城市軌道交通暗挖隧道錯相減震爆破技術研究

舒文軍 SHU Wen-jun

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

1 工程概況

為驗證“單孔單響錯相爆破減震施工技術”的實際效果，以貴陽市軌道交通S1 線黃河北路站～望城坡站區間為依托，進行錯相減震技術實驗。黃河北路站～望城坡站區間隧道結構頂板埋深隨地形起伏變化較大，埋深16～70m 不等，圍巖巖性為砂質泥巖、泥巖、泥質砂巖、砂巖，全、強風化帶厚2～25m，隧道結構處于地下水位以下，洞身全斷面穿越中風化巖層中，頂板以上中風化帶厚1～55m；中風化泥巖夾砂質泥巖、頁巖，中風化泥巖、砂巖互層，中風化砂巖場地內分布連續，地層均勻性相對較好，穩定性好。中風化灰巖夾泥巖于場地內后段在洞身段有分布，灰巖、泥巖呈互層狀分布，地層均勻性相對一般，穩定性一般。

區間隧道線路周邊環境復雜，分別下穿市政主干道路、高層鋼筋砼建筑、低矮民房及高填方區，地面建筑物密集，車流、人流較多，爆破過程中如何在保證地面環境的安全下，經濟有效的進行隧道施工是工程重難點。

2 施工方案

2.1 施工方案

隧道爆破開挖采用淺孔爆破，臺階法開挖，整體斷面40.84m2。爆破布置掏槽孔、輔助孔、周邊孔。以掏槽孔最先起爆，為其他炮孔增加新的臨空面，輔助孔擴大掏槽孔爆出的槽腔，為周邊孔爆破創造有利條件，最后周邊孔起爆控制隧道斷面的成形輪廓。

相比傳統爆破方式，單孔單響錯相爆破減震施工技術在多炮孔起爆時，通過控制炮孔之間的起爆延時間隔，使達到被保護點的爆炸波主振相錯開約半個周期，使得振波的波峰和波谷相抵消，實現爆破振動的降低。

2.2 理論依據

爆破開挖的最大振動速度值決定于單段的最大用藥量，結合錯相減震原理，依托數碼電子雷管起爆精準授時優勢，采取單孔單響爆破，充分解決了單段最大用藥量的影響，再綜合采取臺階分部開挖、控制爆破進尺、增加鉆眼數量，從而將保護對象控制點的爆破振速控制在設計允許范圍內，有效降低爆破振動對保護目標的有害影響。根據《爆破安全規程》GB6722-2014、爆破安全規程實施手冊等相關規定要求，進行爆破方案設計，對地表建筑物爆破振速進行實時監測、及時數據分析，適時、動態地調整優化爆破參數，達到減震目的。

2.3 工藝流程

爆破施工工藝流程：布孔→鉆孔→清孔→裝藥→填塞→聯網→設置防護→警戒→起爆→爆后檢查→解除警戒。

2.3.1 方案設計

隧道為馬蹄形結構，斷面整體尺寸為40.84m3，采用臺階法施工。

2.3.2 炮孔直徑

由于地下水以基巖裂隙水為主，水量較發育，因此選用二級巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32mm，長度300mm，每卷質量0.3kg。

根據現場施工常用的鉆孔設備和選用的藥卷直徑，確定炮孔直徑為42mm。

2.3.3 炮孔數目

根據各炮孔平均分配炸藥量的原則計算，其公式為：

式中，開挖斷面：S=40.84（m2）

單位炸藥消耗量：q=0.85（kg/m3）

裝藥系數τ 綜合考慮各炮孔選取：τ=0.27

乳化炸藥的每米重量：γ=0.88（kg/m）

取98 個炮孔。

2.3.4 每循環炮孔深度

按每掘進循環的進尺數來確定炮孔深度，其公式為：

式中，每掘進循環計劃進尺數：l=1.2（m）

炮孔利用率：η=0.85

代入上式，則每循環炮孔深度為：

實際取炮孔深度為1.4m，一般掏槽孔較炮孔深度加深0.2m，則為1.6m。

2.3.5 炮孔布置

①掏槽孔。為保證掏槽效果，上臺階采用楔形掏槽，下臺階不設置掏槽孔。根據巖石條件和楔形掏槽參數，在隧道上臺階斷面的中下部布置8 個掏槽孔。掏槽孔深為1.6m，比其他孔深0.2m，炮孔傾角68°，炮孔長度為1.73m。

②輔助孔。上臺階在掏槽孔與隧道輪廓線中間拱頂位置均勻布置一圈輔助孔，輔助孔與周邊孔最小抵抗線為550mm，另外分別在掏槽區域上部增加3 個輔助孔，兩側均勻布置3 排，間距600mm，共布置輔助孔數目為32 個。

②周邊孔。周邊孔布置時，為了控制斷面成型，以上臺階開挖輪廓向內4cm 為界，等間距布置周邊炮孔，共設置周邊孔17 個，間距650mm。

下臺階共布置4 排輔助孔，除第一排間距800mm 外，其余3 排間距均為850mm，排間距1m，共布置炮孔數目28 個。

④底板眼。本設計共布置13 個底板眼，孔間距600mm。

炮孔布置圖見圖1。

圖1 炮孔布置圖（單位：mm）

2.3.6 裝藥量計算

①每循環裝藥量。

式中，V 為1 個循環進尺所爆落的巖石總體積（m3），其值為：

代入上式，則：

②單孔裝藥量。

掏槽孔裝藥系數τ=0.4，輔助孔裝藥系數τ=0.3，周邊孔裝藥系數τ=0.2，單個炮孔的裝藥量與裝藥卷數如下：

1）掏槽孔

實際取2 卷，單孔裝藥量為：

2×0.3 =0.6（kg）

2）輔助孔

實際取1.5 卷，單孔裝藥量為：

1.5×0.3 =0.45（kg）

3）周邊孔

實際取1 卷，單孔裝藥量為：

1×0.3 =0.3（kg）

4）底板孔

底板孔裝藥量與輔助孔相當，每個孔裝藥1.5 卷，單孔裝藥量0.45kg。

考慮到下臺階第一排炮孔（71～79 號孔）抵抗線較小，可較少裝藥量至0.3kg，則裝藥量Q 合計為：

此值略大于按體積公式計算的總裝藥量，但誤差不大，所以按41.4kg 裝填炸藥。爆破參數表見表1，經濟技術指標見表2。

表1 爆破參數表

表2 經濟技術指標

2.3.7 起爆順序

總體起爆順序為先上臺階，后下臺階。上臺階先起爆掏槽眼，再起爆輔助眼，周邊眼，最后底板眼。

根據單孔單響錯相爆破減震技術的原理，嚴格控制單響藥量，降低振動效應對建筑物的影響，最大限度的減振，保證建筑物的安全。為了避免爆破地振波的疊加，掏槽孔及輔助孔各段微差時間控制在13ms 左右，周邊孔各段微差時間控制在20ms 以上（具體微差時間根據現場情況進行調整）。設計時差的目的是既利用共同作用原理，使爆破效果好，又能使爆破達到一定干擾降振效果，爆破地振波也不會產生疊加。

上臺階：掏槽眼（1#～8#孔）延時（10ms～101ms）單孔間隔13ms；輔助眼（9#～40#孔）延時（118ms～611ms）單孔間隔17ms；底板眼（41#～53#孔）延時（628ms～866ms）單孔間隔17ms；周邊眼（54#～70# 孔）延時（886ms～1206ms）單孔間隔20ms。

下臺階：輔助眼(71#～98# 孔）延時（1226ms～1766ms）單孔間隔20ms。

爆破延時參數表見表3。

表3 爆破延時參數表

3 爆破效果

為保證隧道周邊房屋建筑安全，參建各方經研究在黃望區間YDK39+600～YDK39+580 開展錯相減震爆破技術試驗。

試驗段地質掌子面以中風化砂質泥巖夾泥巖為主，粉砂質結構，薄層-中厚層狀構造，有少量滲水，隧道拱頂地面較為平坦，埋深37.4m。試驗段周邊無重要建筑（構）物及管線。

試驗段施工時間共計18 天，爆破14 次。

3.1 監測情況

爆破安全規程（GB6722-2014）規定：地面建筑物的爆破振動，采用保護對象所在地質點峰值振動速度和主振頻率。根據爆破安全規程、施工經驗和工程實踐表明，地面最大振動速度與建筑結構破壞的相關性最好，所以目前廣泛采用最大振速作為結構安全的評定標準。本次試驗段采用為成都中科測控研產的TC-4850 爆破測振儀，該型儀器可以測量爆破振速X、Y、Z 三個分量振速。根據規范內《爆破振動安全允許標準表》，一般民用建筑物在主振頻率f＞50Hz 時，允許振速為2.5～3.0cm/s。

根據試驗段周邊環境情況，共設5 個測點，其中1#監測點為拱頂上方前35m 地表，2#監測點為拱頂上方地表，3#監測點為拱頂上方左20m 地表，4#監測點為拱頂上方右20m 地表，5#監測點為拱頂上方前25m 地表。

3.2 施工情況

黃望區間試驗段爆破監測14 次，最大振動值為0.98cm/s，其中3# 監測點（拱頂上方左20m 地表）測得6次振動值最大值，2#監測點、4#各測得3 次。均遠小于規范允許安全振速。

黃望區間試驗段爆破振速折線圖見圖2。

圖2 試驗段爆破振速折線圖（單位：cm/s）

以2021年12月29 日振動監測情況為例，2# 測點（拱頂上方）振動數值為0.74cm/s，較為異常。經對該點波形分析和現場情況，原因為上循環右側拱腳位置圍巖變化，強度較高導致局部欠挖，本次施工在裝藥過程中將69、70 號炮眼各增加0.15kg 炸藥，導致本次振動值偏高。后經過在左右拱腳增加一炮眼，分散裝藥后，振速明顯降低。2#測點波形圖見圖3。

圖3 2# 測點波形圖

4 結論

文章介紹了單孔單響錯相爆破減震技術的施工工藝及參數設計，經過爆破試驗，該技術確可有效降低爆破振速，使振動值遠低于規范允許振速。在工程實踐中，必須按照每爆必測的原則，通過對隧道頂端以及地面較近的結構物、建筑物進行爆破振動數據采集，進行信號頻譜分析，不斷優化調整爆破參數，做到“巖變我變”，及時準確地修正鉆爆設計和調整鉆爆參數，并保證爆破設計的實施，確保爆破質量。另外，由于隧道斷面狹小，機械運轉不便，特別是上臺階拱腳部位，機械開挖困難，爆破過程中應密切注意拱腳部位圍巖情況，如果需要增加藥量，應增加一個炮孔分擔藥量，避免單孔藥量增大引起振速過大。研究成果的應用為黃河北路站～望城坡站區間臨近建（構）筑物施工提供有利保障，也為類似工程提供參考。