淺埋隧道孔內外對稱起爆控爆技術研究

宋鑫華，吳 港，姜殿科，李 成，閆鴻浩

(1.大連理工大學工程力學系,遼寧 大連 116024; 2.國網遼寧省電力有限公司大連供電公司,遼寧 大連 116000)

隨著中國城市化進程的快速發展，地下空間的開發成為大城市建設的新趨勢。城市設施、交通等地下空間工程不斷興起，目前發展的地下工程的施工方法有明挖法、半明挖法、盾構法和鉆爆法等[1]。其中鉆爆法因其低成本、高效等優勢在地下空間工程中被廣泛采用。然而在城市淺埋隧道工程中，鉆爆法會引發爆破振動效應，影響到掘進效率、隧道支護工程和爆破質量，甚至對地表建筑物的穩定性造成一定程度的影響[2]。所以如何控制爆破振動來減少爆破危害，對于城市淺埋隧道具有重要的工程實踐價值。

根據國內外專家學者的研究成果表明，控制爆破振動效應的方法可通過3種途徑實現，分別為爆源、爆破地震波傳播過程、臨近建筑物的加固保護[3]。工程中主要以降低爆源來減弱爆破振動效應為主，黃勇軍等[4]從布孔、孔深、用藥量、雷管選擇、安全措施等方面對高速公路尾礦庫區施工的爆破進行控制。龔敏等[5]用普通爆破器材進行振速精確控制的爆破技術和參數確定方法對密集建筑物下隧道開挖爆破進行控制。胡葵[6]通過優化爆破設計,綜合采取多種安全有效、經濟環保的防護措施,成功將爆破施工過程中的安全危害(爆破振動、飛石、有害氣體、外來電流等)和環境危害(爆破噪音、粉塵等)控制在許可范圍內;同時,運用LS-DYNA模擬巖石破碎效果,成功控制了大塊率。袁文華等[7]針對煤礦硬巖巷道掘進掏槽效果差、炮孔利用率低的難題,采用混凝土作為相似材料進行不同掏槽方式的模型試驗研究。Shi X Z 等[8]將EMD識別法應用于紫金山露天礦延時爆破延時時間識別，為降低爆破振動和爆破大塊率，以識別結果為依據對爆破參數進行了優化。陳士海等[9]依托單段實測爆破振動信號，借助Matlab軟件編程，分析了特性各異的子信號在不同延時時間下疊加信號的時頻特征，通過引入“降幅率”和“振速比例”的概念，提出了延時爆破疊加信號各特性隨延時時間、起爆順序及子信號特性的變化規律。

從以上的研究可知，控制爆破振動效應的方法很多，且都能夠達到安全規程的要求。但對于城市淺埋隧道這種特定復雜環境下的爆破，如何設計一套科學、低成本、高效的控爆技術在工程實用中具有重要的價值。筆者以大連市恒隆廣場地下隧道掘進工程為背景，設計了一套基于孔內外對稱分布的延時控爆技術的方法。

1 爆破設計

1.1 工程背景

工程地質特征，強風化板巖：黃褐灰褐色,變余泥質結構,板狀構造,主要巖石成分為黏土,節理裂隙發育,巖芯呈碎片狀、碎塊狀和薄餅狀，沖擊鉆進困難,遇水易崩解。中風化板巖:灰黃、灰色,變余泥質結構,板狀構造,層理和節理裂隙發育,主要成分為黏土,局部夾石英巖脈,巖芯呈餅狀、短柱狀。

從爆破周邊環境看，需要保護的對象有：①燃氣、給水、排水、熱力、電信和電力管線；②既有地鐵2號線長春路站；③奧林匹克地下商場；④星海商城；⑤既有車站出入口；⑥大連測繪院區域。其地下通道平面和爆破監測布點如圖1所示。

圖1 恒隆廣場地下通道平面和爆破監測布點Fig.1 Underground floor plan and blasting monitor point of Hang Lung Plaza

綜合分析得到此橫通道的顯著特征：頂埋深較淺，覆土4.9～6.8 m，屬淺埋暗挖區間；圍巖等級差，橫通道處圍巖等級為VI級；橫通道拱頂位于強風化巖層中，下部位于中風化巖層中；爆破振動控制嚴格，應減少對巖體完整性的破壞。為安全起見，結合《爆破安全規程》[10]的振動控制標準，配合爆破振動監測，控制不同爆破距離下的爆破振動大小、調整爆破參數。

1.2 方案設計

施工橫通道的截面高9.4 m，寬5.1 m，計劃開挖7.6 m(見圖2)。鑒于橫通道上面的馬路，以及周邊商場、地下管線等情況，需要控制其爆破振動效應，保障上部馬路和周邊建筑物的安全穩定。由于內部空間限制，不能用大功率的挖掘機，小的挖掘機開挖該巖層又十分費勁；如果采用常規的爆破工藝，有多次拱頂出現局部塌孔，十分危險；為此提出一種孔內外對稱分布的延時控爆技術，其起爆網路如圖3所示。拱頂布置空孔的同時預留厚度1 m左右的非爆層，考慮圍巖的穩定性，又在隧道掌子面中間部位預留核心土，兩邊對稱分布4排、3列孔。起爆后，由于爆破的作用可以將拱頂及核心部位振松，便于小型挖機開挖。

圖2 橫通道截面尺寸Fig.2 Cross-sectional dimension

注：2、9、11、13表示毫秒雷管段別。圖3 對稱布孔Fig.3 Hole layout with symmetrical distribution

爆破參數：鉆孔深度為0.8 m，孔徑為42 mm，孔距為0.70～0.85 m，總共36個孔。其中拱頂12孔不裝藥，其余每孔裝藥量為0.15 kg，炸藥共計12 kg。孔內雷管使用MS9、MS11、MS13導爆管雷管；用MS2導爆管雷管從下向上逐排起爆，實現單段藥量0.30 kg。爆破每次進尺0.5 m，在此地域只測試了1次。

2 振動監測與分析

采用爆破測振儀[11-13]進行現場爆破振動監測，通過三向速度傳感器將振動信號轉換成電信號儲存于記錄儀內。連接電腦后即可對爆破振動速度、振動頻率及矢量合速度進行顯示。考慮到爆破上方馬路邊上有煤氣管道，且離爆破點最近，重點監測此方位(圖1中的No.01)。

2.1 振動速度分析

爆破振動監測出的x、y、z三軸速度、合速度和頻率如表1所示。測點1和測點2(位于測點1左邊)處測得的振動速度均小于《爆破安全規程》中的關于對民用建筑允許振速1.5～3.0 cm/s[10]。考慮到重要管線在設計時都考慮了抗振指標，另外直埋管線抗振能力較強，所以對大連市區的一些重要管線(83石油管線、煤氣管線)的實際控制爆破振動采取了2個控制值：一般對于一次性爆破振動控制在國標5.0 cm/s；對于長期爆破振動考慮疲勞影響取為2.5 cm/s。從測點1和測點2的振動速度可知，測點1離爆破點比較近，爆破振動效應對測點1處的馬路和煤氣管道影響較大，故而通過孔內外對稱分布延時控爆技術減弱爆破振動效應的影響具有關鍵作用。

表1 測點振動速度監測

2.2 振動波譜分析

測點1離爆破區域最近，水平距離5 m之內，v′為最大振動合速度。測點速度如圖4所示，從3個分速度圖中可以看出爆破共分3個階段，第1個階段在0～300 ms，第2個階段在300～600 ms，第3個階段在600～900 ms。從圖4d可知，其最大合速度為4.846 cm/s，速度控制在國標5.0 cm/s之內。對測點1的振動合速度vz進行快速傅里葉分析[14]，速度波譜如圖5所示。從圖5中的波譜中可知爆區速度波子波較密集，相互疊加干擾現象顯著，峰值速度較小。從圖5可知測點1的主頻率在40～100 Hz之間，最高峰值頻率為47 Hz，頻域寬、高頻成分多，表明設計的孔內外對稱分布延時控爆方法可以提升主頻范圍，降低對周圍建筑物的影響。

圖4 測點速度Fig.4 Velocity of the measurement point

圖5 測點z方向的傅里葉振動頻譜Fig.5 Fourier vibration spectrum of measuring point of z direction

2.3 振動特征分析

因為現場監測的爆破振動信號是速度與時間的線性表達式[9]，故而可通過單段波形在不同延時時刻共同疊加作用的結果來表達，其表達式為

(1)

式中：s(T﹡)為全局坐標系監測點質點的運動速度，cm/s；T﹡為全局坐標時間，s；Ai為第i段炸藥的藥量振動系數；si(t-ti)為局部坐標系下第i段炸藥在測點產生的質點運動速度，cm/s；ti為局部坐標系第i段炸藥從起爆到振動波傳至監測點所耗費的時間，s；n為段數；Ti為全局坐標下第i段炸藥起爆時刻，s；δ(Ti)為分段函數，其取值為

(2)

利用導爆管雷管的毫秒延時功能，發明的孔內外對稱分布延時控爆方法，可以通過MS2、MS9、MS11、MS13共4種導爆管雷管進行控制爆破的合理延時時間，使得3段信號的振動特性相近，降低振動效應顯著。其中爆破振動速度圖譜表明其疊加信號的主頻隨著爆破延時時間不同呈現鋸齒形跳躍的變化，并集中在以被疊加子信號的主頻為主的3個頻率上。

3 結論

1)從地面測得的振動合速度4.846 cm/s, 測的主頻率在40～100 Hz之間，振動主頻47 Hz。頻域寬、高頻成分多，表明設計的孔內外對稱分布延時控爆方法可以提升主頻范圍，降低對周圍建筑物的影響。

2)孔內外對稱分布延時控爆方法，可以控制爆破的合理延時時間，使得3段信號的振動特性相近，降低振動效應顯著。