小間距并行隧道施工爆破振動控制技術試驗研究

孫崔源,張民慶，郭云龍,孟海利，薛 里

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵路總公司 工程管理中心，北京 100844)

隧道在我國的交通運輸中起到越來越重要的作用。很多緊鄰既有隧道的新建工程施工或多或少都會對既有隧道產生影響，其中較為典型的工程有并行、上跨和下穿既有隧道爆破施工[1-4]。

爆破施工過程中產生的振動會對相鄰隧道結構產生突出影響。例如日本荻津公路初狩隧道、意大利的Locoo Colio公路隧道[5]，國內的西康線水溝隧道、湘黔鐵路增建Ⅱ線坪口隧道、流潭隧道等在爆破施工過程中均發生過振動引起既有隧道襯砌開裂、剝落等現象[6]。由此可見，在緊鄰既有隧道爆破施工過程中，若不采取控爆措施則很有可能對既有隧道產生危害。

目前對小間距并行隧道施工過程中的控制爆破技術研究還不足。因此，本文針對緊鄰既有隧道爆破施工，開展普通導爆管雷管起爆和數碼電子雷管起爆現場對比試驗研究。

1 工程概況

選取京張高速鐵路八達嶺地下隧道群中的三洞分離區間進行現場試驗。京張高速鐵路八達嶺火車站位于八達嶺隧道群內，車站規劃總長470 m，總建筑面積3.6萬m2，車站主體隧道平均埋深約100 m，建成后將成為國內埋深最深的高速鐵路車站。三洞水平間距2.2～6.0 m，開挖順序為先開挖左右線隧道，后開挖中線隧道。

三洞分離區間長400 m，圍巖等級包括Ⅱ,Ⅲ和Ⅴ級圍巖(如圖1所示)。本次現場試驗在中線Ⅲ級圍巖段開挖時進行。

圖1 三洞分離區間圍巖等級劃分

三洞分離區間中線隧道與左右線隧道之間，設計保留原有巖體，保留巖體的最小厚度為2.2 m，最大厚度為6.0 m。三洞的總寬為51.44 m，洞高最大為12.10 m。現場試驗時左右線隧道上臺階爆破開挖已完成，試驗測點選在左右線隧道迎爆側邊墻處。

2 普通導爆管雷管起爆現場試驗

2.1 測點的布設與監測

爆破振動測點布設在左線隧道迎爆側的邊墻洞壁上，見圖2。圖中待爆破掌子面為中線隧道上臺階，左線隧道為先行線，中線隧道與左線隧道之間保留巖體的厚度為5.5 m。

圖2 待爆破掌子面與測點的位置關系(單位：m)

圖3 各測點位置關系(單位：m)

根據現場情況，共設置了7個監測點，監測點編號為1#—7#。各測點位置關系見圖3。其中1#測點與連接通道壁的距離為2.0 m，各測點距下臺階的高度均為1.6 m。試驗時采用了TC-4850爆破振動測試儀，根據掌子面的推進情況進行爆破振動監測。

2.2 爆破參數和監測設備

普通導爆管雷管起爆進行了3組試驗。每組試驗的爆破參數見表1。其中裝藥量為對應各段雷管的總裝藥量，根據現場實際裝藥量統計得到。第1組試驗總裝藥量為120 kg，采用1，5，7，9和11段雷管起爆；第2組試驗總裝藥量為144 kg，采用1,3,5,7和9段雷管起爆；第3組總裝藥量為120 kg，采用1,10,12和13段雷管起爆。

表1 爆破參數

2.3 試驗結果與分析

通過現場3組試驗，得到了相應監測點處3個方向的振動速度和合速度波形圖。圖4為各組代表性測點的合速度波形。

圖4 代表性測點合速度波形

從圖4中可知：3組振動速度最大值都出現在1段，對應的是掏槽處的爆破振動速度，最大的合速度為23.93 cm/s。

將3組試驗各監測點實測的振動速度進行統計，結果見表2。可以看出：隨著距掌子面距離的增大各方向的振動速度均減小，迎爆側洞壁處的最大振動合速度可達23.93 cm/s。

表2 振動速度統計

對現場實測的掏槽處普通導爆管雷管爆破產生的振動速度(見表3)進行擬合分析。擬合公式采用薩道夫斯基公式[7]，即

(1)

表3 掏槽處起爆各測點振動相關參數

式中：v為質點振動合速度，cm/s；Q為最大單段裝藥量，kg；R為測點到爆源中心的距離，m；K,α分別為與地形地質條件有關的系數和衰減指數。

將表3中數據代入式(1)進行擬合，得到掏槽處采用普通導爆管雷管起爆時產生的振動速度擬合曲線。通過擬合曲線回歸，得到了京張高速鐵路八達嶺地下車站三洞分離區間處與地形地質有關的系數K和衰減指數α分別為140.41和1.41，即相應公式為

(2)

在后續的爆破施工中可采用式(2)進行爆破振動速度預測。

3 數碼電子雷管起爆現場試驗

3.1 測點的布設與監測

在中線隧道與右線隧道的連通通道底部布設3個測點，在右線隧道迎爆側洞壁處布設4個測點，見圖5。采用TC-4850爆破振動測試儀進行監測。

圖5 測點的位置情況(單位：m)

3.2 爆破參數

現場試驗時，炮孔間采用了4種不同延期時間。炮孔直徑為42 mm，總裝藥量為240 kg，炮孔總數為122個，炮孔深度為3.5 m。現場試驗爆破參數見表4。

表4 數碼電子雷管起爆爆破參數

3.3 試驗結果與分析

數碼電子雷管起爆測點振動速度見表5。

表5 數碼電子雷管起爆測點振動速度

可以看出：數碼電子雷管起爆時最大振動速度在連通通道底部2#測點處z方向，其值為14.53 cm/s。

將不同測點各方向振動速度進行矢量合成得到合速度波形，見圖6。

圖6 數碼電子雷管起爆各測點合速度波形

通過表4和圖6可以看出：擴槽孔和周邊孔爆破時采用的孔間延期時間分別為20 ms和6 ms，其產生的振動波在400～900 ms與 1 550～1 856 ms;與其他類型炮孔爆破的相應時間段內的最大合速度相比，這2種 類型的炮孔爆破產生的振動速度較大，合速度最大值為16.2 cm/s。現場試驗時，掏槽處爆破采用的孔間延期時間為15 ms，其產生的振動合速度最大值為12.80 cm/s。

3.4 結果對比

通過對比2種起爆方式的合速度波形圖可以看出，在整體上數碼電子雷管起爆產生的最大合速度要小于普通導爆管雷管。主要原因是普通導爆管雷管起爆時，炸藥能量集中釋放和相鄰炮孔爆破產生的振動波相互疊加。若普通導爆管雷管起爆采用與數碼電子雷管起爆試驗時相同的爆破參數，通過式(2)計算，得到掏槽處爆破產生的振動合速度為22.77 cm/s。與普通導爆管雷管起爆相比，數碼電子雷管起爆掏槽處爆破產生的振動合速度可降低43.78%。

4 結論

1)通過普通導爆管雷管起爆的3組試驗，爆破3個方向的振動速度隨著距離的增加不斷減小，其中掏槽處爆破產生的振動速度最大，將各測點掏槽處爆破產生的振動速度進行擬合回歸，得到了掏槽處爆破產生的振動速度在鄰近既有隧道迎爆側洞壁的傳播規律，可用公式v=140.41(Q1/3/R)1.41表示。

2)采用相同的起爆參數，與普通導爆管雷管起爆相比，數碼電子雷管起爆振動合速度會明顯降低，其中掏槽處爆破產生的振動合速度可降低43.78%。

3)緊鄰既有隧道控制爆破施工時，采用數碼電子雷管起爆可以有效降低爆破振動對既有隧道的影響。