數(shù)碼電子雷管在復雜環(huán)境下隧道爆破中的應用★

肖業(yè)輝 王海亮 王萬仁 張 偉 姜世斌 高 尚

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

1 概述

現(xiàn)階段，我國城市建設的步伐不斷加快，其中城市隧道工程和地下工程的建設工作越來越多。以地鐵隧道適用條件和開挖工具的不同為依據(jù)，通常將地鐵隧道開挖方法分為鉆爆法、TBM法、盾構法、明挖法、頂進法等[1]。但是，對于在硬巖條件下的城市地鐵隧道施工工程，其中較為合理適用、經(jīng)濟高效的開挖方法為鉆爆法[2，3]。雖然鉆爆法適用于硬巖條件下的地鐵隧道施工，但是鉆爆法會帶來一系列負面效應，威脅周邊居民和既有建筑物的安全。其中爆破地震波是影響范圍最廣、危害性最大的有害效應[4]。因此在地鐵隧道開挖的過程中，如何控制爆破振動效應，保障周邊居民和既有建筑物的安全顯得尤為重要。

現(xiàn)如今，由于導爆管雷管段數(shù)不足、精度較低、可靠性低等原因，已無法滿足大斷面隧道等復雜環(huán)境下的隧道爆破施工要求。然而在復雜的環(huán)境下，數(shù)碼電子雷管能夠很好地改善爆破效果，并根據(jù)現(xiàn)場爆破情況設置延期間隔時間，具有很高的安全性[5,6]。

2 工程概況及施工難點

2.1 工程概況

在建青島地鐵1號線貴州路站至西鎮(zhèn)站區(qū)間隧道總長546.9 m。由于地鐵運營需要，在西鎮(zhèn)站站前設置一段雙存車線，從而形成四線大斷面隧道。為創(chuàng)造減振自由面，降低振動有害效應，提出了TBM雙導洞先行隧道下穿復雜敏感建筑群的施工方法，即采用機械開挖(TBM)和鉆爆法開挖相結合的開挖方法。四線大斷面隧道全長344.5 m，最大開挖跨度為22.4 m，拱頂距地表的距離為16.9 m～28.7 m。四線大斷面圍巖等級為Ⅱ級～Ⅳ級，多為力學性質好的微風化花崗巖。貴西區(qū)間平面圖如圖1所示。

2.2 施工難點

隧道周邊環(huán)境復雜，隧道下穿密集建筑物群，包括下穿16棟房屋，50 m范圍內側穿51棟房屋，其中包括養(yǎng)老院和一個幼兒園，共計2 318戶。樓層約6層～8層，主要為多層磚混居住建筑。其中3處建筑安全性評級為Csu級，爆破振動安全允許標準V不超過0.5 cm/s，其余建筑為Bsu級，爆破振動安全允許標準V不超過1.0 cm/s。施工現(xiàn)場周圍還有學校、養(yǎng)老院以及各種地下管線等敏感設施和人群。四線大斷面隧道巖石堅硬、開挖斷面大、埋深淺、地表復雜建筑物多、居民多為敏感人群，因此如何減少爆破振動是本工程的重點和難點。

3 爆破施工方案

3.1 爆破參數(shù)

采用直徑32 mm的2號巖石乳化炸藥，長度200 mm，藥卷密度1.13 g/cm3，單卷質量0.2 kg。四線大斷面爆破開挖充分利用TBM掘進形成的先行導洞(直徑為6.3 m)，給爆破開挖創(chuàng)造很好的自由面，所以不設計掏槽眼。右線上臺階爆破參數(shù)如表1所示。裝藥量為40 kg，一次性起爆100個孔，其中輔助孔孔數(shù)為70個。輔助孔和周邊孔均為單孔單響，單段最大起爆藥量為0.4 kg。

表1 右線上臺階爆破參數(shù)

3.2 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。孔底先裝水袋，后裝炸藥，再裝水袋和炮泥，用炮棍搗實。裝藥結構如圖2,圖3所示。

3.3 起爆網(wǎng)路

選用山西壺化工業(yè)數(shù)碼電子雷管，延期誤差小于0.2%，根據(jù)現(xiàn)場實際工況設置延期間隔時間，在線檢測與驗證，實現(xiàn)雙向通訊，確保無故障可靠起爆，具有很高的安全性。起爆網(wǎng)路見圖4。四線大斷面隧道右線上臺階開挖面積50.79 m2，循環(huán)進尺1.0 m。比鉆孔數(shù)1.97個/m2，炸藥單耗0.79 kg/m3。相鄰兩個雷管孔內延期50 ms，總延期時長5 000 ms。數(shù)碼電子雷管的使用，實現(xiàn)了單孔單響、一次起爆，解決了導爆管雷管段數(shù)有限、誤差較大等問題。

3.4 安全檢驗

與爆破工作面直線距離最近的Csu級建筑，受到的爆破振動影響最大，距離約 26.50 m。根據(jù)GB 6722—2014爆破安全規(guī)程中對隧道爆破振動安全標準的要求[7]，需要控制振速V≤0.5 cm/s。薩道夫斯基公式見式(1)，對爆破振動速度進行驗算。

(1)

其中，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分別為與地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)。爆區(qū)不同巖性的K，α值見表2。

表2 爆區(qū)不同巖性的K,α值

由于爆破地點地質為Ⅱ級圍巖，多為微風化花崗巖，為中硬巖石。所以本工程K取為250，α取1.8，并代入式(1)中。經(jīng)計算得，V=0.40 cm/s<0.50 cm/s。符合爆破安全要求。

4 爆破振動監(jiān)測及結果分析

為驗證爆破開挖方案的合理性，采用1臺成都中科測控TC—4850爆破振動測試儀，連續(xù)進行16次振動監(jiān)測，監(jiān)測得到的振動數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，監(jiān)測到的16組振動數(shù)據(jù)均不超過0.5 cm/s，符合隧道爆破振動安全標準。通過分析實測振動速度與理論計算值，兩者數(shù)值相差較小。因此，數(shù)碼電子雷管爆破開挖方案是合理的，能夠有效控制爆破振動，保障既有建筑物和周邊居民的安全。右線上臺階爆破后施工現(xiàn)場如圖5所示。光面爆破效果良好，超欠挖較少，并且塊度均勻。所以該方案可以滿足現(xiàn)場施工要求，確保大斷面隧道安全下穿復雜敏感建筑群，并且可以取得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

表3 爆破振動數(shù)據(jù)

通過處理表3數(shù)據(jù)回歸K,α值，并采用MATLAB對薩道夫斯基公式進行擬合。薩道夫斯基公式見式(1)。

設定K=150～250，α=1.5～1.8。爆區(qū)不同巖性的K,α值見表2。擬合后得到K值為245.47，α值為1.77。從而得到青島花崗巖地質條件下的爆破振動預測公式為：

(2)

5 結論

1)根據(jù)四線大斷面隧道周圍環(huán)境和地質條件，為創(chuàng)造減振自由面，降低爆破振動有害效應，提出了TBM雙導洞先行隧道下穿復雜敏感建筑群的施工方法。采用TBM開挖和鉆爆法開挖相結合的開挖方法。并且采用左、右線臺階法交錯開挖，最后有效地降低了爆破振動。

2)高精度數(shù)碼電子雷管的使用，解決了導爆管雷管段數(shù)有限、誤差過大的問題。數(shù)碼電子雷管單段單響并且可以精確延期時長達5 000 ms以上，爆破效果良好。

3)通過MATLAB擬合出爆破地震波衰減系數(shù)K和α值，并得到適合青島花崗巖地質條件下的爆破振動預測公式。爆破振動預測公式可以有效地預測爆破振動速度，從而指導地鐵隧道的爆破施工。

4)通過振動實測與理論計算對比分析，兩者數(shù)值均在安全允許振速范圍之內。因此，驗證了數(shù)碼電子雷管爆破開挖方案的可行性和合理性，并且能夠有效降低爆破振動，保障既有建筑物和周邊居民的安全。