復雜環境下的隧道爆破振動控制研究*

肖文芳 薛東杰 郝延周 韓 英

(1.貴陽學院城鄉規劃與建筑工程學院，550005，貴陽； 2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，100083，北京；3.西安建筑科技大學土木工程學院，710055，西安；4.貴州省土木工程省級實驗教學示范中心，550005，貴陽//第一作者，講師)

在地鐵隧道施工中，鉆爆法因經濟與技術效果明顯而得到廣泛應用。由于城市環境的特殊性以及地質條件的復雜性，爆破施工開挖難度增大，爆破地震波對周邊建筑設施的破壞作用也經常引發民事糾紛。如何降低爆破施工振動效應對地鐵隧道開挖工程的順利實施顯得尤為重要[1-2]。

目前，國內外學者對露天爆破地震波的傳播規律進行了大量研究，并提出了相應的減震措施。但地鐵隧道周邊環境復雜，建筑設施眾多，如果采取過于保守的施工方案，雖能降低振動效應，保障周邊建筑設施的安全，卻不能滿足施工進度和施工效益的要求。因此，對復雜環境下的爆破施工方案進行研究，尋求經濟合理又安全的爆破設計方法具有重要的理論價值和實踐意義[3-4]。

本文以貴陽地鐵2號線龍洞堡機場隧道爆破開挖為依托，通過理論計算確定合理的施工開挖方案，在現場實測的基礎上進行爆破方案設計，確保隧道爆破施工順利進行。

1 工程概況及施工難點

1.1 工程概況

貴陽地鐵2號線龍洞堡機場隧道南端區間為龍洞堡機場站至小碧站。區間內巖層呈單斜構造，未見較大發育。暗挖段洞身位于強風化和中風化巖層中，巖體破碎，圍巖等級為Ⅴ級。區間的YDK44+960—YDK45+090段與ZDK44+969—ZDK45+090段為明挖段，其余為暗挖段，暗挖段采用爆破施工。爆源周邊建筑設施平面布置情況如圖1所示。

圖1 暗挖區間與周邊建(構)筑物平面示意圖

開挖面標高與機場現有路面標高差距16 m左右，周邊環境復雜。往小里程方向下穿機場消防站及磚混結構的機場醫院，往大里程方向下穿油小公路及高架橋，主要影響油小公路附屬的部分管線及高架橋的橋墩孔樁。受到爆破施工影響的還有消防站、小碧立交橋臺以及各種地下管線。

1.2 工程難點

由于地鐵隧道周邊環境復雜，故對爆破振動要求較高。根據GB 6722—2014《爆破安全規程》對結構物及管線安全距離的要求，核算得到爆破振動對周邊建筑設施及管線的影響如表1和表2所示。

表1 爆破施工對周邊建筑設施影響統計

2 爆破施工方案及爆破技術設計

2.1 施工方案的選擇

為了降低爆破振動，暗挖區間隧道Ⅴ級圍巖段采用短臺階法施工[5]。施工時，上臺階與下臺階鉆眼完成后同步裝藥連線，同步起爆。平均每日進尺1.2 m。隧道的臺階法施工如圖2所示。

表2 爆破施工對周邊地下管線影響統計

圖2 臺階法施工示意圖

2.2 爆破方案設計

臺階法爆破施工中，在下穿消防站段及油小線既有管線段采用微差雷管控制爆破。選用2#巖石乳化炸藥，并采用導爆索間隔裝藥結構。在隧道拱部，周邊眼間距控制在55 cm以內，并均勻布置，具體布置見圖3。

圖3 隧道炮眼布置圖

2.3 爆破孔網參數設計

2.3.1 炮眼深度

隧道所處的Ⅴ級圍巖屬于軟弱圍巖，故炮眼不宜過深。設計循環進尺為1.2 m，有效進尺約為75%。掏槽眼垂直深度為1.5 m，其他眼深度均為1.3 m。并采用YT-28型風鉆鉆孔。

2.3.2 光面爆破

周邊眼間距E一般為8～15倍炮眼直徑，即336～660 mm，按經驗取值400 mm；周邊眼眼深小于2.0 m，故不考慮外插斜率。最小抵抗線W取較小值450 mm，則周邊眼密集系數K=E/W=0.88。光面爆破裝填系數β和單孔裝藥量Qk為：

(1)

(2)

式中：

τ——巖石抗剪強度,取1.10 MPa;

σe——巖石抗拉強度,取1.05 MPa;

σc——巖石抗壓強度,取35.80 MPa;

L——炮眼深度, 取130 cm;

dk——炮眼直徑,取4.2 cm;

dt——藥包直徑,取計算值2.0 cm;

ρ——炸藥密度,取1.0 g/m3。

計算得到，β=0.30，Qk=122 g。

2.3.3 掏槽眼參數布設

本工程隧道斷面為中小斷面，為減少掏槽難度及掏槽爆破對圍巖的振動，保證掏槽效果，設計采用楔形掏槽技術。掏槽眼水平間距按1.3～1.4 m進行控制。左右炮眼的眼底間距a、上下排炮眼間距b以及掏槽炮眼與開挖面的夾角γ是影響掏槽效果的重要因素。參數值選用參考表3。

根據經驗值，本工程γ取70°,a取23.5 cm，b取55 cm，則掏槽孔布置如圖4所示。

由于暗挖段大都處于中強風化型巖層中，圍巖整體性較差，最小抵抗線取保守值為550～650 mm；擴槽眼、內圈眼及掘進眼間距按抵抗線關系、巖石整體性程度、巖石爆破時互相夾制影響及爆破減少拋擲等要求確定。

圖4 掏槽孔布置

2.3.4 爆破參數的確定及裝藥量計算

根據初期支護間距要求，設定隧道爆破掘進進尺為1.2 m，炮眼裝藥量、裝藥結構及其他鉆爆參數設計如表4所示。由表4可知,上臺階爆破方量為19.632 m3，下臺階爆破方量為25.632 m3,炮眼合計94或95個,藥量合計37.16或37.56 kg。

2.4 爆破的安全檢算

2.4.1 建筑設施安全驗算

根據表1，距爆源最近的小碧立交橋臺為鋼筋混凝土結構，其穩定性遠高于磚混結構[6]。其他地表建筑大都為磚混結構，有極少數磚房。消防站為距爆源最近的磚混結構地表建筑，受爆破振動影響最大，距圍巖正洞最小距離約18.25 m。

根據GB 6722—2014《爆破安全規程》的隧道爆破振動安全標準要求[7]，周邊磚混結構房屋振速需控制在2.0 cm/s以內。采用薩道夫斯基預測公式來驗算爆破振動速度,有:

Qm=R3(νk/k)(3/α)

(3)

式中：

Qm——最大段安全藥量；

vk——建筑物允許的最大振動速度；

R——爆心距；

k——與爆破場地條件有關的衰減系數；

α——與地質條件有關的衰減指數。

爆區不同巖性的k、α值如表5所示。本工程k取250，α取2.0。經計算，爆破施工時，Qm=4.35 kg>3.60 kg(最大一段設計用藥量)。爆破藥量均較小，符合爆破安全要求，安全驗算通過。

2.4.2 地下管線安全驗算

由于地下管線在正線上部，故只需驗證埋深最近段地下管線的振動速度是否在安全允許范圍之內即可[8]。根據測量結果，機場至擴建指揮部的供水管、排污管及煤氣管雖距正線爆破中心最近，但該段管線均需進行遷改；而距爆源最近的不遷改管線為航站樓強弱電管溝。根據表2，地下管線距正線爆源最小距離為16.71 m。根據安全規范，地下管線振動速度需控制在2.5 cm/s以內。將相關數據代入式(3)，計算可得最大段安全藥量Qm=4.67 kg>3.60 kg(最大一段設計用藥量)。因此，地下管線安全驗算通過。

表4 臺階法鉆爆設計

表5 爆區不同巖性k、α值

由此可見，設計方案符合爆破安全要求。

3 爆破振動監測及結果分析

3.1 測試方法及測點布置

本次測試采用TC-4850爆破振動儀，將儀器分別布設在消防站、機場油站、小碧立交橋臺及航站樓強弱電管溝等受爆破振動影響較大的地方。每臺儀器將在每次爆破時記錄3個不同方向的振動速度和主頻。

3.2 測試結果及分析

由于受爆破振動影響較大的建筑設施均位于爆破點的上方，因此主要對垂直振動速度進行分析[9-10]。圖5為爆破開挖時掌子面附近測取的爆破振動時程曲線。

選取有代表性的點，并剔除所測數據中部分離散性較大者，通過最小二乘法對監測數據進行回歸分析，得出掌子面上方地表振速回歸直線如圖6所示。

圖5 掌子面附近的爆破振動時程曲線

圖6 掌子面上方地表振速回歸直線

擬合得到垂直方向測線的k=174.48，α=1.886；線性回歸決定系數R為0.94。因此，本測試條件下該區域爆破中的垂直方向地震波傳播規律可表示為：

(4)

由此可知，在巖石性質與地質條件相同的條件下，當爆心距確定后，υ的大小主要取決于最大段起爆藥量Q。

根據GB 6722—2014《爆破安全規程》的規定，附近建筑設施的安全振速不超過2.0 cm/s，由式(3)可得垂直方向質點振速控制的最大段起爆藥量。

隧道爆破開挖時，不同υ峰值下的最大單響允許藥量與爆心距的關系見圖7。

圖7 不同υ峰值下爆心距與最大段允許藥量的關系

為了保證周邊建筑設施的安全，在后續的爆破施工中，將被保護對象爆心距代入式(3)進行驗算，得出的最大單響藥量均滿足工程要求。為了驗證試驗設計的可靠性，對爆破振動進行了實時監測，實測振速峰值相對理論計算值均較小，但計算振速與實測振速的誤差均在工程要求允許范圍之內，由此說明此次爆破設計是合理的，能夠有效控制爆破振動對周邊建筑設施的影響。

4 結論

對復雜環境下的隧道爆破施工進行理論分析和現場監測，用最小二乘法進行回歸分析，確定適合該地區的爆破地震波傳播衰減規律，并根據理論計算確定施工過程中安全范圍內的最大段允許起爆藥量，以保障工程順利進行。具體結論如下：

1) 掏槽孔爆破引起的振動效應最為強烈。采用楔形掏槽、分段裝藥并控制掏槽孔的單段最大起爆藥量，同時應用單循環1.2 m短臺階微差控制爆破方法，可有效降低爆破振動。

2) 通過回歸分析，擬合出垂直方向上薩道夫斯基預測公式中的系數α及k，得到了地表爆破地震波的傳播衰減規律。合理設計爆破參數，嚴格控制計算所得出的最大單響藥量要求，即可取得良好的爆破效果。

3) 現場實測振動速度峰值與理論計算值均能較好地反映爆破地震波衰減規律。在允許的誤差范圍內，兩者都能較好地指導施工。實測結果表明已監測部位振速均在安全允許范圍內，同時也驗證了施工開挖方案及爆破設計方法的合理性和可行性。