武漢地鐵區間隧道下穿建筑物爆破振動控制技術研究

王松青，張全峰，汪海波，楊謝生，宗 琦，王夢想

(1.中煤第三建設(集團)城市交通建設分公司，合肥 230022；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

隨著我國經濟的迅速發展，已經規劃和在建的地鐵軌道等交通項目，遍布全國34個大中型城市[1]。目前，在巖層中進行地鐵隧道修建時，鉆爆法因其成本低、工序簡單以及爆破效果顯著等優勢而被廣泛采用[2-3]。然而，與此同時鉆爆法施工不可避免地帶來一系列爆破危害效應，特別是爆破振動，它會對地表建筑物造成破壞[4]。因此，對于下穿建筑物的地鐵隧道鉆爆法施工方案設計有著更高的要求。

國內學者對此展開了一些研究工作，例如，朱利明等[5]基于現場爆破振動監測和ANSYS有限元數值分析探究了地鐵隧道爆破對古建筑群的影響，并設計利用延時爆破技術控制爆破藥量從而降低振動強度。付曉強等[6]為保障貴陽城區隧道鉆爆開挖時地表建筑群的安全穩定，設計了合理的掏槽方法和裝藥形式，并將爆破振動控制在安全允許范圍內。謝興博等[7]針對南京地鐵4號線爆破施工進行優化設計和實際監測，研究了在地下管線和地表建筑群廣泛分布地區，降低地鐵隧道爆破振動危害的有效途徑。李立功等[8]為降低重慶軌道5號線下穿建筑物爆破振動的危害，運用水壓爆破和延時起爆等方法有效控制了爆破振動。王仁濤等[9]針對青島地鐵隧道3號線進行了一系列減振優化設計，取得了良好的社會、經濟效益。張發財等[10]在烏魯木齊地鐵隧道1號線開展現場試驗，研究了地鐵隧道鉆爆掘進對地鐵車站的影響，并基于監測結果進行了爆破方案優化。肖文芳等[11]針對貴陽地鐵隧道2號線進行實際監測和數值模擬，探究了地鐵隧道鉆爆開挖地表爆破振動的傳播特性。

本文結合武漢地鐵27號線紙坊大街站～小鎮站區段隧道爆破工程實踐，對復雜環境下地鐵隧道鉆爆法施工方案、掏槽形式和爆破參數進行研究，并基于實測數據分析爆破振動傳播規律，為類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵27號線紙坊大街站～小鎮站區段隧道圍巖主要為灰巖，經取樣、測試，單軸抗壓強度97～172 MPa，平均值159 MPa，屬于Ⅱ～Ⅵ級圍巖。頂板上部灰巖蓋層較薄，右線頂板為殘積的紅黏土層，左線為全斷面巖石。右線正下穿3層磚混幼兒園；左線下穿中建龍城小區商鋪和中建龍城16#樓24層住宅，左線隧道頂部到建筑底板最短距離為15.7 m，建筑物與隧道位置如圖1所示。

圖1 隧道與地表建筑物相對位置關系Fig.1 Relative position between tunnel and buildings on surface

2 爆破施工方案

在城市地鐵隧道鉆爆開挖過程中，為了降低爆破對周圍建筑物的擾動以及盡可能減少對當地居民正常生產、生活的干擾，通常需要根據“短進尺、多鉆孔、少裝藥、勤測量”的基本原則進行爆破作業。因此，本項目在下穿建筑物區段采用鉆爆法開挖時，需要進一步嚴格加強對爆破作業的管理。

基于前期對該隧道所處地質狀況的調查研究，設計了左、右線隧道的開挖方案。右線上方為土層，下方為巖石，上方土層采用挖掘機進行處理，下方巖石采用鉆爆開挖。左線全斷面均為巖石，采用分臺階爆破，共分上、中、下臺階，為便于施工，臺階步距為一次爆破的炮孔深度(1.2～1.5 m)，3個臺階炮孔一次起爆。

由于右線上部采用機械開挖，形成新的自由面，改善了后續爆破效果，使得下方巖石爆破產生的振動效應明顯減弱；而左線上臺階僅單一自由面，所產生爆破振動效應明顯，因此著重關注左線施工方案和爆破參數設計。為了降低爆破振動效應，左線隧道周邊孔設計為密集減振孔，其孔間距為100～150 mm。與此同時，開展爆破振動監測，嚴格控制隧道掘進循環進尺及最大單段起爆藥量，并合理布置炮孔及選用毫秒延時時間以控制爆破振動的影響。

2.1 掏槽方式選擇與設計

選擇合理的掏槽形式，不僅能降低各級掏槽爆破用藥量，同時還可以減弱巖石的夾制作用，改善掏槽爆破效果，降低爆破振動效應[12-13]。因此，掏槽孔布置在隧道底部，這樣可以增加掏槽部分爆源到地表的距離，減小爆破振動對地表建筑物的擾動，同時還能夠避免對薄弱圍巖造成進一步損傷。

左線隧道在上臺階中間偏下部位進行直孔掏槽，掏槽區域設有空孔、內圈掏槽孔和外圈掏槽孔，其中空孔可以增加巖石碎脹空間和自由面。空孔和掏槽孔深度均為1 500 mm，空孔間距400 mm，內圈掏槽孔間距282 mm，外圈掏槽孔間距400 mm。具體掏槽孔布置如圖2所示。

圖2 掏槽爆破炮孔布置Fig.2 Distribution of cutting blasting holes

2.2 最大安全裝藥量計算

左線隧道頂板到地表建筑物底板最短距離為15.7 m，建筑物安全允許振速為2.5～5 cm/s[14]，取v允許=2.5 cm/s。基于薩道夫斯基公式[15-16]：

(1)

式中：v為安全振動速度，cm/s；Q為單次爆破最大段藥量，kg；R為監測點與爆源之間的直線距離，m；K、α為與地質特征相關的系數和衰減指數，無量綱。

將前期施工過程中的單次爆破藥量和爆破振動速度監測數據代入式(1)，反算出在該區域地質條件下K=107，α=1.62，然后再將K、α、v允許代入薩道夫斯基公式，計算得到下穿建筑物時爆破施工的最大單段藥量Q=3.685 kg，實際控制在3.6 kg。

2.3 爆破參數設計

鉆機選用YT-28型氣腿式鑿巖機，釬桿長2 000 mm，釬頭直徑φ42 mm。周邊孔裝填直徑φ20 mm的2#巖石乳化炸藥，其他炮孔裝填直徑φ32 mm的2#巖石乳化炸藥。選用毫秒延時導爆管雷管起爆。

左線下穿建筑物區段巖石為中等硬度的風化灰巖，堅硬巖體會產生較大的夾制作用，導致炮孔利用率降低。因此，設計采用淺孔松動爆破，周邊孔深度為1 600 mm，其他炮孔深度為1 200 mm。

左線上臺階、中臺階周邊密集減振孔采用隔孔裝藥模式，即相鄰裝藥孔間存在一個空孔。所有炮孔均采用空氣間隔裝藥結構，即炸藥裝填以后在炮孔內留有一定長度的空氣柱再進行封堵。空氣間隔可作為爆轟產物膨脹空間和爆炸載荷緩沖帶，這樣能夠降低直接作用在孔壁上的能量，從而減小爆破振動[17]。基于此減振原理，周邊減振孔也可以考慮選用較大的不耦合系數。炮孔封堵長度不小于300 mm，封堵材料可就地取用紅黏土，要求封堵密實且有一定強度。

利用延時爆破來減小單段最大爆破藥量以降低振動速度峰值，是控制爆破中常用的技術手段[18]。采用分排延時起爆方式，每一排采用同一段別導爆管雷管進行起爆，4～6個周邊孔、同排崩落孔并聯后用MS2段導爆管雷管引爆，這樣可以控制單段起爆藥量。具體爆破參數和炮孔布置分別如表1和圖3所示。

表1 左洞隧道爆破參數

圖3 左洞隧道爆破炮孔布置Fig.3 Distribution of blasting holes of left tunnel

3 爆破振動監測與分析

3.1 振動監測方案

選用NUBOX-6016型智能振動監測儀進行爆破振動監測。在測振開始前，需要對設計的監測點位置進行地表平整化處理，然后利用黃油(黃油的耦合性能較好)將振動速度傳感器固定在地面上。將4臺NUBOX-6016型爆破振動監測儀沿著左線隧道進尺方向進行布置(見圖4)，監測爆破地震波在建筑物中的傳播規律。監測點MP1布置在工作面正上方，監測點MP2、MP3和MP4布置在工作面正上方向前5、10、15 m位置，共進行10次監測。

圖4 監測點布置Fig.4 Distribution of vibration measuring points

3.2 振動監測結果

經振動監測，得到了爆破振動監測結果如表2所示，振動峰值速度都處于1.175～1.835 cm/s區間內，小于《爆破安全規程》中所規定的安全允許振速2.5 cm/s。根據表2繪制振動峰值速度隨測點位置變化情況如圖5所示。峰值振速隨爆心距的增大先增大后減小，在工作面前方5 m處地表測點振動峰值速度最大。分析認為，導致這種現象的主要原因是空洞效應，即工作面作為自由面，爆破掘進時會有部分能量散失到空氣中，導致工作面正上方測點振動速度減小。此后，則隨著傳播路程的增加，能量發生衰減，峰值振速逐漸減小[12]。

表2 爆破振動測試結果

圖5 峰值振速-測點位置Fig.5 Peak vibration velocity-measuring point location

4 結論

1)為有效控制武漢地鐵隧道27號線下穿建筑物區段鉆爆開挖引起的爆破振動，通過分臺階爆破、松動爆破、直孔掏槽、周邊密集減振孔、空氣間隔裝藥以及延時爆破等優化措施，將監測點振動速度峰值控制在1.175～1.835 cm/s區間內，小于建筑物安全允許振速2.5 cm/s。

2)工作面爆破時會有部分能量散失到空氣中形成空洞效應，造成工作面正上方監測點的振動速度減小，因此峰值振速隨爆心距的增大先增大后減小，最大振動峰值速度出現在工作面正上方向前5 m處。