隧道爆破振動對上部高壓鐵塔的影響分析

孟 琦，邱明燦，薛建峰,李永軍

(1.安徽理工大學化學工程學院， 安徽 淮南市 232001; 2.山西江陽工程爆破有限公司,山西 太原 030041； 3.特種作戰學院， 廣東 廣州 510000)

目前國內外隧道仍然主要采用鉆爆法開挖施工方式。由于高鐵和地鐵的隧道斷面面積大，一般在隧道中采用多斷面分期鉆爆法，造成整個隧道及其周圍的山體多次受到爆破震動的影響。國內外許多學者關于爆破震動的研究表明[1-2]，淺埋隧道地段地表附近建(構)筑物受爆破擾動的影響尤其明顯。假如隧道上部有重要的輸電線路鐵塔時，爆破振動可能導致塔基下沉或傾斜，因此對鐵塔塔基的爆破震動監測與保護尤為重要。本文實測了長湘高速公路李家沖隧道爆破振動峰值，采用塔基“H”型加固及改進施工方法等措施減少隧道爆破對山體上部鐵塔振動的影響，保證了輸電鐵塔基礎不受損害。

1 工程概況

長湘高速公路李家沖隧道位于長沙市西南側岳麓區，長沙端進口洞門位于蓮花鄉華寶村李家沖東南側，距機耕路約200 m，湘潭端出口洞門位于蓮花鄉華寶村江家沖西北側，距機耕路200 m，交通條件較差。隧道左洞長115 m，右洞長180 m，隧道設計采用雙向六車道、設計時速為120 km/h。隧道區地貌屬剝蝕丘陵地貌，山體形態不規則，其山脈為北西走向，洞身橫穿山體鞍部，山坡植被茂密，溝谷發育，地形切割強烈，起伏變化較大，地面高程變化在120～170 m之間。隧道設計凈寬17.5 m，凈高10.8 m，最大埋深位于K147+120處，埋深39 m。李家沖隧道圍巖為板溪群五強溪組變質砂巖，與次級向斜大角度相交通過，斷裂構造不發育，結構面主要為節理、裂隙及層面，巖層走向與洞軸線大角度相交。隧道洞身圍巖級別為Ⅴ級，圍巖穩定性差，工程地質條件較差。根據長湘高速公路李家沖隧道上部高壓鐵塔鑒定報告并按照《爆破安全規程》(GB6722-2011)的相關規定，高壓鐵塔處爆破振速應控制在3.5 cm/s以下，以確保高壓鐵塔的安全[3]。

圖1 施工現場

2 高壓鐵塔加固及隧道施工

爆破減震措施大致有3種：一是針對爆源所采取的控制措施，比如干擾降震法[4]，控制最大段藥量，改變爆破方式及參數[5-6]等；二是針對受控對象所采取的措施，如增加吸震器或改變受震結構的震動響應特性，如果是混凝土結構，還可以在混凝土中添加早強劑；三是針對爆破地震波在傳播過程中所采取的措施，如開挖減震溝槽[7-8]，增加臨空面，減小夾制等。

2.1 高壓鐵塔塔基加固措施

李家沖隧道上方高壓鐵塔共有4個基座，塔基采用“H”形框架梁加固(見圖2)，以提高鐵塔整體的剛度，也使各個塔基的受力更加均勻。在四個塔基之間采用地下連續墻加固措施，即使用挖槽機械，借助泥漿的護壁作用，在塔基處挖出深而窄的溝槽，并在溝槽內澆筑水泥等材料形成一道具有防滲水、檔土和承重功能的連續地下墻體。塔基改造加固歷時12 d，在框架梁強度達到要求后，先開挖距離鐵塔較遠的右洞，后開挖左洞。

圖2 高壓鐵塔塔基“H”型加固結構

2.2 施工方案

爆破施工采用三臺階分布開挖方式。上臺階爆破掌子面預留核心土，保持圍巖的穩定性，減少爆破對圍巖的影響。由于中、下臺階爆破掌子面面積小，自由面多，夾制少，所以對中、下臺階爆破，不必做過多減震措施。

2.2.1 鉆鑿空孔

在掏槽眼附近鉆鑿中心空炮眼，以增加掏槽爆破的臨空面積，減小巖石夾制，空孔深度與掏槽眼深度相通。并且掏槽眼深度比輔助眼深10 cm左右，以減小輔助眼和周邊眼的夾制，降低輔助眼和周邊眼的爆破震動效應，炮眼布置見圖3。

2.2.2 改變鉆爆設計

從鉆爆設計著手進行降震研究，包括調整炮孔起爆順序、改變起爆方式等等，其根本目的都是控制最大段藥量和爆破規模，減小對圍巖和襯砌的損傷。在原有的鉆爆設計中，周邊眼統一用13段雷管引爆，單響藥量比較大，周邊眼爆破對近處襯砌的影響比較大。從控制最大段藥量的角度出發，可以把周邊眼由13段雷管統一引爆改為分開引爆，從兩肩處向拱頂和拱腳處采用5、7、9、11、13段雷管引爆炸藥，把原來同時起爆的周邊眼改為分開延時起爆。經過計算，最大段藥量占總藥量的比例由原來的0.3降低為0.191，這樣的設計使得最大段藥量向低段別轉移，其起爆位置轉移到掌子面靠中心的位置，有助于地震波峰值的衰減(見圖4)。

圖3降震優化后的炮眼布置

注：：圖中數字代表雷管段別

2.2.3 改變上臺階核心土尺寸

有關研究表明，有自由面爆破的震動速度一定比離自由面較遠的夾制爆破產生的震動速度小，而且基本上是離自由面越遠，夾制作用越大，產生的爆破震動越強。因此改善臨空面條件、減小最小抵抗線也能起到降低爆破震動的作用[9]。根據這一原理，可以將核心土的高度增加，拱頂部分的爆破面積會相應減小，爆破藥量也會相應減小，從而起到減小爆破震動的作用。另一方面，核心土爆破具有3個自由面，幾乎沒有夾制作用，產生的爆破震動不大而且只有很少一部分會傳播到襯砌上。因此，增大核心土的比重，將原本屬于爆破掌子面爆破的部分劃分給核心土，在一定程度上可以起到降低爆破震動的作用。

3 爆破振動監測與數據分析

3.1 爆破振動監測

結合測振目的及測點布置基本原則，并在高壓鐵塔4個塔基處布置4個爆破振動監測點。監測采用的儀器為加拿大Instantel公司生產的BlastmateIII爆破振動監測儀。在實施保護措施以后，對鐵塔塔基和隧道內測點進行了七次跟蹤監測，分別對裝藥量、爆點與測試點的距離(簡稱爆心距)、爆破振動速度和振動頻率進行了記錄，監測結果見表1。

3.2 數據分析

(1)采取塔基加固措施及改變施工方案后，實測質點振動速度最大值為2.58 cm/s，在《爆破安全規程》(GB6722-2011)規定的3.5 cm/s范圍之內，即隧道爆破振動對高壓鐵塔的影響被控制在安全范圍之內。

圖4 同一爆源不同測點處質點振速與爆心距關系

(2)表1中2號爆源數據單段最大裝藥量為48 kg，1、2、3、4號測點距爆心距離分別為17，16.5，17.5，18 m，質點振速峰值分別為2.52，2.58，2.40，2.20 cm/s，爆破振速與測點距爆心距離呈反比關系。對比分析其他爆源數據可知：在同一爆源不同測點處，質點峰值爆破振動速度隨監測點距爆心距離減小而增大，如圖4所示。

(3)表1中2、5、6號爆源單段最大藥量均為48 kg，如2號測點爆心距分別為16.5，19.5，20.5 m，爆破振速峰值為2.58，1.88，1.79 cm/s，爆破振速隨爆心距的增大而減小。對比分析1、3、4號測點，可知：不同爆源同一測點，單段最大藥量相同，質點峰值爆破振速隨爆心距的增大而減小。

表1 爆破振動數據記錄

4 結 論

根據《爆破安全規程》(GB6722-2011)的規定，對長湘高速公路李家沖隧道上方高壓鐵塔采取加固及優化施工方案等措施，分析實測爆破振動監測數據結果表明：

(1) 高壓鐵塔塔基處采取“H”型框架梁加固措施，并在隧道開挖過程中，采取了鉆鑿空孔、改變鉆爆設計與改變上臺階核心土尺寸等施工方案，成功將塔基處爆破振動速度控制在2.58 cm/s以內，既保證了高壓鐵塔的安全又實現了隧道的快速施工。

(2) 爆破減震措施在李家沖隧道施工過程中取得了良好的效果，例如采用鉆鑿中心空炮眼、多段別雷管分開起爆、增加核心土高度等措施，較為有效的降低了爆破振動效應。

參考文獻：

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[9]蔡福廣.光面爆破新技術[M].北京:中國鐵道出版社,1994.