大直徑中空孔直眼掏槽微振動爆破參數研究

張祖遠，王海亮

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島 266590)

0 引言

當隧道埋深較淺時，其爆破開挖引起的振動可能會對上方建筑物造成墻體開裂等破壞后果。為最大限度降低爆破振動對建筑物的影響，需嚴格控制爆破振速。一般認為掏槽爆破引起的爆破振速最大［1－2］，因此，如何降低掏槽區爆破產生的爆破振動，顯得尤為重要。當前，中空孔直眼掏槽方式作為隧道微振動爆破的一種，已被國內外學者廣泛應用和研究。文獻［3－5］對中空孔掏槽爆破中的空孔作用機制進行分析和研究;文獻［6］建立了典型空孔直眼掏槽的力學模型，從理論上得出了影響空孔直眼掏槽效率的影響因子;文獻［7－8］在青島膠州灣海底隧道分別通過現場實踐和數值模擬分析，驗證了中空孔掏槽能夠創造第二自由面，具有良好的減振效果。在此基礎上，文獻［9］通過城市隧道不同掏槽方式掘進進行對比，得出了大直徑單中空孔的掏槽方式在炮眼利用率及減振效果方面具有優勢。目前國內外對于中空孔直眼掏槽的研究多集中在中空孔作用機制和掏槽效果上，而對中空孔掏槽爆破參數的減振效應研究較少。本文以青島地鐵3號線太延區間下穿伊美爾醫院段隧道爆破開挖為背景，對大直徑中空孔直眼掏槽爆破參數進行理論與試驗研究，為中空孔掏槽微振爆破提供理論指導和依據。

1 工程概況

青島市地鐵一期工程(3號線)土建03標太延區間全長1 286.4 m，主要施工方法為臺階法。正線西端往太平角公園站方向下穿多棟建筑物，其中下穿的伊美爾整形醫院始建于2004年，大樓為地上6層、局部3層，建筑物為磚混結構，基礎均為毛條石基礎。該建筑物的基礎與隧道拱頂的最小豎直距離為6.4 m。區間隧道下穿伊美爾整形醫院的左右線長度均為36 m。該區間段圍巖級別綜合判定為Ⅳ至Ⅴ級，圍巖主要是花崗巖，地表振動速度要求控制在1.0 cm/s以下。伊美爾整形醫院與隧道的剖面關系如圖1所示。

圖1 伊美爾整形醫院與隧道剖面關系圖Fig.1 Profile showing relationship between the tunnel and the plastic surgery hospital

2 上臺階整體鉆爆設計

本工程采用臺階法施工。上臺階共計炮眼113個，分3次爆破，采用中空孔直眼掏槽，循環進尺為0.5 m。單段最大裝藥量為0.15 kg，開挖面積為16.03 m2，比鉆眼數為 7.13個/m2，炸藥量為12.1 kg(其中掏槽眼、輔助眼和周邊眼單孔0.1 kg，底板眼單孔0.15 kg)，炸藥單耗為1.51 kg/m3。起爆順序:第1炮起爆Ⅰ－1，Ⅰ－2，Ⅰ－3，之間用20段雷管進行孔外延期;第2炮起爆Ⅱ－1，Ⅱ－2，之間用20段雷管進行孔外延期;第3炮起爆Ⅲ－1，Ⅲ－2，之間用20段雷管進行孔外延期。上臺階炮眼布置如圖2所示。

3 中空孔掏槽爆破參數的確定

3.1 中空孔孔徑

在掏槽爆破中，空孔的作用一是作為裝藥眼爆破時的輔助自由面，二是作為破碎體的補償空間，也即空孔具有空孔效應。因此，對于大直徑中空孔直眼掏槽而言，空孔的孔徑越大越好，但現場受制于鉆眼的設備及鉆眼水平，空孔孔徑為42～150 mm，大部分時候采用潛孔鉆機鉆取孔徑為120 mm或150 mm的空孔。

3.2 裝藥炮孔數目

為確定良好的掏槽效果，選擇合適的裝藥炮孔個數很重要。U.蘭格福斯認為，掏槽爆破合理裝藥孔的數目為4～8。同時應根據空孔的直徑、裝藥孔與空孔的距離、最小抵抗線和工程條件來確定工程實踐中的合理裝藥孔數目。本次下穿伊美爾整形醫院標段隧道掏槽爆破基本確定為4個掏槽眼和4個擴槽眼。實際掏槽形式如圖3所示。

圖2 上臺階具體炮眼布置(單位:mm)Fig.2 Layout of blasting holes in top heading(mm)

圖3 實際掏槽形式Fig.3 Actual cutting form

3.3 首響孔與中空孔的距離

影響首響孔與中空孔之間距離的因素是很多的，但主要有炸藥的爆炸能量、炮眼的體積和爆破作用指數。炸藥爆炸時產生的爆炸能量應盡可能滿足破碎掏槽眼與空孔之間巖體所需要能量的要求，否則將產生沖炮;炮孔的體積(空孔與裝藥孔體積)應滿足裝藥孔與空孔之間被破壞的巖石因巖渣碎脹所增加的體積，否則將產生巖渣擠死現象;爆破作用指數應滿足既使裝藥孔與空孔之間巖石能夠擠入空孔，而又不能出現再生巖。可見，合理的炮眼間距應同時滿足以上3個條件，并取其中的最大值為優先使用值。

首響炮孔與空孔的距離可由膨脹余量確定，也就是考慮膨脹余量問題。在這種情況下，首響裝藥孔與空孔中心的距離

式中:r為首響孔半徑，m;R為中空孔半徑，m;h為裝藥系數，即裝藥長度與炮眼長度之比;K為巖石膨脹系數，可參照表1選取［6］。

表1 巖石膨脹系數K的取值Table 1 Values of rock expansion coefficient K

根據式(1)，對小里程左線下穿伊美爾整形醫院段選取里程ZK4+811.8～+814.89為試驗段，對首響孔與中空孔距離進行確定。該段圍巖等級為Ⅳ級和Ⅴ級，在掌子面正上方進行振動監測，首響孔距測點距離約為9 m。

按式(1)計算，取 r=0.021 m，R=0.075 m，h=0.17，K=1.77，算得 a1=0.341 m，實際取 a1=0.35 m。

由a1=0.35 m設計大直徑中空孔直眼掏槽，應用于里程ZK4+811.8～+813.35。同時，鑒于本工程下穿的建筑物為一所整形醫院，將爆破振速控制在1.0 cm/s以下是監管單位要求的針對建筑物磚混結構無害的指標，而實際施工中，院方曾以實施手術過程要求施工時無強烈振感。因此，為進一步減小爆破振動對該院的擾動，應用于里程ZK4+813.35～+814.89理論上設計間距取a2=0.2 m。首響孔與中空孔的不同距離如圖4所示。首響孔與中空孔的不同距離引起的振動監測統計如表2所示。

圖4 首響孔與中空孔的的不同距離Fig.4 Different distances between first-blasting hole and empty hole

表2 首響孔與中空孔的不同距離引起振動監測統計Table 2 Vibration measured under different distances between first-blasting hole and empty hole

對首響孔與中空孔距離為350 mm和200 mm分別進行3次現場試驗，從試驗結果可知，由膨脹余量考慮首響孔與中空孔距離a1=350 mm時，首響振動值大于a2=200 mm時首響振動值，但相對于監管單位所要求的振速指標1.0 cm/s，振動控制符合要求。從爆破效果看，首響孔與中空孔的距離為350 m和200 mm都能取得良好的爆破效果，基本可滿足每循環進尺0.5 m的設計要求。從最大限度控制爆破地震效應來考慮，在選取首響孔與中空孔距離時，應在考慮膨脹余量算出的距離前提下，進一步縮小首響孔與中空孔的距離。就本工程而言，首響孔距中空孔的距離取200～350 mm都是可行的。

3.4 掏槽逐孔起爆時差

采用大直徑中空孔直眼掏槽時，為充分利用空孔及先響炮孔提供的自由面，通常需要進行逐孔起爆。掏槽是為后續炮眼提供自由面和巖石破碎補償空間，掏槽眼爆破后，碎塊在槽腔內的運動需要一定時間，如果擴槽眼與掏槽眼之間的起爆時差太短，腔體內碎塊可能尚未拋出，且在不同時刻，剩余的碎塊量不同。因此可能導致振動速度過大［11］。

為確定掏槽孔爆破時能使炮孔之間的巖石恰當移開的最小延期時間，在里程 ZK4+805.3～+810.8處，分別設計了最小為25 ms和40 ms 2種逐孔起爆方案。大直徑中空孔掏槽不同起爆時差如圖5所示。

最小起爆時差為25 ms時，選取里程ZK4+806.8處上臺階掏槽爆破所產生的振動波形為典型研究對象，掏槽最小起爆時差為25 ms時振動波形如圖6所示。圖中紅、藍、綠3種波形分別為監測到同一炮次的3個方向的振動響應，即水平軸向x、水平切向y和垂向z。

圖6 掏槽最小起爆時差為25 ms時典型振動波形Fig.6 Typical vibration waveform when minimum detonating delay time of cut is 25 ms

最小起爆時差為40 ms時，選取里程ZK4+808.3處上臺階掏槽爆破所產生的振動波形為典型研究對象。掏槽最小起爆時差為40 ms時產生的波形如圖7所示。圖中紅、藍、綠3種波形分別為監測到同一炮次的3個方向的振動響應，即水平軸向x、水平切向y和垂向 z。

圖7 掏槽最小起爆時差為40 ms時典型振動波形Fig.7 Typical vibration waveform when minimum detonating delay time of cut is 40 ms

由圖6和7可知，掏槽爆破最小起爆時差為25 ms時，第1，2，3，4段雷管由于起爆間隔時間短，尚不能使槽腔內的碎石恰當移開，起爆時易受夾制作用形成波峰。掏槽爆破最小起爆時差為40 ms時，除第1，3段雷管自由面不充分而產生波峰外，其余掏槽眼都因先響炮孔創造了良好的自由面，沒有產生明顯的波峰。因此，對于炮眼深度為0.6～0.8 m的大直徑中空孔直眼掏槽，為降低掏槽爆破振動速度，逐孔起爆的最小時差宜為40 ms以上。

3.5 中空孔的布設位置

中空孔在工作面(掌子面)上的布設位置，不僅直接關系到爆心與地表質點和建筑物基礎的距離，而且對于每循環需單孔單段分多次起爆的斷面，如果中空孔的布設位置不合理，將使每循環爆破的時間延長，從而影響整體施工效率。最初設計時，按照大多數設計的思路，將中空孔布設于上臺階斷面中心，在進行分次起爆時，由于第1次起爆掏槽部位，爆落的渣石常在尚未裝藥起爆的左右兩側底板眼成堆，使得第2次起爆前需人工或者啟動挖機進行扒渣，部分底板眼還被碎石塊堵塞，需進行吹孔，耗費大量的時間。即使通過孔外延時使第1次多起爆2組炮眼，由于雷管段別限制，很難一次起爆下部的全部炮孔。因此，合理的中空孔布置，應盡可能使第1次起爆斷面下部的全部炮眼。在布置中空孔時，盡可能布置在斷面中下部位，使得第1次即可起爆斷面下部全部炮眼，以節約第2次的裝藥時間。

4 中空孔直眼掏槽爆破的應用

通過左線里程ZK4+805.3～+814.89段的現場試驗確定中空孔爆破參數后，左線下穿伊美爾整形醫院的后續鉆爆開挖工程都應用此掏槽方式進行。現場振動監測表明，在里程ZK4+814.89～+839共45個循環開挖中，除2次由于工人鉆眼質量欠佳，振速超標外，爆破振速基本控制在0.5～0.7 cm/s，證明了該掏槽方式及爆破參數的可行性。圖8為選取前20個掘進循環(里程ZK4+814.89～+826.7)的每循環第1炮次爆破對應的3個軸向振速峰值。

圖8 掘進循環數與各軸向的振速峰值Fig.8 Driving cycles with axial vibration velocity peak

5 結論與建議

隧道爆破中，掏槽爆破的效果決定后續輔助眼及周邊眼的爆破質量，同時，一般認為掏槽爆破是斷面爆破的爆心，產生的振動最大。因此，如何控制好掏槽爆破的振動是實現微振動爆破技術的關鍵。本文就大直徑中空孔直眼掏槽的爆破參數進行了理論和試驗分析，得出結論與建議如下。

1)中空孔孔徑越大越好，采用直徑為120～150 mm的大直徑中空孔，可滿足膨脹余量的要求。

2)本工程從膨脹余量的角度考慮，算出圍巖等級為Ⅳ級和Ⅴ級時，首響孔與中空孔的距離取值a1=350 mm，該距離產生的首響振動值較距離為 a2=200 mm時大，但仍可滿足監管單位振速指標為1.0 cm/s的要求。從減小掏槽振動的角度考慮，在選取首響孔與中空孔距離時，應在考慮膨脹余量算出的距離的前提下，進一步縮小首響孔與中空孔的距離。總之，就本工程而言，首響孔與中空孔的距離取200～350 mm是可行的。

3)對于炮眼深度為0.6～0.7 m的大直徑中空孔直眼掏槽，為降低掏槽爆破振動速度，建議逐孔起爆的最小時差為40 ms。

4)本文對于大直徑中空孔直眼掏槽微振動爆破參數的研究，僅依據現場試驗的結果而得出結論，存在一定的局限性，且隨著炮眼深度的增加，首響孔與中空孔的距離和掏槽最小起爆時差等參數也將再次進行調整。后續研究可通過數值模擬方法對中空孔直眼掏槽各參數進行研究，進一步驗證現場試驗結果，并量化不同炮眼深度下的微振動爆破參數，以期更好地指導工程實踐。

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