新建隧道下穿既有隧道減震孔減震效果試驗研究

于赟

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門361000）

1 工程概況

1.1 工程背景

新大帽山1號隧道為新福廈鐵路廈門北進島聯絡線單線隧道，全長1280m。該隧道與既有杭深高鐵劉塘隧道并行（距離為56m至80.8m），與既有動走1線隧道并行（距離在120～125.4m），并下穿既有動走2線隧道，兩隧道間凈距為8.32m，平面交角30.5，正穿段隧道長60m，為該項目重難點工程，需進行科研攻關。現場情況如圖1所示。

圖1 現場分布圖

1.2 工程地質、水文地質條件

采取地質詳勘方式進行地質鉆探，經鉆探XLSDK1+915位置符合仿真模擬試驗條件，經過地質鉆探結果表明（見圖2），在新大帽山1號隧道里程為XLSDK1+915隧頂正上方位置約10m范圍均屬于II級圍巖，該工程下穿段最不利位置隧道間凈距8.392m，地質為II級圍巖，故選取該處為仿真模擬試驗位置。

圖2 XLSDK1+915位置地質詳勘芯樣

2 爆破公式擬合

根據《鐵路工程爆破振動安全技術規程》（TB 10313—2019）（簡稱《規程》）推薦采用的公式（公式1），參考《規程》中不同巖性的K、α值，對前期采用減震工法的爆破數據進行回歸分析，得到依托工程的K、α值并依據所得公式計算測點的薩氏振速。

式（1）中：V——質點振動速度峰值（cm/s）；

Q——炸藥量，齊發爆破為總裝藥量，延時爆破為單段齊爆藥量；可按對應V值時刻爆炸的單段藥量（kg）；

R——測點至爆源的距離（m）；

K、α——與爆區至測點間的地形、地質條件有關的爆破振動系數和衰減指數，由統計分析獲得。

根據前期初始爆破數據，對K、α值進行擬合，由于積累的數據量偏少，如果采用單一的K、α值進行擬合的話，擬合效果較差，因此根據實測數據對K、α值進行分段擬合，分段擬合的相關系數R=0.98（規范規定相關系數大于0.8），如圖3所示。

圖3 振速擬合圖

根據現場的圍巖情況以及爆破數據，擬采用第三段數據所擬合的K、α值，即K取140，α取1.35。

3 仿真模擬試驗

3.1 模擬試驗井

采用現場試驗的方式，通過減震施工工法進行對比，優化爆破參數、檢驗分析各個工法的減震效果，積累施工經驗。

仿真模擬試驗工作井井身尺寸為2m×2m，深度為16.634m，（見圖4）井底距隧道頂凈間距為6.9m。試驗井護壁采用30cm厚C25鋼筋混凝土，井底澆筑40cm厚C35混凝土底板。

圖4 試驗井示意及現場圖

仿真模擬試驗主要的監測項目有：控制爆破振速、加速度、試驗井沉降及收斂情況。試驗井內監測設備主要由以下四部分組成：井身沉降采用YH02-Y靜力水準儀，井身收斂采用TH-L40激光收斂計，控制爆破振速采用Blast-NET型振動記錄儀、三分量振動速度傳感器和客戶端構成的爆破振動監測系統，控制爆破振動加速度監測采用VF型智能測振儀。

3.2 試驗工法

考慮仿真模擬試驗對總工期的影響，選取試驗里程范圍段為XLSDK1+885—XLSDK1+899.8，主要對“預設減震孔+控制爆破”工法的減震效果進行試驗研究，試驗段長度為14.8m。

“預設減震孔+控制爆破”工法的示意圖如圖5所示。

圖5 減震孔示意圖

“預設減震孔+控制爆破”工法采用電子數碼雷管單孔單響潛孔控制爆破+減震孔配合的施工工藝。預設減震孔在掌子面距離開挖輪廓線內側60cm處設置一圈減震孔，直徑為108mm，孔中心間距為30cm，減震孔深度5m，如圖6所示。通過減震孔的阻隔及切割作用，減小振動應力，實現降低爆破振速的目的。

圖6 減震孔現場布設圖

3.3 試驗過程

在進行“預設減震孔+控制爆破”試驗過程中，根據方案選取0.8m、1.0m、1.5m進尺分別展開試驗，通過不斷調整爆破參數，合理優化在同一圍巖下的炸藥使用數量等參數，如表1～表3所示。

表1 控制爆破+減震孔爆破參數表（進尺0.8m）

表2 控制爆破+減震孔爆破參數表（進尺1m）

表3 控制爆破+減震孔爆破參數表（進尺1.5m）

4 結果分析

4.1 試驗結果

在新大帽山1號隧道掌子面推進過程中，對“控制爆破”及“預設減震孔+控制爆破”工法進行了6組對比試驗。

試驗過程中，對試驗數據進行全過程收集整理，按照第二節所得的薩氏公式，對每循環的振速值進行理論計算，如表4所示（減震效率η=v-v）/v×100%）。由成果匯總的各測點的實測振速和擬合得出計算振速情況，對控制爆破監測數據進行整理，最終從減震效果分析、工效對比分析、試驗井結構變形情況等方面對試驗成果進行分析總結。

表4 試驗井監測點數據匯總表

4.2 減震效果分析

由上述試驗數據可知，“預設減震孔+控制爆破”的施工方法相對于采用“控制爆破”，減震效果顯著，在前3組試驗中，“預設減震孔+控制爆破”的平均減震效率為14.37%，在后3組試驗數據中，“預設減震孔+控制爆破”的平均減震效率為15.27%。值得一提的是，隨著開挖進度的不斷推進，爆破點與試驗井的距離逐步減小，“預設減震孔+控制爆破”工藝的爆破振速有明顯的改善，說明減震效率與爆破距離有一定影響。

由圖7可知，各循環試驗中采用“預設減震孔+控制爆破”的實測振速均小于“控制爆破”。同時在單段最大藥量相同的情況下，隨著爆破點距離的減小，所測的實際振速會有所增大，如圖中第四組試驗單孔最大0.2kg掏槽藥量實測振速與第一組單孔最大0.4kg的實測振速相近。

圖7 兩種減震工法實測振速對比圖

由圖8可知，對比實測振速和理論計算振速差異可以發現，6組對比試驗兩種工法偏差幅度在-48.47%～14.47%之間，負值表明采用減震工法后爆破振速較理論數值小，可知大部分實測振速小于理論計算振速。在每次循環試驗內僅采用“控制爆破”工法的偏差幅度總是大于采用“預設減震孔+控制爆破”工法，這進一步表明預設減震孔能有效降低爆破振速。

圖8 計算振速與理論振速偏差

4.3 工效對比分析

因隧道循環施工作業的特點，以及“控制爆破”及“預設減震孔+控制爆破”工法兩種工序作業流程的不同，僅對工效時間進行計算分析。

采用控制爆破工法，工效分析僅對單班開挖作業施工時間進行計算，當進尺1.2m時，所需鉆眼、裝藥時間為2.5h，加上作業準備時間0.5h，單班開挖所需時長總計為3h。

采用預設減震孔工法，需要提前在掌子面打設減震孔，減震孔施工采取兩班倒進行作業，每循環平均孔深6m，所需作業時間為31h，單次循環減震孔施工可以滿足4個循環的控制爆破施工，減震孔打設后增加炮孔打設時間3h。因此單班開挖作業時間為10.75h，則“預設減震孔+控制爆破”工法實際單循環開挖所需時間為10.75h。

綜上所述，采取“預設減震孔+控制爆破“工法時，工時所需時間較長，相對于常規控制爆破施工，打設減震孔的施工工效雖然較低，但是附加時間能夠滿足工期要求。同時，考慮減震孔的減震效果和對施工形成的有利影響，建議選擇“預設減震孔+控制爆破”工法。

4.4 試驗井結構變化

在仿真模擬下穿隧道工況的前提條件下，通過在試驗井內部安裝精密監測儀器，同步對試驗井的沉降、收斂進行監測。根據監測數據統計分析，試驗井收斂變形累計最大值為0.14mm，沉降變形累計最大值為0.77mm，試驗井監測變形值均在可控范圍之內，試驗井結構未見損壞。

5 結論

對新建隧道下穿既有隧道的工況進行仿真模擬試驗，試驗過程中對試驗參數進行動態調整，對試驗數據進行總結分析，可以得出：

第一，采用“預設減震孔+控制爆破”的施工工藝后，爆破實測振速比僅采用控制爆破有明顯改善。隨著爆破點與試驗井的距離逐步減小，“預設減震孔+控制爆破”工藝的爆破振速有一定提高。在單段最大藥量相同時，隨著爆破點距離的減小，實際振速會有所增大。采用“控制爆破”工法的偏差幅度總是大于采用“預設減震孔+控制爆破”工法。第二，采用“預設減震孔+控制爆破“工法時，相對于常規控制爆破所需工時較長，但是附加時間能夠滿足工期要求。同時，考慮減震孔的減震效果和對施工形成的有利影響，建議選擇“預設減震孔+控制爆破”工法。第三，由監測數據得到試驗井收斂變形累計最大值為0.14mm，沉降變形累計最大值為0.77mm，試驗井監測變形值均在可控范圍之內，試驗井結構未見損壞。

同時，通過對施工中每個循環的炸藥量、炮眼數量、電子雷管間隔時間進行動態調整優化，得出在同一圍巖下最優的爆破參數，為正式下穿隧道施工提供理論依據與數據支撐。