超近距交叉隧洞弱振動爆破技術及振動特性分析

丁留濤，楊成全，陳明星，楊丕承

(1. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2. 晉江市供水有限公司，福建 晉江 362200)

0 引 言

鉆孔爆破是巖體開挖施工最重要的手段，也是目前隧洞開挖的主要方式。巖石爆破誘發(fā)的爆破地震負面效應，往往會對周圍建(構)筑物和設施的安全形成威脅，越來越受到關注和重視。近年來，由于工程建設需要，出現(xiàn)較多隧洞上下近距離交叉布置的情況，存在施工洞對既有洞的振動影響問題，已成為一個得到廣泛關注的工程難題和研究熱點[1-5]。在福建晉江實施的第二通道引水隧洞工程就存在與既有洞超近距交叉現(xiàn)象，通過現(xiàn)場監(jiān)控和施工實踐，在弱振動爆破控制技術和隧洞振動特性方面取得了一定的經(jīng)驗和認識。

1 隧洞弱振動鉆爆施工技術

1.1 工程概況

晉江第二通道引水隧洞是保障福建晉江市及后期臺灣金門島供水安全的重點項目。該引水隧洞全長1 277 m，斷面為城門洞型，地處于殘丘地貌，主要穿過的地層為黑云母花崗巖，80%圍巖為IV級及V級，下穿既有石獅二期引水工程金雞山隧洞(上洞)。下洞拱頂距離上洞底板僅6.4 m，屬于超近距離范圍，如圖1所示。對于下洞與上洞交叉段及其邊緣的下穿爆破施工，必然會引起上洞強烈震動，造成上洞底板、邊墻及頂拱的開裂，嚴重危及上洞的安全。為此，在隧洞交叉段采用了弱振動爆破施工技術，結合爆破振動監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測信息反饋，調整爆破參數(shù)并制定相應的控制措施，既確保了上洞的安全，也實現(xiàn)了下洞的順利下穿。

圖1 兩交叉隧洞空間關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial relationship between two tunnels

1.2 鉆爆施工方案

鉆爆施工所引起爆破振動，對周圍建筑的影響程度主要由振動荷載及特定建筑物抗振特性決定。振動荷載的大小由振幅、持續(xù)時間及頻率等反映，主要取決于爆破參數(shù)、炮孔周邊巖體受力狀態(tài)及地層條件等因素。因此，對于下洞在交叉段的施工，分析隧洞特點并參考相關隧洞鉆爆施工技術，尤其是前期上洞開挖經(jīng)驗[6,7]，主要采用的減弱爆破振動施工控制措施為：①將開挖斷面進行分部施工，按上下兩部分依次分序鉆爆，如圖2所示。考慮下臺階各炮孔與上洞的距離相對較大，首先進行下部臺階的爆破開挖。②盡量采用多時序微差起爆網(wǎng)路來控制最大單響藥量，以減小總體爆破振動能量。③隨著斷面靠近隧洞交叉段，結合振動監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，對開挖循環(huán)進尺進行調整，通過循環(huán)進尺的減小，控制地震能量向巖層中的傳播。

圖2 隧洞斷面炮孔布置及起爆網(wǎng)路圖(單位：m)Fig.2 Diagram of shothole layout and priming circuit

1.3 爆破振動監(jiān)測

鑒于超近距上洞的存在及振動安全方面的嚴格要求，為及時掌握每次爆破震動影響程度，在爆破施工過程中采取緊密的爆破振動跟蹤監(jiān)測。針對上洞的結構特點及振動響應分布特征，將振動監(jiān)測儀器分別布設于上洞底板、邊墻底側等部位，在施工中根據(jù)隧洞開挖斷面的變動及時調整測點位置，確保涵蓋振動響應最強烈的部位。

在施工中，以國家相關規(guī)范的建議值[8]為指導，結合類似工程施工經(jīng)驗及相關研究成果，將質點峰值振速[V]=7 cm/s作為爆破振動安全控制標準，即當實測振速接近或大于這一值時，按弱振動方案及時調整相關爆破參數(shù)與施工工藝。針對整個爆破施工過程進行動態(tài)跟蹤，從而掌握隧洞振動響應特點，并對其振動安全作出評定。

2 爆破振動響應及特性分析

2.1 爆破振動響應

由于下洞爆源處和上洞測點位置之間所具有的特殊空間關系，爆破質點振動速度的衰減規(guī)律與自由場情況下差別較大。通過分析現(xiàn)場實測的爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，由下洞爆破在上洞各特征處的爆破振動響應有如下特點：

(1)隧洞開挖斷面距離交叉部位較遠時，在金雞山隧洞邊墻及底板測得的各方向質點振速基本相同。如對距離隧洞交叉中心40 m處斷面所進行下臺階爆破振動監(jiān)測，得到水平徑向、水平切向、豎直向振速分別為2.45、1.94、2.94 cm/s，主振頻率分別為146、145、105 Hz。各方向最大振速均出現(xiàn)在第一起爆段，即振動峰值振速由掏槽孔段炮孔爆破引起。掏槽孔引起的爆破振動量稍微大于其他段別，但并未明顯抬升，如圖3所示。爆破產(chǎn)生的主振動頻率為100～150 Hz，明顯高于露天深孔爆破振動頻率[9]。

圖3 非交叉段斷面爆破振動波形Fig.3 Vibration waveform outside cross section

(2)在隧洞開挖至交叉段邊緣時，下臺階爆破采用斜孔掏槽，孔深為1.0 m，最大單響藥量2.4 kg。在上洞底板迎爆側測得3個方向質點振速分別為2.22、2.47、4.61 cm/s，主振頻率分別為321、215、159 Hz。水平徑向最大振速出現(xiàn)在第9起爆段，而另外兩個方向的最大振速則出現(xiàn)在掏槽段，且前者最大振速持續(xù)時間明顯大于后二者。更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：隨著開挖斷面靠近交叉段中心區(qū)域，豎直向振速可達另二向振速的2～5倍，相對振動明顯增強。爆破主振頻率均呈現(xiàn)隨振速增大而減小、爆心距減小而增大的特征。

(3)上臺階爆破時，孔深為1.0 m，最大單響藥量1.8 kg，分9段微差起爆。在上洞底板與掏槽孔中心部位之間距離為8.4 m，至周邊孔拱頂部位約為6.7 m時，監(jiān)測結果顯示，豎直向振速為12.29 cm/s，遠超出控制標準，而水平徑向及水平切向振速較小，如圖4所示。豎直向振速約為水平切向振速7倍，為水平徑向振速的3.6倍。對比各分段可知，由掏槽孔引起振速均明顯高于其他段位。顯然，只有通過更多的分段起爆及嚴格控制掏槽孔最大單響藥量才可能將振動量控制下來。

圖4 交叉段爆破振動典型波形Fig.4 Typical blasting vibration waveform in cross section

2.2 上洞爆破振動特性分析

分析爆破振動響應特點，上洞的質點振動特性與下洞開挖斷面位置、爆破參數(shù)及工藝等有顯著的關系。

(1)對比遠區(qū)開挖斷面及交叉段邊緣爆破上洞振動響應可知，隨著開挖斷面逼近交叉中心，豎直向振速與另二向振速相差幅度逐漸增大，到交叉段邊緣處上臺階爆破形成的這一現(xiàn)象更為明顯，其主要原因在于上洞開挖后在山體內部形成了復雜的自由邊界。當下部震動波傳至隧洞邊界時，入射角度逐漸變小，豎直向分量增大，其他方向分量明顯減小[10]。而且，波在自由邊界處的反射作用往往會加強相應區(qū)域的振動量[11]，尤其在底板下部爆破時震動波垂直入射所造成的反射作用更為明顯，極易造成抗拉強度相對較弱的混凝土或巖石等材料的拉伸破壞，特別是對混凝土與巖石的結合部位破壞作用更為突出。

(2)對于相同的開挖斷面，上、下臺階最大單響藥量分別為1.8、2.4 kg，二者與上部隧洞底板距離分別為11.5、8.4 m，上臺階爆破引起的峰值振速遠大于下臺階。可知，對于弱振動鉆爆施工，在爆破近區(qū)振速受爆心距影響較大。分析遠、近斷面爆破振動實測數(shù)據(jù)，弱振動爆破開挖引起的地震波在爆源近區(qū)衰減較快，而在遠處(爆心距大于15 m)相對較慢。在各向振速中，豎直向振速隨距離減小增加較快。在上臺階爆破施工初期，就因為未掌握此規(guī)律并相應調整最大單響藥量，出現(xiàn)過超標振速的情況。

(3)實測數(shù)據(jù)表明，主振頻率隨著最大振速增大而減小，但兩者之間并沒有必然的聯(lián)系，主振頻率主要與最大單響藥量及爆心距等因素有關[12]，而且有隨著爆心距增大呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。考慮到一般結構體固有頻率遠小于爆破主振頻率，因此不會出現(xiàn)結構體共振現(xiàn)象。此外，分析各測次數(shù)據(jù)，在峰值持續(xù)時間方面，最大振速出現(xiàn)在中、后起爆段時較掏槽段更長，相同振速情況下帶來的影響更大。

3 爆破施工方案優(yōu)化

由于隧洞交叉段中心區(qū)域的上洞爆破振動安全問題突出，加上已開挖區(qū)域存在的空洞效應[13]，對鉆爆施工的振動控制增加了難度。隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋和對上洞振動響應及特性的了解，圍繞如何將振動速度有效控制在安全允許范圍內做了大量工作，為下洞爆破施工方案的優(yōu)化提供了科學的依據(jù)。

(1)改善掏槽孔布孔及起爆方式。由監(jiān)測成果可知，爆破振動強度主要受掏槽孔爆破的影響，掏槽孔爆破時僅一個臨空面，巖石夾制作用明顯，控制掏槽孔的爆破振動強度是關鍵。通過對爆破振動特性分析，將掏槽孔分成多段，進行微差起爆，對最大單響藥量進行控制，如圖5所示。此外，相關研究[14]表明對于掏槽孔在孔外分段基礎上再進行孔內分段，由孔口向孔底依次起爆，可進一步分散爆破振動能量。同時，在掏槽孔間鉆打輔助空孔以增加巖體膨脹空間，既有利于巖體破碎，還能減弱爆破振動強度。利用黏土等材料對炮孔進行適當堵塞，能夠有效避免爆生氣體過早逸出而巖體破碎不完全，造成高段位炮孔周邊巖石夾制作用增大。

圖5 隧洞斷面優(yōu)化分區(qū)開挖圖(單位：m)Fig.5 Diagram of optimizing divisional excavation in tunnel section

(2)調整開挖斷面單循環(huán)進尺。隨著開挖斷面逼近交叉段中心，上洞振動愈加強烈，對開挖進尺進行調整是控制爆破振動較為有效的措施。根據(jù)上洞相同地質條件下不同循環(huán)進尺實測數(shù)據(jù)，如表1所示，在采用相同炸藥單耗的情況下將開挖進尺由1.5 m減少為1.2、1.0、0.8 m時，各峰值振速相對減小15%～30%、34%～51%、47%～61%，減振效果明顯。為滿足上洞振動安全要求，可將下洞的進尺由1.5 m調整為1.2、1.0 m等較小進尺。但進尺減小會導致施工效率降低、工期延長，以及鉆爆施工成本增加。而且實測數(shù)據(jù)顯示，單循環(huán)進尺越小，峰值振速隨進尺縮短而減小比例明顯下降。因此，在確保上洞安全的前提下，尚需依據(jù)進度要求和振動監(jiān)測等方面對單循環(huán)進尺進行動態(tài)調整，確保鉆爆施工技術的科學性。

表1 不同鉆爆方案下實測峰值振速 cm/s

(3)控制開挖斷面分區(qū)，合理選擇起爆順序。由表1及數(shù)值模擬[15]可知，隨著斷面分區(qū)增加，相應峰值振速明顯減小。當斷面分為兩個臺階不能滿足振動控制要求時，可將其分為上、中、下3部分如圖5所示或更多進行爆破開挖。鑒于振動控制要求及現(xiàn)場施工的便捷性，對于3個及以上分區(qū)的斷面，按照先中下部臺階，后上部臺階的爆破順序，并隨著斷面與交叉中心之間距離改變，及時調整分區(qū)數(shù)。

4 結 語

通過采用弱振動鉆爆方案，結合振動監(jiān)測對鉆爆施工控制措施進行優(yōu)化調整，在上下斜交叉隧洞復雜環(huán)境條件下保證了下洞的順利施工，未對上洞安全造成影響，并取得如下認識。

(1)在下洞鉆爆施工時，上洞振動響應特點隨著開挖斷面位置移動而改變。當開挖斷面距交叉段較遠時，各向峰值振速差異較小。隨其逼近交叉中心區(qū)域，豎直向振速相比另二向有所增大。在交叉段邊緣部位，豎直向峰值振速增幅更為顯著。因此，實施爆破振動監(jiān)測時，需對豎直向振速變化加以重視。

(2)無論在交叉段近區(qū)或遠區(qū)，掏槽孔段爆破振速均為最大，原因在于掏槽孔段炸藥單耗較高且受周邊巖體夾制作用較大。將掏槽孔分不同起爆段進行微差起爆，并設置若干空孔作為輔助，有利于爆破振動的控制。

(3)鉆爆施工中，采用減小開挖斷面循環(huán)進尺、斷面分部開挖、增加起爆網(wǎng)路分段數(shù)等控制措施，使得爆破振速明顯降低，上洞振動得到有效控制。可見，交叉段鉆爆施工所采用的方法及解決問題的思路具有供類似工程借鑒參考的價值。

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[1] 于建新, 陳衛(wèi)忠, 楊建平,等. 上下交叉隧道爆破振動控制技術研究[J]. 巖土力學, 2014,35(S2):445-452.

[2] 蔡路軍, 朱方敏, 吳 亮,等. 上穿公路隧道爆破對下方供水隧洞的振動影響研究[J]. 公路工程, 2015,40(3):28-32.

[3] 姜德義, 陳 玉, 任 松,等. 超小凈距交叉隧道的爆破振動監(jiān)測與控制技術[J]. 西部探礦工程, 2008,20(10):188-191.

[4] 張學民, 陽軍生, 劉寶琛. 層狀巖體中近鄰雙線隧道爆破的振動響應研究[J]. 湖南科技大學學報：自然科學版, 2007,21(4):70-74.

[5] 葉培旭, 楊新安, 凌保林,等. 近距離交叉隧洞爆破對既有隧道的振動影響[J]. 巖土力學, 2011,32(2):537-541.

[6] 余 明, 舒大強, 丁留濤,等. 淺埋隧洞鉆爆技術與振動控制[J]. 爆破, 2015,(1):69-74.

[7] 何 宇, 黃明猛, 詹俊陽,等. 復雜環(huán)境下隧洞弱振動爆破技術研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2013,(10):61-63.

[8] GB6722-2011，爆破安全規(guī)程[S].

[9] 喬建軍. 露天礦山爆破振動測試及分析[J]. 銅業(yè)工程, 2013,(2):46-48.

[10] 管曉明,傅洪賢,王夢恕.隧道近距下穿山坡樓房爆破振動測試研究[J].巖土力學,2014,35(7):1 995-2 003.

[11] 舒大強. 爆破震動對新澆混凝土質量的影響及控制[J]. 武漢水利電力大學學報, 1999,(4):5-8.

[12] 張立國, 龔 敏, 于亞倫. 爆破振動頻率預測及其回歸分析[J]. 遼寧工程技術大學學報, 2005,24(2):187-189.

[13] 楊云凌. 淺埋隧道爆破振動空洞效應研究[J]. 爆破, 2012,29(3):127-130.

[14] 石洪超, 張繼春, 夏森林,等. 層狀圍巖小凈距隧道掏槽爆破減震技術[J]. 爆破, 2014,30(4):60-65.

[15] 邵珠山, 喬汝佳, 王新宇. 臨空面對爆破震動強度影響的數(shù)值研究[J]. 地下空間與工程學報, 2012,(5):1 052-1 058.