淺埋偏壓隧道開挖爆破振動與控制技術分析

張征亮

（江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

公路隧道洞口段圍巖破碎、風化嚴重，常伴隨淺埋、偏壓等現象，其力學特征復雜，穩定性差。當洞口段地形復雜且有偏壓時，由于重應力場分布的影響，地面偏壓會導致地層主應力方向發生傾斜，故在引起淺埋偏壓隧道開挖后應力分布不均，導致支護結構的受力不均勻，而在爆破開挖的多次干擾下，如果不及時支護，很容易導致工程安全事故。因此，在開挖時必須將支護結構的設計與施工相結合，采用合理的爆破參數，最大限度地降低爆破振動對圍巖的干擾及對襯砌結構的破壞。

1 爆破振動監測

1.1 測試設備選擇

監測系統的優劣將會對監測結果的可靠性產生很大的影響，并對監測的成功與否產生重要的影響。所以，在選用試驗設備時，要依據所測信號的幅度及頻域來選用試驗設備。該試驗設備采用UBOX-5016型智能爆破振動檢測裝置，并采用配套的水平、垂直速度傳感器。該測試系統量程大，通頻帶寬，采用電池供電，無須外部電源，與常規的測試方式相比，省去大量的布線、檢查、回收等煩瑣的工作，有效地解決了野外測試中對交流電的依賴性，提高了現場測試的方便和高效。另外，由于電腦功能強大，處理數據更加準確、方便，功能更加完備，可以大大提高工作效率。

1.2 爆破條件及測試方案

該隧道的行車速度為60km/h，建筑限界為10.5m，高度為5.0m。隧道進口拱頂埋深為9m，輪廓線右側距地表最淺處不足4m，屬于淺埋偏壓的隧道。

隧道洞口表層為2.5m 厚的粉質黏土，下部為強-中風化（黑云母）片麻巖，節理裂縫發育，巖心為短圓柱形，局部破碎塊，綜合評價為V 型，具有良好的可爆性。考慮到洞口斷面采用后壓回填法，超前支護采用超前小導管，初期支護采用中空注漿錨桿+工字鋼+8 鋼筋網+C25 噴射混凝土支護形式；隧道采用上下臺階法進行開挖，上部為楔形掏槽，下部為水平孔，以減少上部混凝土襯砌和地面破壞。

現場爆破振動監測主要是對地面震動速度的采集，輔以隧道襯砌的振速監測，對地震波衰減規律進行全面的分析。下臺階開挖爆破振動主要發生在混凝土襯砌上，根據不同位置振動速度的變化，對其進行了相應的控制。在地面上，現有的試驗結果顯示，在深埋隧道施工過程中，巖體整體結構會發生變化，成洞區表面振速會被進一步擴大，即“空洞效應”。每個測量點的間距表示在圖1 中，ABC 表示隧道的縱向（也就是挖孔的方向），bAc 是指爆破的剖面。

圖1 振速測點布置（單位：m）

1.3 爆破測試系統及原理

該工程采用TC-4850、UBOX-5016 爆破振動記錄儀、速度傳感器對爆破振動進行監測。通過現場實測，估算出隧道爆破測點振速為30cm/s，振動時間約為1s。為了確保整個振速波形的錄制，設定了5kHz的取樣速率、2s 的取樣時間、10V 的全范圍、0.2V 的觸發和上升邊緣的觸發方式。在工程實施期間，根據預先設計的監測方案，在監測點安裝了測速傳感器，再用數據線路將其與記錄設備連接起來，并啟動設備。在工作面引爆過程中，發生了爆炸，在巖層中形成了一種應力波，并在巖層中擴散，使測點附近的速度傳感器發生了震動，并將其轉化為電壓，再用A/D 變換成數字信號，將其存儲在設備內。通過分析軟件對數據進行處理，如速度三向量疊加分析、頻譜分析、薩道夫斯基衰減方程的回歸分析，得出了爆破地震波的傳播和衰減規律。

1.4 爆破監測點布置

按照相關部門對隧道施工過程的全過程監測，在現有隧道內每60m 設置一個測點（兩個洞口間距），以準確評估爆破對現有隧道的影響。每一次在新的隧道掘進工作面前、后部設置兩個測點，每個測點傳感器設置在已建隧道的迎爆側墻內。在每個點布置水平、徑向和豎向三個傳感器，可以對挖掘工作面前后的振動進行監測。

2 振動監測成果分析

此次爆破振動的監測重點是在隧道的明暗交界處，在地面上沿著隧道的縱向方向設置了測點，并與工作面一起向前推進。在穿越A 處時，根據地形的不同，在隧道橫截面上增加了輔助測點b、c，并位于爆炸源的正上方。根據工程進度，逐項分析監測資料，為爆破施工方案的適時調整提供參考。根據隧道洞口段的深度和圍巖的風化程度，根據支護結構的設計和施工進度，采取了上下臺階法，上臺階高6m，開挖面積55m；下臺階3.6m，開挖面積30m。采用楔形開孔法、周距無耦合裝藥工藝，循環進尺控制在1～2m以內。上階梯段開挖段的地面振動速度測量結果見表1，典型的測量點振速曲線見圖2。

在圖2 中，垂直方向上的地勢變化較小，測量點的高度基本一致；在隧道的橫向上，由于地形的影響，各個測點的高程也有一定的差異。由表1 可知，在成洞區，D 點的振動速度最大，在非開挖區域B 點振速最小；在橫截面上，c 點與隧道剖面的距離最接近，振動速度最大，b 點最遠，振動速度最低。

圖2 典型實測地表振速

表1 的監測結果顯示：第一，在隧道工作面上測點A 處，隧道縱表面測點的振動速率反映出淺埋的特性，而隧道開挖會使上部淺層巖石的整體結構發生變化，從而使地表測點振速有區域性的變化，這就是從成洞區到非開挖區的振速逐漸減小。第二，在工作面正面的地面測量點A 處的振動速率，這一次的監測結果比鄰近成洞區D 要小。第三，在偏壓地形作用下，在隧道橫向上，在偏壓作用下，淺埋段的振動是最大的。第四，在淺埋偏壓隧道施工中，爆破振動對開挖區上部、襯砌結構和偏壓淺埋等方面的作用要加以控制。

表1 地表部分測點及振速數據

3 淺埋偏壓隧道爆破振動控制技術

3.1 洞口小導管超前支護與反壓回填

為增強隧道洞口段圍巖的穩定，在開挖過程中采用雙排注漿小導管進行超前支護，在洞口段2m 處鋪設鋼筋網，并進行錨噴；同時，通過采取“倒壓回填”的技術措施，提高隧道右側的土層厚度，以達到平衡由于左側高差引起的橫向壓力。

3.2 選擇合理的掏槽結構形式

通過對掏槽爆破的振動監測，發現在單洞爆破和外洞爆破中的單聲藥用量差別不大的情況下，掏槽爆破的振動明顯增大，主要是由于掏槽爆破的臨空面條件較差，巖體夾持的影響較大。因此，在減少或消除淺埋隧洞爆破的震害問題時，必須采取有效措施進行震害控制。因此，本文提出了多級復式楔形挖槽爆破方案，從大楔形掏槽改為多級小楔形掏槽，一方面減少了各級楔形掏槽的爆破藥量，另一方面前一次掏槽為后一級掏槽提供了一個臨空面，巖體的夾壓作用減弱，爆破振動得到了有效控制，而且由于掏槽爆破效果的改善，循環掘進的進尺也增加了。

3.3 合理布置掏槽位置

由于地形的改變，隧道入口出現了偏壓。為有效地控制淺埋地面的振動，減小爆破振動對隧道軟弱部位的破壞（尤其是在地震作用下），在開挖時除了采用級小楔形掏槽形式外，還可以在開挖中線左邊偏移0.6～1.0m，可以降低掏槽孔爆破對巷道偏壓淺埋區域的震動效應。偏壓巷道開挖部位的選取也應充分考慮其構造特點及賦存條件。

3.4 爆破器材選擇

爆破設備如炸藥、雷管等是影響爆破震動的重要因素。從理論上講，采用低爆速、低猛度、小直徑、高傳爆性能、高精度延遲雷管來完成連續引爆，可獲得較好的光面爆破效果，減小爆破震動。在實際工程中，由于設備種類、環境等因素的制約，可供選擇的余地較小，所以在掘進時，應根據已有的爆破設備，對各個部位的炮眼作用進行細致的設計。對于擴溝孔，可以選用高段位的雷管進行爆破，在這個時候，爆炸面好，高段長的雷管有很大的延時散性，在設計中可以適當增大同段開孔數量，而不會使爆破振幅顯著增大，而且可以簡化爆破作業。在條件允許的情況下，可以選用高精度的數字電子雷管，實現任何延遲時間的設定，充分利用延時錯峰技術的優點，使爆破震動減小，提高爆破效果。

3.5 預應力錨索框架梁施工

第一，放樣，搭建腳手架。根據邊坡的長度，精確地將錨桿定位，孔位誤差不能大于50mm；腳手架由中48 鋼管搭設，在每個立桿的底面都要有一個基座或墊片，支架的縱向和橫向搭設。橫桿與地板相距20～30cm，腳手架應設置適當且堅固的拉結點，并設有斜撐，以提高支撐的整體穩定性。腳手架外懸掛防護立網隨著施工的進行而上升，并將腳手架展開，安裝時應及時設置連接桿、剪刀撐，支架安裝完成后應拉設四周纜風繩錨固，避免腳手架的變形、傾倒。

第二，鉆機就位，鉆孔。根據斜坡測量孔位，精確地固定和安裝鉆機，嚴格調整位置，保證錨桿開鉆到位，鉆孔必須干燥，嚴禁使用水鉆，以保證邊坡巖體性能被破壞。

第三，采用高壓的通風方式。在達到設計孔深后，不得馬上停止，需穩定鉆孔1～2min，再用高壓風管對鉆孔進行清洞，通過驗收后方可進行下一階段的施工。

第四，錨索的制作，驗收和安裝。錨桿必須集中在鋼筋預埋場集中處理，然后將其運送到工地儲存。在安裝錨桿之前，要保證鋼筋的平直，除銹、除油污，并涂上防銹劑，仔細檢查錨孔號碼，確定正確后再用高壓風洞進行清理，然后手工把錨桿緩緩插入孔中。

第五，制作泥漿和灌漿。采用M30 水泥砂漿填充錨桿，采用0.4～0.45的水灰比、1∶1 的灰砂比、30MPa 的混凝土強度。采用自孔底部向孔內灌漿的方法，灌漿壓力不得小于0.3MPa，且與錨索拉伸試驗結果相符；灌漿管在距離孔底300～500mm 的位置，由下往上不斷注入泥漿，然后緩慢地將灌漿管抽出。

第六，框架梁挖槽。在此基礎上，對卸載框架進行定位，進行人工開挖，并將地基中的土壤進行加固。采用手工搭設鋼筋籠，并將其加固，在變形縫部位的拱形鋼筋必須斷裂。在鋼筋安裝完畢并通過驗收后，才可以進行模板的安裝。

第七，鋼筋和模板的安裝。模板安裝完畢后，應重新核對框格尺寸，鋼筋排列位置、數量和間距，鋼筋綁扎是否牢固，并請監理工程師進行框格混凝土的澆筑。

第八，澆筑水泥。框架和斜支臺應該同時澆筑，還要將錨桿和錨桿同時進行安裝和澆筑。澆筑混凝土時必須連續進行，并在澆筑的同時進行振搗。

第九，混凝土的養護。每次施工完畢，在混凝土初凝后按時間進行覆蓋，并進行澆灌養護。覆蓋養護7 天，在框架鋼筋混凝土強度大于80% 時，才能進行張拉。

4 結語

在爆破荷載作用下，側向淺埋偏心段地面振動速度最大；自成洞區在掘進過程中，從開挖走向到非開挖區域，其表面振動速度有逐漸減小的趨勢。隧道開挖爆破振動的變化與隧道斷面尺寸、埋深、施工方法、地形地質等因素有很大關系。合理地選取挖溝的構造方式，由大楔形挖溝改為多級小楔形挖槽，降低了不同掏槽的藥量和巖體的夾持力，提高了爆破的震動和掏槽的爆破效果。根據淺埋偏壓巷道的特征及巖體的賦存情況，合理安排掏槽部位，能有效地降低開挖孔洞爆破對巷道偏壓區的振動效應，并能控制圍巖在薄弱部位的破壞。將振動監測、拱頂沉降、洞周收斂等技術相結合，并對隧道內不敏感地段進行實驗研究、綜合監測以及優化，使其在一定程度上減小了爆破振動，并確保了最大的循環進尺。