隧道爆破減震技術(shù)研究

劉俊LIU Jun

（北京建工集團(tuán)（廣州）建設(shè)有限公司，廣州 510000）

0 引言

隧道爆破施工是大型隧道工程中常用的方法之一，然而，爆破振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境和建筑物可能造成不可忽視的影響，甚至可能引發(fā)安全問(wèn)題。因此，研究和開(kāi)發(fā)有效的隧道爆破減震技術(shù)顯得尤為重要。隨著科技的發(fā)展和對(duì)工程安全性要求的提高，各種減震技術(shù)被提出并應(yīng)用于實(shí)際工程中。本文將針對(duì)隧道爆破減震技術(shù)展開(kāi)深入的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證減震技術(shù)的有效性和可行性，為隧道施工提供更加安全、高效的爆破方案。

1 爆破與監(jiān)測(cè)的工程背景和方案

1.1 工程背景

廣州市軌道交通五號(hào)線東延段及同步實(shí)施工程雙崗站～廟頭路站暗挖區(qū)間隧道，為4 線折返，總長(zhǎng)度為273.14m，區(qū)間埋深為16.5～35.3m 之間，穿越地層主要為中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，地下水主要為第四系地層孔隙潛水、基巖裂隙水，局部分布第四系土層上層滯水。

1.2 爆破方案

爆破方案的制定是工程施工中至關(guān)重要的一環(huán)，它需要根據(jù)諸多因素如水文地質(zhì)條件、圍巖等級(jí)等來(lái)進(jìn)行綜合考慮。本工程選用了兩步法進(jìn)行施工，上段單循環(huán)進(jìn)尺為2.4m，下段為3.0m。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的巖石破碎，采用了直徑為40mm 的YT-28 型鑿巖機(jī)。為了保障爆破的效果，炸藥選擇了具備防水性能的RJ-2 型乳化炸藥。在具體的爆破孔組設(shè)計(jì)中，上部爆破孔和凹槽的布置采用了圖1 所示的方案。針對(duì)爆破孔的直徑，周?chē)瓶捉M的直徑為25mm，而其他爆破孔組的直徑為32mm。此外，為了保證爆破效果，爆破孔之間的距離也進(jìn)行了精確的設(shè)計(jì)，包括爆破孔間距為50cm，內(nèi)環(huán)爆破孔間距為120cm，垂直爆破孔間距為20cm，以及底板爆破孔間距為100cm。爆破過(guò)程中使用了普通毫秒起爆工業(yè)8 號(hào)雷管，采用了分段爆破的方式（圖中1－15），共分為1 至15 節(jié)進(jìn)行分段。為了實(shí)現(xiàn)爆破效果的控制，采用了光面爆破技術(shù)，同時(shí)外圍爆破孔采用非耦合裝藥，間隔分量加載的策略也得以應(yīng)用。

圖1 上部爆破孔和凹槽的布置圖

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方案

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方案在工程實(shí)施過(guò)程中具有至關(guān)重要的作用，尤其是在涉及爆破作業(yè)的情況下。合理布置測(cè)量點(diǎn)對(duì)于準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)振動(dòng)傳播以及分析其規(guī)律至關(guān)重要。在進(jìn)行隧道開(kāi)挖工程至DK42+430 段的爆破試驗(yàn)區(qū)時(shí)，一個(gè)科學(xué)合理的監(jiān)控方案得以制定并付諸實(shí)施，其中對(duì)于測(cè)量點(diǎn)的布置進(jìn)行了特別的考慮。

針對(duì)爆破減振的要求，爆破方案需要在保證施工效果的前提下，盡可能減小振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。在實(shí)際操作中，單級(jí)大楔形切割爆破可以取得較好的效果，但同時(shí)也伴隨著炸藥使用量較大和夾巖效應(yīng)較強(qiáng)的問(wèn)題。為了減小振動(dòng)強(qiáng)度，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮減振措施，而這也需要對(duì)減振方案進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與分析。

在減振方案設(shè)計(jì)中，采用多級(jí)切割方案以降低各級(jí)切割的裝藥量，同時(shí)上級(jí)切割的爆破可以為下級(jí)切割提供自由表面，從而減小夾巖效應(yīng)。這種合理的減振方案設(shè)計(jì)有助于在爆破過(guò)程中減小振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

同時(shí)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，測(cè)量點(diǎn)的布置也顯得尤為重要。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將增強(qiáng)型TC-4850 爆破地震儀安裝在工作面前方的中心線上方，分別距離工作面0m、15m、25m、45m 和60m 的位置。這樣的布置方式能夠捕捉到不同距離下振動(dòng)傳播過(guò)程的變化，提供更為全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

這些地震儀具備三個(gè)通道，分別為水平方向的x 和y通道，以及垂直方向的z 通道。這種多通道的設(shè)計(jì)使得地震儀能夠同時(shí)收集來(lái)自不同方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，包括粒子速度、主頻率和持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)的采集有助于更準(zhǔn)確地分析爆破引發(fā)的地震波在多個(gè)方向上傳播的規(guī)律，從而為工程實(shí)施提供更為可靠的數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方案的制定和測(cè)量點(diǎn)的合理布置對(duì)于爆破工程的減振效果和環(huán)境影響有著重要的影響。通過(guò)科學(xué)的方案設(shè)計(jì)和仔細(xì)的測(cè)量點(diǎn)布置，可以更好地控制爆破引起的振動(dòng)影響，保障施工的安全性和環(huán)境可持續(xù)性。

2 爆破減振方案設(shè)計(jì)與分析

單級(jí)大楔形切割爆破效果較好，但由于炸藥數(shù)量較多，夾巖效應(yīng)也較強(qiáng)，導(dǎo)致振動(dòng)強(qiáng)度非常強(qiáng)。因此，為了達(dá)到爆破減震的目的，對(duì)爆破減振方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。

2.1 爆破減振方案

采用多級(jí)切割可以減少各級(jí)切割的裝藥量，且上級(jí)切割爆破可以為下級(jí)切割爆破提供自由表面，大大降低了夾巖效應(yīng)。因此，爆破減振方案如表1 所示。

表1 爆破減振方案技術(shù)方案

多級(jí)復(fù)合楔形切割技術(shù)是一種在爆破領(lǐng)域廣泛采用的方法，它以其出色的減振效果而聞名。然而，采用這種引人注目的方法可能會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。其中之一是在實(shí)際應(yīng)用中，為了達(dá)到預(yù)期的減振效果，可能需要使用1-7 節(jié)雷管，這導(dǎo)致了一個(gè)問(wèn)題：后續(xù)的孔雷管段可能會(huì)出現(xiàn)不足的情況。因此，在采用多級(jí)復(fù)合楔形切割技術(shù)時(shí)，需要仔細(xì)權(quán)衡減振效果和雷管使用量之間的平衡。

預(yù)設(shè)的隔振孔涉及圍繞開(kāi)挖邊界或主爆炸區(qū)鉆出的密集孔。每隔一個(gè)隔振孔就放進(jìn)去一個(gè)鋼管，并且管壁上沒(méi)有開(kāi)口。爆破地震波的傳播特性主要取決于介質(zhì)的波阻抗特性。當(dāng)隧道開(kāi)挖剖面設(shè)置阻尼孔時(shí)，爆破振動(dòng)波到達(dá)阻尼孔時(shí)，由于波阻抗特性的差異，振動(dòng)波會(huì)產(chǎn)生反射和透射。拉伸波將返回爆炸區(qū)，而一部分壓縮波將被傳輸，傳輸波強(qiáng)度將減弱，從而減少了隔離帶后面的振動(dòng)。在切割爆破中，空孔可以為爆破提供自由表面，減少夾巖的產(chǎn)生，增加巖石破碎和膨脹的補(bǔ)償空間，改變局部阻力線，有利于切割效果的實(shí)現(xiàn)。因此，隔振孔可以達(dá)到更好的減振效果。

通過(guò)引入這些爆破減振技術(shù)，將臺(tái)階上的爆破開(kāi)挖區(qū)劃分為6 個(gè)爆破區(qū)。每個(gè)爆破區(qū)均采用外空差速爆破技術(shù)，并采用成堆孔。使用不同的延遲雷管連接外部空氣中的雷管。雷管在空氣外延時(shí)間中的延遲時(shí)間應(yīng)根據(jù)每個(gè)爆破區(qū)差速爆破的延遲時(shí)間計(jì)算確定，以避免重炮現(xiàn)象，導(dǎo)致爆破振動(dòng)過(guò)大。根據(jù)隧道段大小和單循環(huán)穿透深度，劃分了爆破區(qū)，能夠進(jìn)一步優(yōu)化爆破方案，減少對(duì)周?chē)h(huán)境和建筑物的影響，提高施工的安全性和可控性。同時(shí)，也可以針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的措施，以確保爆破施工過(guò)程中的振動(dòng)和震動(dòng)不會(huì)對(duì)周邊建筑物和結(jié)構(gòu)造成損害。

布孔減震技術(shù)能夠在爆破施工過(guò)程中顯著減少振動(dòng)和震動(dòng)的影響，有效保護(hù)周邊環(huán)境和建筑物的安全，同時(shí)提高爆破施工的可控性和效率。這種技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用將為爆破施工提供更可靠的減震解決方案。

2.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

采用隧道區(qū)爆破減振方案后，在爆破控制區(qū)內(nèi)，1 棟建筑距離隧道拱門(mén)垂直方向約32m，距離隧道中線水平方向約47m。采用了TC-4850 監(jiān)測(cè)儀器對(duì)該建筑基礎(chǔ)的顆粒速度進(jìn)行了9 次觀測(cè)。爆破振動(dòng)的時(shí)間歷程曲線如圖2所示。

圖2 爆破振動(dòng)的時(shí)間歷程曲線

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，采用分區(qū)爆破阻尼模型能夠較好地實(shí)現(xiàn)爆破的振動(dòng)控制。最大垂直速度為1.12cm/s，低于振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)值1.2cm/s，比振動(dòng)控制理想值8.0cm/s低了9 倍。爆破最大粒子振動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的頻率主要集中在44.3-86.4Hz 的高頻范圍內(nèi)，與建筑物的固有振動(dòng)頻率相差甚遠(yuǎn)。

從爆破振動(dòng)的時(shí)間歷程曲線可以看出，隨著時(shí)間的變化，爆破振動(dòng)存在許多峰值，但爆破振動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。通過(guò)區(qū)域爆破技術(shù)減少各段炸藥量，交錯(cuò)爆破峰值。隔振孔降低了爆破傳播過(guò)程中爆破振動(dòng)的強(qiáng)度。爆破的最大振動(dòng)仍主要由切割噴砂引起，但由于多級(jí)復(fù)合切割噴砂，切割拋丸引起的振動(dòng)峰值較多。同時(shí)可以看出，第一階段沒(méi)有出現(xiàn)最大峰值，主要是因?yàn)椴捎昧酥行臏\孔領(lǐng)先技術(shù)。

2.3 減震模型爆破信號(hào)的頻譜分析和時(shí)能分析

利用MATLAB 軟件編寫(xiě)了傅里葉變換和功率譜密度程序，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了傅里葉變換并計(jì)算了其功率譜密度。同時(shí)，使用MATLAB 軟件編譯了分析程序，采用db8作為小波函數(shù)，將爆破信號(hào)分析為時(shí)間-能量分布圖，如圖3 所示。

圖3 爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)能分布圖

從爆破振動(dòng)信號(hào)的功率譜密度圖可以看出，爆破振動(dòng)信號(hào)在頻域中分布廣泛，但主要集中在45-70Hz 和110-120Hz 兩個(gè)頻域內(nèi)。在主頻域中出現(xiàn)了多個(gè)主頻，其中在45-70Hz 頻域中出現(xiàn)了一個(gè)非常明顯的凸峰，該峰對(duì)應(yīng)的頻率為55Hz。因此，分區(qū)爆破減振技術(shù)產(chǎn)生的振動(dòng)主要頻率與建筑物的固有頻率相去甚遠(yuǎn)，不會(huì)引起共振現(xiàn)象。

從時(shí)能關(guān)系圖可以看出，采用分區(qū)爆破技術(shù)后爆破振動(dòng)信號(hào)的能量值減小。雖然爆破能量主要來(lái)自切割爆破（0-120ms 周期），但后續(xù)爆破能量值非常小。在爆破能量隨時(shí)間的變化中，有多個(gè)峰值，每個(gè)峰值都表示在炸藥引爆的相應(yīng)時(shí)刻能量的突然變化。與爆破延遲時(shí)間相比，可以發(fā)現(xiàn)能量峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間與爆破雷管延遲時(shí)間一致，說(shuō)明采用分區(qū)爆破技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)爆破能量的延遲釋放，從而減小爆破振動(dòng)的峰值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)隧道爆破減震技術(shù)的探討和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了多級(jí)復(fù)合楔塊技術(shù)、隔振孔技術(shù)、隧道區(qū)爆破減振技術(shù)和布孔減震技術(shù)在減少爆破振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響方面的有效性。通過(guò)頻譜分析和時(shí)能分析，得出了減震方案對(duì)爆破振動(dòng)能量和頻率的有效控制，確保了爆破施工的安全性和高效性。然而，仍有一些挑戰(zhàn)和改進(jìn)空間，如減震技術(shù)在不同地質(zhì)條件下的適用性、施工成本和實(shí)施難度等方面需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。未來(lái)，我們將繼續(xù)致力于隧道爆破減震技術(shù)的研究，不斷完善和優(yōu)化減震方案，為大型隧道工程的安全施工貢獻(xiàn)更多的科研成果。