油溪長江大橋北岸隧道錨爆破開挖試驗研究

吳建兵 池忠波 張文龍 陳步高 郭晨陽

（1.浙江華東工程建設有限公司，浙江 杭州 310014；2.中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司，遼寧 大連 116000；3.防災減災湖北省重點實驗室（三峽大學），湖北 宜昌 443002）

0 引言

隧道式錨碇是懸索橋的關鍵安全構件之一和圍巖共同承擔纜索拉力。隧道錨開挖具有大傾角、斷面積漸變、相鄰隧道錨洞交叉影響的特點，同時要求盡可能減小對圍巖的擾動。鉆爆法施工地質條件適應性強、施工成本低，但容易造成超欠挖及圍巖損傷，進而影響隧道錨質量，因此合理的鉆爆設計是保證隧道錨順利開挖的關鍵。

油溪長江大橋北岸隧道錨洞采用鉆爆法開挖，一方面對輪廓面超欠挖及圍巖損傷控制等有很高要求；另一方面受隧道錨址臨近不穩定邊坡、相鄰錨洞圍巖穩定性、周邊民房及混凝土橋墩等建筑結構安全性等因素影響。通過實施兩期爆破開挖試驗，進行爆破振動衰減回歸分析，提出振動控制標準，對比掏槽方式優劣，校核爆破設計參數，形成了科學的爆破設計方案。

1 工程背景

油溪長江大橋隧道錨的錨體分錨塞體、散索鞍基礎、前錨室暗洞和前錨室明洞四個部分。其中錨塞體主要承受預應力錨固系統傳遞的主纜索股拉力，散索鞍基礎主要承受由散索鞍傳遞的主纜壓力。隧洞長70.0m，最大埋深約50.0m，兩側錨碇最小凈距為19.8m。錨塞體縱斷面設計為前小后大的楔形，橫斷面采用圓拱直墻形，前錨面尺寸為10.4m×10.4m，頂部圓弧半徑5.2m，后錨面尺寸為15.0m×15.0m，頂部圓弧半徑7.5m。在離左右錨洞90～500m的距離上分布著辦公室板房、工人宿舍、北岸混凝土橋墩、民房基礎、機電控制室等建筑。

2 爆破安全控制標準

控制爆破的首要目標是防止結構變形開裂。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。保護對象應力和應變與彈性波振動速度之間存在如下關系[1]：

式中：

σx——建筑物受到的拉/壓應力，MPa；

εx——建筑物受到拉/壓應力時的應變值；

u——泊松比；

μ?1——質點振動速度，m/s；

ρ——質點密度，kg/m3；

c1——彈性波傳播速度，m/s。

考慮混凝土的抗拉/壓強度限值，通過式（1）～（3）可得到爆破振動速度的極限值。錨洞襯砌和附近其他重要結構采用C35混凝土。如按不允許出現拉裂縫考慮，取混凝土抗拉強度設計值為1.57MPa，可得爆破振速極限值為[V]=16.3cm/s。初支噴射混凝土和二襯模筑混凝土主要以受壓為主，可以允許混凝土出現裂縫并實現帶縫工作。

下式可確定混凝土結構振動控制標準：

式中：

[V]——爆破振動速度控制標準，cm/s；

Vmax——爆破振動速度極限值，cm/s；

K——爆破振動安全系數，根據重要程度取1.4～2.0；

γs——建筑物服役狀態折減系數，取值0～1.0。

隧道錨作為有很大影響、且不易修復的重要結構，K取1.8～2.0，影響較小的次要結構K取1.4～1.6，其他取1.6～1.8。對于新建結構，折減系數γs取1.0。將計算得到的控制標準值[V]作為允許振速校核值。將結果再乘以安全系數作為混凝土結構的允許振速設計值。

根據以往隧道錨開挖的相關經驗[2～4]，混凝土測點峰值振速在7～14.0cm/s時未見明顯破壞。因此，根據《規程》[5]，結合彈性波波動理論并參考同類工程經驗，提出爆破開挖試驗安全控制標準設計值和校核值，如表1所示。

表1 隧道錨開挖爆破安全允許振速試驗值

3 爆破試驗設計

采用光面爆破法開展兩個階段的爆破試驗，單次循環進尺為1.2m～1.8m。分上下臺階開挖，臺階長度3.0m～5.0m。采用2#巖石乳化炸藥（Φ32，200g/卷），選用非電毫秒延期導爆管雷管。起爆網路、孔位布置及孔間排距如圖1所示，爆破參數如表2。

圖1 錨塞體起爆網路設計（單位：m）

表2 爆破試驗參數

4 爆破試驗效果

4.1 一期試驗

循環進尺約1.0m～1.2m，輪廓面爆破成形質量良好，超欠挖控制滿足技術要求；圍巖未觀察到明顯爆生裂隙；巖體整體破碎效果良好，塊度基本小于0.5m。爆破空氣沖擊波未對洞口附近的設備和廠房產生不良影響，爆破飛石大多散落在洞內。爆破效果如圖2所示。

圖2 隧道錨作業面爆破效果

一期爆破試驗對左、右洞上臺階開挖爆破共進行了5次振動監測。宿舍板房基礎和橋臺混凝土的振速均小于測振儀器的觸發閾值0.0175cm/s，基巖、保護對象的振速均小于對應的允許振速校核值；民居基礎處爆破振動峰值速度均小于0.1cm/s。

結果表明，爆破參數和起爆網路不會對基巖、保護對象和施工部位造成損傷。基于薩道夫斯基公式，根據爆破試驗采用的裝藥參數、起爆網路和測點爆源距回歸計算得到隧道錨掌子面正沖向水平方向和豎直方向的振動衰減規律如下式所示：

將各保護對象的爆源距和最大允許質點峰值振速分別代入式（5）和（6），確定爆破施工所能采用的最大允許單段藥量（表3），水平和豎向振動衰減回歸曲線如圖3所示。

表3 爆破最大允許單段藥量校核

圖3 水平向、豎直向的振動衰減規律回歸曲線

分析可知，對隧道錨爆破開挖規模和單段藥量起控制作用的部位為相鄰錨塞體圍巖，最大允許單段藥量[Q]=14.6kg，大于爆破試驗設計中掏槽爆破的最大起爆藥量Q掏=8.4kg，表明爆破設計的裝藥參數具有合理的安全余度。

4.2 二期試驗

二期試驗對比直孔掏槽和斜孔掏槽爆破的差異。循環進尺與一期試驗相近，輪廓面質量、超欠挖控制、爆堆形狀、爆渣塊度均滿足技術要求，破碎效果良好。

采用直孔掏槽時，每段起爆藥量4.8kg，掌子面附近的基巖和混凝土表面的峰值振速控制在0.90cm/s～2.00cm/s范圍內。采用斜孔掏槽時單段藥量9.6kg～12.0kg，基巖和混凝土表面的最大峰值振速為4.33cm/s。綜合考慮，建議采用直孔掏槽方式進行爆破開挖施工。

4.3 爆破參數和起爆網路確定

（1）掏槽形式：前錨面采用平行空孔直線矩形掏槽，適當超深20cm～30cm。其中有2個空孔（可微量裝藥起爆），作為裝藥炮孔爆破時的輔助自由面和補償空間。

（2）孔位布置：輔助孔0.5m～0.8m；周邊孔0.5m～0.6m，距輪廓線取0.1m～0.2m；底孔間距為0.5m～0.7m；光爆孔間距取0.5m～0.7m，光爆層厚度取0.5m～0.6m。

（3）炸藥單耗：根據錨塞體所處巖層特點和地質條件，炸藥總單耗建議取1.0kg/m3，光爆層線裝藥密度取150g/m～200g/m。

（4）裝藥結構：上、下臺階爆破除周邊孔采用間隔裝藥外，其余炮孔均采用連續裝藥，采用反向起爆；光爆孔底加強裝藥100g，中部每50g間隔裝藥。

（5）起爆網路：孔內微差低段雷管跳段使用，光爆孔導爆索引出孔外，用主導爆索串聯或每孔導爆索綁扎在主導爆索形成2條獨立起爆線路。前錨面上、下臺階爆破網路見圖1。

5 結束語

（1）隧道錨開挖一般對工程質量、進尺及安全控制等要求嚴格，通過爆破試驗對爆破設計參數的合理性進行驗證是至為關鍵的。

（2）油溪長江大橋北岸隧道錨開挖進行了兩期開挖試驗，反饋信息實現了參數校核、振動控制標準的驗證、衰減規律的回歸分析，形成科學合理的爆破施工方案，達到了預期的爆破效果。

（3）根據相關規范并結合彈性波理論、參考相關工程的經驗提出了油溪長江大橋北岸隧道錨爆破開挖振動控制標準，對保護重要結構物起到了重要的作用。