中下穿47棟，共計1 859戶。樓房多為6～8層，主要為磚混結構。其中，有3棟Csu級建筑，爆破安全允許振速V不超過0.5 cm/s。其余建筑安全性評級為Bsu級，爆破安全允許振速V不超過1.0 cm/s。施工現場周圍受到爆破影響的還有學校、養(yǎng)老院以及各種地下管線。

1.2 施工問題

由于四線大斷面隧道周邊環(huán)境復雜、工程工期緊張，在對四線大斷面右線上臺階的爆破施工過程中出現許多亟待解決的問題。

1.2.1 盲炮率高

對16次爆破的情況進行統計分析，其中有13次爆破出現盲炮，盲炮發(fā)生概率為81%。盲炮處理時間為20～30 min，這嚴重影響了工程施工進度，增加了施工成本。在爆破施工過程中盲炮是十分常見的,是影響爆破安全與爆破效果的主要因素之一。若不能及時處理盲炮或在處理過程中方法不當，很可能造成人員傷亡和財產損失[4]，因此在爆破施工過程中對盲炮事故的預防尤為重要。

1.2.2 爆破振動速度過大

在爆心距最小的測點附近布置1臺TC-4850爆破振動測試儀，對爆破施工進行16次振動監(jiān)測，監(jiān)測得到的振動數據見表1。由表1分析可知，其中7組振動數據超過1.0 cm/s，超過爆破安全允許振速。但是爆破中采用的單段最大藥量過小，可能會影響掘進進尺和爆破效果。因此，需要確定一個合適的單段最大藥量，并且提出爆破優(yōu)化方案以滿足施工進度和施工效益的要求。

表1 爆破振動數據

2 爆破優(yōu)化方案

針對現場爆破施工出現的盲炮率高、振速過大等問題，提出右線上臺階爆破施工的優(yōu)化方案，確定爆破參數、裝藥結構和連接網路。

2.1 右線上臺階爆破參數

確定炮孔直徑為42 mm，炮孔深度為1.5 m，采用直徑32 mm的2#巖石乳化炸藥，孔內采用7～19段共12個段別的毫秒延期導爆管雷管進行起爆。爆破參數見表2。TBM掘進的先行導洞給爆破開挖創(chuàng)造很好的臨空面，因此不設計掏槽眼。由圖1所知，輔助眼單孔單響，單段最大藥量0.45 kg；周邊眼兩孔一響，單段最大藥量0.60 kg。

表2 四線大斷面隧道右線上臺階爆破參數

圖1 輔助眼和周邊眼裝藥結構(單位：mm)

2.2 裝藥結構

裝藥結構采用不耦合、反向連續(xù)裝藥，在炮孔內使用長度200 mm的水袋。先在炮孔底部裝水袋，再裝炸藥和雷管，最后依次用水袋和黏土炮泥進行填塞。水炮泥的使用可以降低爆破時的粉塵濃度，提高炸藥爆炸能量利用率，增強爆破效果[5]。裝藥結構如圖1所示。

2.3 起爆網路

起爆網路如圖2所示。由靠近自由面一側，輔助眼依次使用7～17段雷管，周邊眼使用19段雷管；孔外采用7段雙雷管進行傳爆，提高可靠性。傳爆順序為自左下至右上。

圖2 右線上臺階起爆網路

3 爆破振動監(jiān)測及結果分析

3.1 測試方法及測點布置

本次爆破振動監(jiān)測試驗采用6臺成都中科測控TC-4850爆破振動測試儀。根據爆破工程周圍環(huán)境，在磁山路和臺西五路交叉口公交站牌附近布置3個測點，每個測點2臺儀器，傳感器位置固定不變。現場儀器的布置如圖3所示。

圖3 爆破振動監(jiān)測儀器布置

3.2 測試結果及分析

設測點到爆破中心的距離

(1)

式中:x為測點沿垂直隧道軸向方向到工作面的距離(m)；y為測點沿隧道軸向方向到工作面的距離(m)；z為測點距爆破中心的垂直距離(m)。爆破中心與測點的位置見表3。由于測點在隧道軸向方向的上方位置，測點沿垂直隧道軸向方向到工作面的距離x為0。

表3 爆破中心與測點的位置m

為驗證爆破開挖方案的合理性與可行性，使用6臺測振儀進行6次爆破振動監(jiān)測，共得到36組爆破振動監(jiān)測數據。地面各測點的峰值振速V和爆心距R見表4。

表4 地面測點的爆心距R及振速V的實測數據

為提高爆破振動預測的準確性，利用采集的36組爆破振動數據，采用MATLAB擬合薩道夫斯基公式：

(2)

式中：R為爆心距(m)；V為測點振動速度(cm/s)；Q為最大單段藥量(kg)；K、α為與地形、地質條件有關的系數和衰減指數。爆區(qū)不同巖性的K、α值見表5。

表5 爆區(qū)不同巖性的K、α值

由于爆破地點地質為微風化花崗巖，巖性為堅硬巖石，故擬合時設定K=50～150，α=1.3 ～1.5。最后，得到爆破地震波衰減系數K=138.2，α=1.5，從而得到適合四線大斷面爆破條件下的的薩道夫斯基預測公式：

(3)

由式(3)可知，在地質條件相同的情況下，當爆心距一定時，振動速度的大小主要取決于最大單段起爆藥量。由于爆破周邊建筑安全性評級均為Bsu級，根據《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)的隧道爆破振動安全標準要求，周邊磚混結構樓房的安全振速不超過1.0 cm/s。測點與爆破中心的直線距離R最小值為27.63 m，最大單段起爆藥量Q為0.6 kg。將R、Q值代入式(3)，得到振動速度為0.74 cm/s，符合安全規(guī)程允許的安全振速。不同振動速度峰值下的最大單段允許藥量與爆心距的關系如圖4所示。

圖4 最大單段允許藥量與爆心距的關系

為保障周邊建筑設施的安全，在爆破施工之前，將被保護對象的爆心距代入式(3)進行驗算，得到的最大單段起爆藥量Q均滿足工程要求。為了驗證爆破開挖方案的可靠性，對爆破振動進行實時監(jiān)測，最后得到實測振動速度峰值與理論計算值均較小，且兩者誤差均在工程要求允許范圍之內。因此，本次爆破開挖方案是合理的，能夠有效控制爆破地震波對周邊建筑設施的影響，滿足施工進度和施工效益的要求。四線大斷面隧道右線上臺階爆破效果如圖5所示。

圖5 四線大斷面右線施工現場

通過爆破振動跟蹤監(jiān)測，36組爆破振動速度都低于安全允許振動速度，盲炮率為0，光面爆破效果良好，超欠挖較少，大塊率較低。在該技術指導下，爆破施工效果良好，有效的確保了隧道開挖順利通過敏感區(qū)域。因此，本次爆破開挖方案是合理的，能夠有效控制爆破地震波對周邊建筑設施的影響，滿足施工進度和施工效益的要求。

4 隧道爆破振動控制技術

(1)增加爆破自由面。四線大斷面隧道充分利用TBM掘進的先行隧道作為爆破開挖的自由面，左右導洞臺階法交錯開挖，降低爆破振動。

(2)選擇合理的微差爆破間隔時間。在安全允許的最大單段起爆藥量的范圍內，適當增加同時起爆的輔助孔炮孔數目，減少毫秒延期雷管段別的使用，選擇合理的延期時間，避免爆破過程中地震波的疊加效應。

(3)爆破振動速度現場監(jiān)測與爆破參數優(yōu)化。對隧道周圍地面建(構)筑物的爆破振動速度峰值進行實時監(jiān)測，根據實時監(jiān)測結果研究爆破地震波傳播衰減規(guī)律，及時調整爆破參數和爆破開挖方案，保證隧道周邊建筑物的安全。

5 結論

(1)根據現場周圍環(huán)境和地質條件，利用TBM先行導洞作為爆破開挖的自由面。采用分段裝藥、孔外延期并控制單段最大起爆藥量，左右導洞臺階法交錯開挖，可以有效降低爆破振動。

(2)通過回歸分析，擬合出適合施工現場的爆破地震波衰減系數K和α值，得到爆破地震波傳播衰減公式，可以有效預測爆破振動速度，指導隧道爆破施工。

(3)現場實測振動速度峰值與理論計算值均在工程安全允許振速范圍內，能較好地指導施工，同時也驗證了爆破開挖方案及爆破參數的可行性和合理性，能夠有效控制爆破振動有害效應，保證周邊建筑設施的安全。