海底隧道低振動、精細化爆破施工的控制技術(shù)研究*

冀大禹

(中鐵十八局集團第一工程有限公司,072750,涿州∥高級工程師)

隨著我國海底隧道交通的快速發(fā)展,如何快速、安全地進行隧道施工已成為重點關(guān)注的問題。盡管可采取的施工措施眾多[1],如增加炮眼數(shù)量、少裝炸藥、隔孔裝藥及采用普通非電毫秒雷管分段起爆等[2],但隧道爆破作業(yè)仍難免會對周圍建筑物產(chǎn)生振動危害。眾多學者對爆破振動施工進行了研究[3-5]。如何減少振動及爆破控制的振動速率(以下簡稱“振速”),是目前隧道爆破工程施工的技術(shù)難點[6]。

本文以廈門某海底隧道爆破工程為背景,基于該工程采用的低振動、精細化爆破控制關(guān)鍵技術(shù),對施工過程中安全風險防控、減振措施、開挖工法、炮眼布設(shè)、數(shù)碼電子雷管使用及自動化爆破監(jiān)測等方面進行了創(chuàng)新,總結(jié)了精細化爆破控制的成功經(jīng)驗,以期為類似工程隧道爆破開挖提供技術(shù)支撐及理論參考。

1 工程概況

圖1為廈門市某海底隧道主線下穿城市主干道時與鄰近建筑物周邊環(huán)境位置關(guān)系圖,其中,鴻圖苑小區(qū)與右線隧道的距離僅6 m。鴻圖苑為1994年建成的七層磚混結(jié)構(gòu),地基采用樁基礎(chǔ)。

該海底隧道屬淺埋暗挖隧道,施工段鄰近老舊建筑物,爆破開挖等級為復雜環(huán)境城鎮(zhèn)爆破B級。尤其是鴻圖苑,該小區(qū)北面沿右線隧道段的爆破深度為23～25 m,起爆點與房屋的最小水平距離僅為6.0 m,因此,工程前期需對鴻圖苑進行爆破安全性評估,并在此基礎(chǔ)上提出有效的施工保護和控制措施。

2 工程周邊環(huán)境的爆破安全性評估

2.1 爆破安全性評估方法

施工前,應(yīng)先對鄰近敏感建筑物進行安全性評估,以初步判定該建筑物可承受的爆破振速值及周邊居民可接受的爆破振動感受范圍。在前期非爆破控制施工期間對爆破監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行了監(jiān)測,得到爆破振速同起爆點與爆破監(jiān)測點距離的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知:起爆點與爆破監(jiān)測點的距離從124.99 m減至31.75 m時,爆破振速由0.109 cm/s增至0.698 cm/s,此時的爆破振速已超過了周邊居民可接受的爆破振動感受范圍。

圖2 爆破振速同起爆點與爆破監(jiān)測點距離的關(guān)系

2.2 爆破振動強度預測

開挖爆破時,決定爆破振動強度的因素有很多,其主要影響因素是爆藥量和爆心距。采用M.A.薩道夫斯基的振動最大速度經(jīng)驗公式來預測爆破振動強度,其計算式為:

(1)

(2)

式中:

v——地面質(zhì)點峰值振速;

Q——爆藥量,延時爆破時取最大段的爆藥量;

R——爆破點與爆破監(jiān)測點的距離;

K——場地系數(shù);

α——衰減系數(shù)。

該海底隧道地處質(zhì)地堅硬的中風化花崗巖內(nèi),根據(jù)工程經(jīng)驗,選用K=150.000、α=1.500。鴻圖苑屬一般民用建筑物,根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定,其控制振速為2.0 cm/s。鴻圖苑的樁基為大體積混凝土結(jié)構(gòu),設(shè)計中控制振速驗算取抗震齡期最長的最小值(7.0 cm/s)的一半,即3.5 cm/s進行計算。選取5個爆破監(jiān)測點,基于式(1)和式(2)對最大段的起爆藥量進行核算,其結(jié)果如表1所示。由表1可知:前期爆破施工中,實測振速值小于計算振速值。

式(1)兩邊取對數(shù),可得:

(3)

y=k+αx

(4)

由最小二乘法可得線性回歸方程y=1.265 8x+1.822 7,由此可知本工程地質(zhì)與地形條件下的K=66.481、α=1.266。經(jīng)比對分析可得出結(jié)論:本次線性回歸計算所得的K值和α值是合理的。

當取K=66.481、α=1.266時,根據(jù)式(2)對左線隧道和右線隧道最大段的爆藥量進行核算。結(jié)合爆破工程的安全風險評估要求,對鴻圖苑小區(qū)的房屋進行逐層、逐戶排查,并監(jiān)測爆破數(shù)據(jù)。由此得到鴻圖苑小區(qū)房屋安全性評估的預測結(jié)果為:該小區(qū)房屋主體結(jié)構(gòu)安全、可控。

3 低振動、精細化爆破控制施工的關(guān)鍵技術(shù)

由上文可知,0.698 cm/s的爆破振速引起的振動已超過了周邊居民可接受范圍,且考慮到施工區(qū)域周邊建筑物老舊,該工程采用低振動、精細化的爆破控制技術(shù),以盡可能減少爆破振動的影響。

3.1 爆破控制施工原理

結(jié)合施工區(qū)域圍巖地層的具體情況,本文選擇上臺階CD(中隔壁)法進行開挖,采取上臺階左右導洞分步實施、左右導洞內(nèi)設(shè)超前導洞(先掏心再壓頂)、超前中管棚減振、設(shè)減振孔、周邊眼加密、電子雷管單孔單響、爆破控制進尺、控制單孔裝藥量等施工工藝。

此外,該工程還采用了自動化監(jiān)測手段,做到一炮一測、一炮一總結(jié)。在周邊建筑布設(shè)傳感器,用以收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。爆破測試先在試驗段內(nèi)實施,在分析爆破控制效果和不斷優(yōu)化爆破參數(shù)后,確定一個安全且居民可接受的爆破振速值。施工時,應(yīng)嚴格按要求實施爆破作業(yè)。

3.2 爆破施工流程

該海底隧道低振動、精細化的爆破施工流程如圖3所示。

4 爆破控制的施工工藝

通過大量調(diào)研與方案研究,本工程確定采用上臺階CD法開挖、左右線導洞分步實施、導洞內(nèi)設(shè)超前導洞、先掏心再壓頂、創(chuàng)造臨空面等爆破控制施工方法。具體的施工工藝如下:

1) 在離敏感建筑物距離相對較遠的區(qū)段設(shè)試驗段,先在試驗段內(nèi)開展爆破控制測試,以模擬鄰近敏感建筑物的爆破反應(yīng)。對采集得到的試驗段數(shù)據(jù)進行分析,在通過敏感建筑物的安全性評估后進一步改進爆破工藝及其參數(shù)。隨后再開始其他區(qū)段的施工。

2) 采用上臺階CD法開挖,其支護參數(shù)分別為:①在隧道拱部設(shè)長為120 cm、間距為60 cm的中空注漿錨桿;②在仰拱處設(shè)φ8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格大小為20 cm×20 cm;③在仰拱處設(shè)20b工字鋼(間距為60 cm);④在仰拱處設(shè)50 cm厚的C50鋼筋混凝土二次襯砌;⑤在仰拱處設(shè)28 cm厚的C25噴射混凝土;⑥在仰拱處設(shè)20b工字鋼(間距60 cm);⑦在仰拱處澆筑55 cm 厚的C50鋼筋混凝土。

3) 上臺階CD法臨時支撐采用I20b工字鋼(間距為60 cm),設(shè)置22 cm噴射混凝土;上臺階左右導洞分步實施,左右導洞內(nèi)分別設(shè)置4.5 m(寬)×3.5 m(高)的城門洞超前導洞,并在其中部設(shè)置2排φ100 mm的中空減振孔。減振孔的層距為0.3 m,排距為0.5 m,孔深與管棚長度一致。

4) 開挖前打設(shè)φ76 mm(間距為6.0 mm)、長度為13.2 m的中管棚,其環(huán)向間距為40 cm,空管不注漿,并兼顧超前支護和減振要求;在周邊眼內(nèi)側(cè)的輔助眼位置上打設(shè)8個φ90 mm(間距為1.1 m)的減振孔。在上臺階CD法豎撐位置打設(shè)6個φ90 mm(間距為1.0 m)的減振孔,其孔深均與管棚長度一致。

5) 周邊眼間距≤40 cm;電子雷管單孔單響;爆破控制進尺措施為超前導洞連續(xù)進2次,再一次性壓頂,總進尺≤4榀鋼架間距;單孔爆藥量≤1.2 kg;嚴格按一炮一測要求實施爆破。

為模擬鄰近敏感建筑物的爆破反應(yīng),在隧道左右側(cè)6 m沿隧道方向布設(shè)自動化爆破監(jiān)測點,如圖4所示,監(jiān)測點間距為10 m,左右側(cè)均布置4個監(jiān)測點,用以采集試驗段監(jiān)測點的爆破振速數(shù)據(jù)。

圖4 隧道左右側(cè)自動化爆破監(jiān)測點布置圖

圖5為對左線導洞掏心-壓頂爆破振速監(jiān)測67次、對右線導洞掏心-壓頂爆破振速監(jiān)測50次后得到的監(jiān)測點爆破振速。為了清晰地看出左右線導洞監(jiān)測點爆破振速的分布,繪制了3條橫線,將爆破振速區(qū)分開來。由圖5可知:左線導洞約94%的監(jiān)測點的爆破振速在0.3 cm/s以下,遠小于GB 6722—2014的規(guī)定值(2.0 cm/s);右線導洞約86%的監(jiān)測點的爆破振速在0.3 cm/s以下,遠小于2.0 cm/s。因此,本文所述的隧道低振動、精細化爆破控制技術(shù)能大幅度降低爆破產(chǎn)生的振動,爆破速率大幅下降,減振效果良好,且對周邊建筑物的影響較小。

圖5 左右線導洞內(nèi)各監(jiān)測點的爆破振速實測值

5 結(jié)語

本工程基于廈門某海底隧道的爆破施工項目,對工程周邊敏感建筑物采取的低振動、精細化爆破控制施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,并結(jié)合爆破振動實測數(shù)據(jù)對爆破控制效果進行了分析,結(jié)論如下:

1) 本工程對鄰近敏感建筑物硬巖段采用了上臺階CD法開挖、上臺階左右導洞分步實施、左右導洞內(nèi)設(shè)超前導洞、超前中管棚減振、設(shè)減振孔、周邊眼加密、電子雷管單孔單響、爆破控制進尺、控制單孔裝藥量等施工措施。經(jīng)實測驗證,這些施工措施能大幅降低了爆破振速,極大地減少對鄰近建(構(gòu))筑物的損傷及對周邊居民的影響,實現(xiàn)了無感爆破和綠色環(huán)保施工。

2) 本工程減少了對周邊圍巖的損傷,光面爆破質(zhì)量和爆破后圍巖的自承能力得以進一步提高,這既減少了隧道拱頂局部圍巖掉塊的可能性,也提升了隧道開挖操作環(huán)境的安全性。采取縮短電子雷管延期時間、在底板孔設(shè)雙雷管等措施后,該工程施工中減少了盲炮數(shù)量,降低了電子雷管拒爆率,提高了雷管的安全使用度。