復雜環境下淺埋隧道智能減震爆破施工技術

華濤，馬建清，陳勇，張慶明，黃明奎

（1 重慶交通建設（集團）有限責任公司，重慶 401122；2 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074）

0 引言

城市地鐵隧道施工環境多具有地質條件差、埋深淺和周邊環境復雜等特點，淺埋暗挖法能克服明挖法對地面交通造成的影響。相對于TBM 或盾構等機械開挖，鉆爆法對復雜地層具有較好的適應性和靈活性，已在復雜環境工程下的城市地鐵等淺埋隧道施工中得到了廣泛應用[1]。然而，在復雜環境下的地下工程施工中采用鉆爆法掘進，將不可避免地產生爆破有害效應，如爆破震動、噪音等，不僅影響工程的開挖質量和開挖支護效率，而且給周圍建（構）物的安全和居民生活帶來較大影響[2]。因此，如何控制爆破掘進過程中的爆破有害效應，已成為復雜環境下淺埋隧道鉆爆施工的關鍵技術難題。目前，降低爆破有害效應主要有三種方式[3]：（1）降低爆破震源的震動強度；（2）阻隔或切斷爆破振動波的傳播路徑；（3）對受爆破影響的建（構）物加以保護。國內工程主要以第一種方式降低爆破有害效應，如分段微差爆破[4]、減小炸藥用量[5]、減小一次爆破開挖斷面或減小爆破進尺[6]等。這些方式在一定環境下雖能將爆破震動控制在安全規程要求的范圍之內，但在復雜環境下勢必降低隧道的掘進效率，增加施工成本，因此難以在城市等復雜環境下被建設單位采用。所以在城市等復雜環境下采用一種高效、科學以及低成本的隧道爆破減震開挖技術尤為重要[7]。本文以重慶市軌道交通環線沙玉區間隧道鉆爆開挖工程為背景，研究分析了復雜環境下淺埋隧道智能減震爆破施工技術，在工程實踐中取得了較好效果，結果可為類似條件下鉆爆施工減震提供借鑒和參考。

1 智能減震爆破施工技術

爆破振動控制是復雜環境下淺埋隧道爆破施工的關鍵技術之一，對爆破施工工期、工程的經濟效益以及社會效益造成直接影響[8-9]。本文以重慶軌道環線淺埋隧道鉆爆開挖工程為例，對智能減震爆破施工技術開展研究，得到了如下智能減震爆破施工技術：

（1）結合現場地質環境條件，分析隧道開挖引起地應力重新分布的特點和規律，確定圍巖受力合理的隧道分部開挖的斷面形狀和尺寸[10]，以調整和改善隧道開挖成形后周邊圍巖受力條件，使分部開挖斷面輪廓形成“壓力拱”，充分利用圍巖自承能力，在降低圍巖壓力的同時，極大減弱后續主爆炮孔爆破對“壓力拱”外巖體的影響，減小爆破震動；

（2）空孔能有效阻止爆破應力波的傳播，當應力波在傳遞過程中遇到空孔時，其能量能夠得到極大的轉換和釋放，可極大降低爆破震動[11]。基于此原理，在傳統預裂爆破技術的基礎上，本減震技術對傳統預裂孔進行改造，通過研究和分析，周邊預裂孔采用每兩個裝藥孔中間加一個空孔，即預裂減震空孔。一方面空孔可改善巖體的夾制作用，為預裂縫貫通創造有利條件，另一方面還可減小裝藥孔數量，進而減少周邊孔起爆炸藥量從而降低爆破震動強度，同時還可改變波的頻率分布，分散主頻段能量。這極大降低了爆破震動效應，達到了減震的目的；

（3）為了避免（2）中預裂減震空孔造成炸藥減少對爆破效果的影響，通過波的傳播和疊加原理分析，考慮與周邊孔緊鄰的一圈崩落孔的布置采用與周邊孔形成梅花型的布置形式（圖1），充分提高炮孔炸藥利用率，增強爆破作用效果；

圖1 減震孔、預裂孔布置示意圖

（4）采用傳統的大空孔掏槽技術。根據（1）中確定的開挖斷面形狀和尺寸，采用中央大空孔（單空孔、雙空孔或多空孔等）掏槽爆破技術，改善爆破條件，以減小主爆炮孔爆破對圍巖和周圍建（構）筑物的影響，降低爆破震動；

（5）利用當前的大數據和人工智能技術，在爆破過程中采用智能爆破測振儀、能靈活設置延期時間的電子雷管（如EDF-1 工業電子雷管）、基于物聯網的電子雷管編碼起爆系統，現場和地表爆破振動同步測量，實現爆破網絡設計施工、爆破振動的智能化。通過系統分析和判斷，及時掌控爆破方案對周圍敏感環境的影響，利用震動波波峰、波谷疊加減震原理[12]，動態調整爆破各分段起爆的延遲起爆時間等爆破參數，減小爆破振動強度和速度，達到減震和保護周圍建（構）物，減小對周邊居民正常生活影響的目的。

2 智能減震技術工程應用及效果分析

2.1 工程概況

重慶市軌道交通環線沙玉區間隧道工程位于江北區與渝北區交界處，通過地區地質條件及環境十分復雜。根據勘察設計文件，沙玉區間隧道場地原始地貌屬構造剝蝕丘陵區，丘包和溝谷相間排列。地層構造部位屬沙坪壩背斜西翼，巖層主要產狀270°～320°∠5°～7°，優勢產狀290°∠6°。場地存在兩組構造裂隙，其中一組偶見鈣質充填，裂隙間距約為1.0～2.0m，結合性較差；另一組則偶見泥質充填，裂隙間距2.0～5.0m，，結合性也差，兩組裂隙均屬于硬性結構面。巖層從上往下依次為第四系全新統填土層（Q4ml），殘坡積層（Q4el+dl），崩坡積層（Q4col+dl）以及侏羅系中統沙溪廟組（J2S）沉積巖層。隧道所處圍巖以砂巖為主，巖體的Kv=0.71～0.72，較完整；砂巖單軸飽和極限抗壓強度為26.9～37.5MPa，圍巖的彈性縱波速度為3405～3409 m/s，場地地下水以大氣降水和給排水管道滲漏補給為主，根據勘察報告及水力特征等判斷，隧道線路沿線地下水為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

隧道埋深4.3～11.80m，隧頂中等風化基巖厚度小于2.0 倍的圍巖壓力拱，為淺埋隧道，成洞條件差。隧道處于城市復雜環境條件，下穿住宅小區，其中下穿3-3 棟（YDK10+556.04～+586.92）、3-4 棟（YDK10+605.053～+641.003）、3-1 棟（YDK10+653.024～+682.250）居民樓區段隧道洞頂距離居民樓樁基僅3.05～3.66m。在前期，隧道開挖采用微弱爆破技術，雖然每階段爆破施工都分多段進行，但仍然對上部房屋及居民生活造成很大影響。鑒于該段施工的工期壓力，采用機械開挖無法滿足要求，因此，為保證上部房屋結構的安全、居民的正常生活，并滿足本區間隧道的工期要求，經過大量的研究和實踐，提出智能減震爆破技術措施進行開挖掘進。

2.2 智能減震控制技術及措施

（1）合理確定分部開挖斷面

根據沙玉區間隧道現場工程地質條件和隧道斷面大小，合理確定隧道分部開挖斷面大小，使洞室圍巖在開挖過程中受力合理，為爆破減震創造良好的條件。結合該工程具體地質條件：隧道圍巖以砂巖為主，巖體較完整，砂巖單軸飽和抗壓強度26.9～37.5MPa，隧道斷面尺寸為12.5（寬）×8.9（高）m。根據圍巖合理受力的隧道開挖形狀和尺寸確定方法和原理，初步確定依托工程隧道開挖斷面按三臺階法開挖，其中上臺階高度為3m，中臺階高度為3m，下臺階高度為2.9m。

（2）分段并嚴格控制微差爆破時間和裝藥量

斷面采用三臺階法開挖，上臺階爆破分階段進行，每階段采用分段微差起爆，對總裝藥量及單孔裝藥量嚴格控制。為充分利用智能監測結果，基于波峰、波谷疊加減震原理，動態調整藥量及分段爆破延遲時間，減小質點的振動速度，使爆破振動效應降低到安全規程范圍以內。該依托工程根據現場情況和掘進效率要求，綜合考慮地表建筑物保護要求，確定上臺階炮孔深度為1.2m，單孔裝藥量為200g，單次起爆藥量控制在400g 以內；中下臺階炮孔深度增加至1.9m，分階段多段起爆，單孔裝藥量300g，在鉆爆掘進過程中每階段起爆藥量根據智能監測數據可動態調整。其中上臺階炮孔布置如圖2 所示，各階段裝藥量及爆破相關參數如表1 所示。

圖2 上臺階分階段炮孔布置示意圖

表1 上臺階減震爆破參數表

（3）綜合減震技術

該工程根據前述智能減震技術要求，首先采用雙大空孔掏槽減震技術，即在上臺階開挖斷面中心偏下豎直方向鉆設兩個直徑為150mm 的大直徑空孔，空孔豎直方向凈距不小于300mm，空孔布置示意圖見圖2；其次，在周邊孔采用減震孔預裂爆破技術，即在周邊孔中每兩個預裂孔中間加一個空孔作為減震孔，同時對周邊孔緊鄰的光爆層裝藥孔與周邊孔采用梅花形布置，抵抗線采用65cm；第三，在隧道爆破開挖過程中，通過智能測試系統平臺，自動采集并處理掌子面和地表建（構）筑物爆破振動有害效應等爆破信息，根據震動波的波峰、波谷疊加減震原理，動態調整各段起爆藥量及時間間隔等爆破參數。

（4）減震技術應用效果分析

在依托工程爆破施工過程中，建設單位將本文提出的智能減震爆破施工技術措施應用于工程中，經過長期的現場爆破震動監測以及地表建（構）筑物震動監測，通過分析監測結果和多次對起爆藥量及各段起爆時間等爆破參數的動態調整，在整個沙玉區間隧道復雜環境段施工過程中，地表擬保護的建（構）筑物的最大振動速度均控制在1cm/s 以內，其中地表住宅典型斷面測試的最大振動速度統計如表2 所示，滿足地表建（構）筑物規范規定的要求，減震效果十分明顯，同時也減小了對上部居民生活的影響，減少了相關的民事糾紛，使得工程較為順利地通過了密集的建（構）筑物區段。

表2 爆破振動速度測試結果

3 結語

通過智能減震爆破技術的研究分析以及在依托工程中實施城市復雜環境下地鐵淺埋隧道爆破施工，本文提出的智能減震爆破控制施工技術可有效地減小爆破振動有害效應，減少甚至避免了建設單位與周邊居民間的民事糾紛，取得了良好的經濟效益和社會效益。

（1）在復雜環境地下工程爆破開挖過程中，確定圍巖受力合理的開挖洞室形狀和尺寸，是減震爆破較為重要的手段，應予以充分重視。

（2）采用大空孔掏槽+減震預裂孔+光爆層控制爆破等綜合減震技術，可有效降低地下工程爆破震動速度。通過現場監測，該依托工程地表建（構）筑物的最大震動速度均控制在1cm/s 以內，滿足安全規程的相關要求。

（3）在減震爆破實施中采用爆破振動智能測試儀，同步完成爆破現場和地表建（構）筑物的爆破震動測試，及時準確追蹤爆破減震效果，利用振動波的波峰、波谷疊加減震原理動態調整各段起爆藥量及時間等爆破控制參數，實現爆破減震信息化、智能化。