增建隧道平導擴挖對鄰近既有隧道的爆破振動測試分析

摘" 要：既有隧道進口平導為有軌運輸小斷面，考慮增建二線后防災救援及排水，需擴挖增大斷面。通過理論分析、現場驗證和最優化等方法，在工程地質特征分析的基礎上，對實際情況進行測試和分析，進而提出增建隧道平導擴挖控制爆破利用已有爆破臨空面的優勢條件，選用高段位毫秒雷管點火延時的分散性，減少單響爆破用量，充分發揮精確延時錯峰減震的技術。實踐表明，按照提出的隧道擴挖控制爆破方案進行施工，取得顯著的效果，可以保證隧道正常施工和人員安全，既有鐵路安全運營，為工程順利施工奠定堅實的基礎，同時也為礦山、公路、鐵路、市政，以及其他類似隧道工程爆破提供很好的參考。

關鍵詞：隧道;爆破;振動影響;既有線現場測試;工程難點

中圖分類號：U455.6" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2024）09-0170-05

Abstract： Since the entrance of the existing tunnel is guided by a small cross-section of rail transportation， considering the construction of the second line after disaster prevention， rescue and drainage， it is necessary to expand the cross-section. Through the methods of theoretical analysis， field verification and optimization， the actual situation is tested and analyzed on the basis of the analysis of engineering geological characteristics. Furthermore， the advantage conditions of controlled blasting for horizontal guide and expansion excavation of additional tunnel are put forward， the dispersion of ignition delay of high position millisecond detonator is selected， the amount of single blasting is reduced， and the technology of accurate time delay and peak reduction is brought into full play. The construction according to the proposed tunnel expansion and excavation controlled blasting scheme has achieved remarkable results， which can ensure the normal construction of the tunnel and the safety of personnel， and the safe operation of the existing railway has laid a solid foundation for the smooth construction of the project， and meanwhile provides a good reference for blasting in mines， highways， railways， municipal and other similar tunnel projects.

Keywords： tunnel; blasting; vibration impact; on site testing of existing lines; engineering difficulties

在鄰近既有隧道施工新隧道的項目中，如何有效控制爆破保證既有隧道行車和人員安全非常重要。為了使新建隧道爆破開挖施工時對既有隧道產生較小影響，需要在爆破振動控制方面不斷進行完善，本文提出的隧道擴挖控制爆破施工，為既有隧道安全運營和新建隧道順利施工提供有效保障。

1" 工程難點分析

1.1" 小間距并行爆破作業環境復雜

增建隧道對應的既有隧道間距約40～50 m，在新建隧道與既有隧道之間，存在一段平導，其長度達到1 900 m。該平導與新建隧道之間的距離為30 m，而與既有隧道的距離則在12～20 m（如圖1所示）。本文將探討對既有平導進行擴挖和改造的必要性。該平導作為有軌運輸小道的一部分，其斷面尺寸為3.0 m×3.26 m（寬度×高度）。然而，為了滿足日益增長的排水及防災救援需求，增建二線后，該平導需要被重新利用。因此，需要將既有平導進行擴挖，以增加其凈空尺寸。具體而言，將寬度增加至5 m，高度增加至6 m。這樣的改造將有望提升該平導在應對未來可能發生的自然災害中的能力，從而確保當地社區的安全，擴挖后與既有隧道最小凈間距僅5.69 m，對爆破作業要求非常高。

1.2" 地質構造復雜

隧道穿越地層為第四系全新統坡殘積（Q4dl+el）碎石土、奧陶系下統大灣組（O1d）頁巖夾灰巖、寒武系上統毛田組（E3m）白云質灰巖，不良地質主要有巖溶、危巖落石，隧道穿越區節理發育，巖體多被切割成塊狀，隧道主要穿越學堂板向斜，山體正斷層和勝地壩逆斷層，地下水豐富，隧道最大涌水量達36 000 m3/d，因此，平導擴挖修建有極大風險。

1.3" 工程主體病害復雜

自2013年12月28日以來，該隧道已經開始投入運營。在大部分平導洞身所經地區，面臨的地質條件是水平巖層富含溶洞，這給施工帶來了很大的挑戰。最初的設計中，85%的段落采用了錨網噴結構，這是一種相對先進和有效的施工方法，能夠提供較好的支護效果。然而，在某些地段出現了垮塌現象，這可能是由于多種原因導致的。首先，水平巖層的穩定性可能較差，富含溶洞的地質條件也可能增加施工難度。其次，錨網噴結構可能在這些特殊的地質條件下無法提供足夠的支撐力，導致洞身垮塌。襯砌混凝土出現漲裂和外鼓可能是由多種原因導致的，如混凝土收縮裂縫、溫度應力、基巖面不平整、施工荷載過大及地下水壓力等，針對襯砌混凝土漲裂和外鼓的問題，需要分析具體原因并采取相應的處理措施。在處理過程中，應考慮到現場實際情況和工程要求，以確保襯砌結構的安全和穩定。在運營的隧道正洞中，也觀察到襯砌部分出現了不規則的裂紋、混凝土剝離脫落現象及隧道施工中可能存在的遺留病害等。平導擴挖對平導本身及既有隧道的穩定性影響大，爆破施工安全風險高。

1.4" 爆破振動對圍巖及結構穩定性影響復雜

因新老隧道間距離較小，新線路的開挖施工將不可避免地對老隧道的圍巖穩定及結構安全產生極大影響。利用山嶺隧道鉆爆施工技術進行爆破作業時，產生的動力振動會對既有運營老隧道的圍巖穩定性和結構安全性產生影響。這種影響可能帶來一系列的問題，例如圍巖松動、掉塊，甚至可能導致隧道結構的破壞。因既有老隧道存在的建筑界限內空，施工中經常出現爆破振動空洞效應，當鄰近新建隧道開挖爆破振動傳播至空洞位置或區段時會有局部放大效應，其對既有隧道的圍巖穩定與結構安全將會加劇。然而，這種爆破振動特別是空洞效應的影響程度到底有多大，尤其是當老隧道有可能存在從外觀上不能確定或發現的諸如襯砌劣化等病害情況時，爆破中產生的振動和沖擊，是否會引起安全事件或潛在風險，影響現有隧道的穩定性并導致災難性后果，這一點尚不明確。

針對增建隧道平導擴挖以及既有老隧道的具體地質和斷面條件，結合開挖和爆破施工方案，對爆破振動引起既有隧道的動力響應進行分析，據此為后續降低爆破振動的隧道施工控制技術奠定基礎，也可為此類風險性較高的隧道設計與施工提供一定的借鑒和參考。

2" 擴挖平導與既有隧道病害調查分析

在施工前對既有隧道和平導的病害采取了無損檢測和徒步聯合調查，并查閱了相關竣工文件資料。主要調查內容包括隧道襯砌裂紋、脫空、滲水、掉塊和供電設備完好情況等，施工期間針對性采取措施，并加強監控，確保施工和既有隧道結構及運營安全。

3" 平導擴挖控制爆破施工方案分析

受既有平導圍巖堅硬以及斷面尺寸小的限制，控制爆破施工技術在交通隧道擴挖中的應用。根據相關規范，交通隧道爆破施工中，允許的振動安全標準為10～20 cm/s[1]。為了實現這一目標，采用了低猛度、低爆速炸藥，非電導爆管雷管毫秒延遲起爆技術，不耦合空氣柱間斷裝藥技術，這些措施能夠有效地降低爆破振速。

本方案為擴挖控制爆破，擴挖控制爆破是一種在已有臨空面條件下，通過精確控制爆破方向和裝藥量，實現減少對周邊環境影響的爆破作業方式，選用高段位毫秒雷管點火延時的分散性，減少單響爆破用量，充分發揮精確延時錯峰減震的技術降低爆破振動影響。

3.1" 爆破參數設計

爆破參數設計結果見表1。

3.2" 爆破施工設計

爆破作業面上，布置了65個炮孔，其中33個輔助眼、32個周邊眼。采用了不同段位的雷管，包括3、5、9、13、15和17段，來實現孔內微差延時爆破?？傃b藥量為64.5 kg，單孔最大裝藥量為1.2 kg。單響藥量范圍為3.6～15.3 kg。起爆過程以最小藥量開始，隨著臨空面的逐步加大，適當地增加了起爆藥量。圖2展示了具體的炮孔布置和起爆網路。

4" 爆破振動測試方案

4.1" 振動判據分析

爆破振動頻率的預測研究中，目前大多以定性分析為主，速度-頻率相關的安全判據在考慮爆破振動持續時間和結構本身的影響方面存在不足，這種判據僅僅是相對獨立閾值理論的延伸?，F代工程爆破研究顯示，長時間持續的振動可能會導致結構體的材料疲勞、磨損和失效，從而對結構的安全性和穩定性產生不利影響[2-3]。結構體在爆破振動作用下，一旦其振動頻率與固有頻率接近，就容易導致共振現象的發生。這種共振可能會導致結構體在振動速度尚未達到安全閾值時就已經遭受破壞。為防止共振產生的危害，結合地下構筑物的固有頻率較低[4]，則爆破振動測試方案選取高頻振動為主。

4.2" 測試方法與量測系統

4.2.1" 測試方法

將振動速度指標作為爆破振動是否安全的判斷條件，目前學者們看法不一。美國礦業局規定的破壞判據僅要求采用3個分量中的最大一個。Northwood則認為，水平橫向分量對爆破振動分析的作用不大。日本礦業會爆破振動研究委員會指出原則上應同時測定3個分量，當比較不同地點振動的衰減時，僅測量1個分量也是可行的;當測量結構物的振動時，可僅測量影響最大的1個分量[5]。我國爆破安全規程對這一問題也未做明確規定，在實施過程中，參考爆破振動測試方法[6-7]，對3個方向矢量均進行測量，并分別分析影響程度。

4.2.2" 巖體質點振動速度測量系統

為了深入研究爆破引起的振動影響，本研究采用了經過專業設計的SD-1型振動速度傳感器作為振動拾取裝置，同時采用了EXP4850型爆破振動分析儀進行各測量點振動信號的記錄。該分析儀具有3個獨立的測試通道（CH1、CH2和CH3），可以分別對X方向（平行于隧道邊墻）、Y方向（垂直于隧道邊墻）及Z方向（垂直于隧道邊溝蓋板）的振動數據進行精確測試。此外，通過RD263串行接口，可將收集到的振動數據便捷地傳輸到電腦軟件中，以進行波形解析與深入分析。這種方法能夠準確地獲取爆破振動信號的時域波形和頻域波形，為研究爆破振動對周圍環境的影響提供了重要的參考依據。

4.2.3" 測試方案

參考爆破振動測試技術[8-9]，按監測方案確定原則并根據既有隧道的實際狀況布置相關測點，在爆破施工過程時分別進行測試并分析。具體如下。

1）據地震波傳播規律，爆源附近區域普遍受到較大的振動影響，尤其在爆源附近的地域，其爆破振動更為顯著。所以，測試爆破振動時，在既有隧道靠近爆破側布置較多點，遠離爆破側測點可相對較少。

2）當施工工法變換段要求每次放炮時均要進行爆破震動測試，并將震動速度上報。如采用分部開挖時，則掌子面要分別對應測試爆破振動。

為了對爆破振動效應能夠深入地進行研究，保證隧道爆破施工整體處于安全范圍，將爆破產生的危害控制在劃定的危險區域以內，在爆破振動效應比較顯著的地方，必須要布置監測點[10-11]。在擴挖爆破過程中，要將爆破振動傳感器裝置在老隧道相同斷面處靠近爆破側面墻水溝部位，并且每隔10 m布置2組檢測點以進行全面的監測，監測范圍在40 m左右。將多個傳感器布置在相同的檢測點上，實現從水平、垂直及豎向3個方向對振動速度進行測量。其中傳感器的Y方向為垂直隧道邊墻方向，Z方向為豎直于隧道邊溝蓋板方向，具體如圖3、圖4所示。

5" 結果與分析

5.1" 爆破效果

爆破方案確定后，爆破振速被限制在2.5 cm/s以內。這個振速標準是爆破作業中的一項重要指標，其表示爆破引起的振動速度被控制在較低的水平，從而減少對周邊圍巖的破壞影響。對于既有隧道襯砌的微小裂紋，沒有發現其發展。由此可認為，振速得到了有效控制。此外，由圖5可知，光爆效果優良，實現了擴挖的順利進行以及新老隧道結構穩定和安全的目標。

5.2" 爆破振動測試結果及分析

結合爆破振動理論[12-13]，采集x、y和z每段波形數據見表2，典型波形如圖6至圖8所示。

按振動波形經處理獲得的振動數據見表3。

從前述圖表中可知，在水平距離爆區較近的測點位置，垂直隧道邊墻的Y方向質點峰值振動速度明顯高于平行隧道邊墻的X方向和豎直于隧道邊溝蓋板的Z方向峰值振動速度。這意味著在爆破產生的振動中，Y方向的振動速度較強，可能會對隧道邊墻造成較大的影響。然而，也需要注意到，在某些情況下，Z方向的峰值振動速度可能與Y方向的峰值振動速度接近或更大。這表明Z方向的振動速度也是不可忽略的重要因素。

6" 結論

1）在鄰近現有設施的擴挖控制爆破作業中，借助高精度毫秒延時雷管點火延時的分散性，成功地減少了單次爆破的炸藥使用量。這一舉措顯著降低了爆破振動的影響，實現了近距離爆破振動速度控制在2.5 cm/s以內。這一成果不僅提高了爆破作業的安全性，也有助于保護周邊環境和設施。

2）還可以采用預裂爆破、減震孔、間隔裝藥結構緩沖爆破法等其他有效減震措施，以達到更低的震動效果，需要進一步研究減少工序時間及提高整體功效問題。

3）部分實測震速接近2.5 cm/s，在施工期間應加強對地質條件和既有結構病害的調查確認，特殊情況時可選擇分部爆破法進一步降低爆破振速，確保結構安全。

4）精準延時爆破錯峰減震及其在波峰與波谷疊加干擾降振技術中的潛在應用，亟待進一步發掘和研究。

參考文獻：

[1] 孟海利.隧道分區爆破振動傳播規律試驗研究[J].鐵道建筑，2015（4）：50-54.

[2] 李軍，呂婧，劉瑞.新建隧道施工對近距離既有線隧道的影響及安全風險評估[J].公路與汽運，2017（5）：183-187.

[3] 岳旭光.小凈距隧道爆破施工影響的數值模擬分析研究[J].鐵道建筑技術，2018（4）9-12，22.

[4] 張迪.地鐵隧道精確延時爆破振動傳播規律與控制試驗研究

[D].北京：中國礦業大學，2016.

[5] 周伏虎，甘文忠，向文錦.大型高陡邊坡爆破振動測試與分析[J].四川建筑，2015（10）：85-86，88.

[6] 歐陽建華，李雷斌，吳亮，等.巖質凸形邊坡體爆破質點振動監測與分析[J].爆破，2015（1）：54-56，60.

[7] 周凱.雙洞隧道空間狀態下爆破振動影響及控制研究[J].鐵道建筑技術，2018（4）：104-109.

[8] 劉志波.蓮花山隧道爆破振動效應試驗研究[J].爆破，2020（3）：78-84.

[9] 胡利平.小凈距隧道爆破施工振速規律研究[J].鐵道建筑技術，2019（9）：20-24.

[10] 韓高升.新苔井山隧道平行接近爆破設計及施工研究[J].爆破，2020（2）：48-52.

[11] 孫崔源，張民慶，郭云龍，等.小間距并行隧道施工爆破振動控制技術試驗研究[J].鐵道建筑，2019（1）：51-54.

[12] 于建新，劉煥春，魏海霞，等.鄰近隧道爆破施工相互動力影響研究[J].現代隧道技術，2019（6）：85-92.

[13] 王肖輝，杜鍍，韓超.臺階法隧道掘進爆破時地表及鄰近隧道的振動響應[J].爆破器材，2020（5）：54-58.

作者簡介：楊武濤（1981-），男，工程師。研究方向為現場施工管理。