小凈距隧道全斷面擴挖爆破振動影響分析

崔文鎮

（中鐵二十局集團第六工程有限公司 陜西西安 710032）

1 引言

伴隨我國經濟迅猛發展，現有鐵路運輸能力已不能滿足日益增長的需求。出于最優選線、經濟、環保考慮，在原有路網基礎上通過鄰近既有線增建工程或對既有線采取擴能改造成為首選方案。改擴建工程既要考慮拆除原結構支護措施，又要考慮改擴建時爆破作業對圍巖及鄰近隧道結構的再次擾動。田世雄等［1］采用動態信號測試分析系統研究了應變與振動速度之間的關系；李秀地等［2］采用強度折減法研究了地震波對沉管隧道結構產生的影響；宗琦［3］等采用HHT分析法研究了爆破振動波的能量分布；劉冬等［4］采用完全重啟動數值方法獲得了質點振動速度和衰減關系；張新波［5］通過實際工程案例進行數值模擬計算，對薩道夫斯基公式在小間距隧道振速應用進行修正；黃倫海等［6］采用相似模擬和數值計算相結合的方法總結了擴建隧道施工的圍巖變形、應力變化規律；吳忠仕［7］通過現場測試與三維數值模擬的手段對既有襯砌在爆破荷載作用下的振速峰值和應力進行分析；李軍等［8］采用ANSYS/LS-DYNA非線性動力分析軟件研究近距離隧道施工，提出了合理的爆破參數；韓高升［9］依據現場地質條件優化爆破方案，通過監控振動閾值保證了結構安全。目前主要是通過分部爆破作業或對既有隧道先進行預加固再擴挖等措施實現減小爆破振速、保證圍巖穩定和結構安全，但對施工效率和運營產生一定的影響。本文對爆破振動引起既有隧道的動力響應進行分析，利用既有鐵路運營間隙時間，充分發揮精確延時錯峰減振技術，實現了小凈距既有隧道Ⅲ級圍巖全斷面法擴挖，安全高效地完成施工任務，對今后類似隧道擴挖提供一定借鑒和參考。

2 工程概況與難點分析

2.1 工程背景

新郁山隧道是涪秀二線鐵路工程鋪架線路控制性工程，全長7 248 m，與既有郁山隧道并行，線間距40～50 m。進口端在兩隧道之間設置既有平導，與新建隧道線間距30 m，與既有隧道線間距12～20 m，全長1 860 m，位置關系見圖1。既有平導為有軌運輸小道斷面，凈空尺寸為3.0 m（寬）×3.26 m（高）。增建二線后，為滿足排水及防災救援通道功能，需將既有平導擴挖，凈空尺寸增加至5 m×6 m。其中平導Ⅲ級圍巖占82%，Ⅳ級圍巖占1%，Ⅴ級圍巖占17%。既有平導擴挖先行施工，隨后開展新郁山隧道開挖施工。

圖1 新建隧道及擴挖平導與既有隧道位置關系

2.2 工程難點分析

（1）小間距并行擴挖爆破作業環境復雜

平導擴挖后與既有隧道最小凈間距僅5.69 m，如采用非爆開挖，受巖質堅硬、作業空間小等因素限制，功效非常低，無法滿足鋪架工期要求。平導擴挖采用鉆爆法作業，將不可避免地對既有隧道的圍巖穩定及結構安全造成極大影響，同時新郁山隧道后續開挖時對平導、既有線隧道再次產生擾動。為防止爆破振動多次疊加誘發安全隱患，降低爆破作業對圍巖、結構及既有線運營產生的不良影響，對擴挖平導占比最多的Ⅲ級圍巖段落采用全斷面法一次爆破到位，給爆破參數設計和爆破振動速度控制提出了嚴格要求。

（2）地質構造復雜

（3）工程主體病害復雜

既有郁山隧道于2013年12月28日運營通車，平導洞身通過地段大部分為水平巖層，且溶洞較多；設計82%段落為錨網噴結構，個別地段已出現垮塌現象；部分襯砌段落邊墻砼多處開裂，局部外鼓嚴重。運營郁山隧道正洞襯砌總體情況良好，不同程度有不規則裂紋、襯砌接頭處有混凝土剝離脫落現象以及郁山隧道施工中塌腔及二襯背后空洞處理遺留病害等，爆破施工產生振動及沖擊后是否發生安全事故或是否會危及既有隧道安全甚至出現災難性后果，均不得而知。

3 平導擴挖控制爆破施工方案

（1）設計原則

根據《爆破安全規程》（GB 6722－2014）規定交通隧道安全允許質點振動速度標準為10～20 cm/s，同時考慮既有隧道存在施工處理或病害地段，以及既有隧道內電力設備安全，為確保運營安全，爆破振速嚴格控制在2.5 cm/s范圍內。以薩道夫斯基公式為基礎，結合相關研究表明，隧道掘進爆破，最大振動速度出現在掏槽孔，振動衰減參數K值隨著段數的增加逐漸減少，α值基本保持不變［10］。而本方案為擴挖控制爆破，基本可以忽略掏槽孔爆破時產生的強烈振動效應。通過利用已有臨空面的優勢條件，選用低猛度、低爆速炸藥，減少單響爆破炸藥用量，非電導爆管雷管毫秒延遲起爆，以及不耦合空氣柱間斷裝藥，充分發揮精確延時錯峰減振技術，降低爆破振速。

（2）施工方案

平導Ⅲ級圍巖爆破參數設計結果見表1。

表1 平導Ⅲ級圍巖擴挖爆破參數設計

爆破作業面上共布置65個炮孔，其中輔助眼33個、周邊眼 32 個。雷管分別采用 3、5、9、13、17段，孔內微差延時爆破，總裝藥量64.6 kg，單孔最大裝藥量1.5 kg，單響藥量為3.0～16.5 kg。最小藥量的先起爆，隨臨空面逐步加大，起爆藥量適度增加。炮孔布置與起爆網路見圖2。

圖2 平導擴挖爆破施工設計

4 爆破振動測試方案分析

4.1 振動判據分析

現代工程爆破的觀測和研究表明，振動時間的長短對結構體的破壞有著重要影響。本測試方案中為防止產生地震波疊加，爆破各段的微差時間一般要求不小于200 ms，同時考慮到地下構筑物的固有頻率較低［11］，為防止產生共振危害，爆破振動測試方案選取高頻振動為主。

4.2 測試方法與量測系統

（1）測試方法

在實施過程中，參考爆破振動測試方法［12］，將振動速度指標按照水平橫向、豎直垂向、水平縱向三個方向分別進行測量，并分別分析影響程度。測試爆破振動效應選用SD-1型振動速度傳感器作為拾振器，選用EXP4850型爆破振動分析儀記錄各測點的振動信號，該儀器具有CH1、CH2、CH3三個測試通道，分別測試水平縱向X方向（平行隧道邊墻方向）、水平橫向Y方向（垂直隧道邊墻方向）和豎直垂向Z方向（豎直于隧道邊溝蓋板方向），通過RD263串口將采集的振動數據輸入電腦軟件進行波形判釋與分析。

（2）測試方案

由于既有隧道存在裂縫、空洞及不密實情況，爆破地震效應監測時，監控點應盡可能選擇在上述不利位置進行測試，同時為研究爆破振動效應，確定隧道爆破施工安全范圍或劃定爆破危險區域，需在爆破振動效應較大的區域內布設測點，以便分析爆破振動強度隨爆心距離變化的規律［13］。

在擴挖爆破里程對應既有隧道相同斷面處，將爆破振速傳感器布設在老隧道靠近爆破側邊墻水溝上，并前后每隔10 m布設2組監測點，監測范圍40 m。在同一測點布設傳感器可測量豎直垂向、水平橫向和水平縱向三個方向速度，傳感器采用石膏粘接牢固。測點布置見圖3，實測現場見圖4。

圖3 X、Y、Z方向測點布設位置

5 爆破效果及測試結果與分析

5.1 爆破效果

按確定的爆破方案進行施工，經測試爆破振速控制在2.5 cm/s以內，爆破振動對周邊圍巖產生的影響較小，既有隧道襯砌裂紋無發展，振速可控，光爆效果較好，平導擴挖得以順利實施，新老隧道結構穩定安全。

5.2 爆破振動測試結果及分析

5.2.1 測試結果

結合爆破振動理論，通過現場采集x、y和z方向每段波形數據見表2，典型波形見圖5～圖7，振動波形經處理獲得的振動數據見表3。

表2 ZDK258+503斷面爆破振速時程曲線要素

圖5 X方向爆破振速時程曲線（CH1通道）

圖6 Y方向爆破振速時程曲線（CH2通道）

圖7 Z方向爆破振速時程曲線（CH3通道）

表3 邊墻底部爆破振速統計

5.2.2 測試結果分析

（1）從采集數據的圖表中可以看出，爆破振動總時長約0.5 s，3個矢量爆破振速時程曲線圖中分別有5個明顯波段，反映了不同段位炸藥爆破時對應的振動速度。

（2）由于爆破方案利用了擴挖平導已有臨空面的條件，為降低爆破振動的影響，爆破設計中沒有考慮掏槽眼，將最先起爆的輔助眼藥量設置為最少，因此最大振動速度沒有出現在爆破開始階段，而是出現在單響爆破藥量最大階段。

（3）X、Y、Z 3個矢量最大振動速度并沒有出現在同一時刻，測試斷面顯示X方向振速最大值出現在0.088 4 s，Y方向振速最大值出現在0.104 2 s，Z方向振速最大值出現在0.411 0 s。因此在計算合矢量時不能將3個分矢量進行簡單相加，而是要結合振動速度時程曲線圖中峰值時點進行合成計算。

（4）由采集數據可知，在水平距離爆區較近的測點位置垂直隧道邊墻的Y方向質點峰值振動速度明顯高于平行隧道邊墻的X方向和豎直于隧道邊溝蓋板的Z方向峰值振動速度，但個別出現Z向峰值振動速度與Y向峰值振動速度接近或更大的現象。因此在主要控制Y方向振動速度的同時，不可忽略Z方向的振動速度影響因素。

（5）通過采集數據顯示，爆破最大振動速度峰值為Y方向2.39 cm/s，小于爆破振速要求2.5 cm/s，爆破方案對圍巖和既有結構安全可控。

6 結論

（1）在小凈距并行既有線隧道擴挖控制爆破施工中，充分利用既有臨空面，發揮高精度毫秒延時雷管點火延時分散性，減少單響爆破炸藥用量，可以顯著降低爆破振動作用，實現了Ⅲ級圍巖全斷面法爆破振速控制在2.5 cm/s之內，達到了圍巖穩定、結構安全、運營安全、高效施工的目的。

（2）在特殊結構或復雜病害地段，還可采用預裂爆破、減振孔、間隔裝藥結構緩沖爆破法等其他有效減振措施。

（3）可進一步深入研究精準延時爆破錯峰減振并努力實現波峰與波谷疊加形成干擾降振技術。