隧道開挖爆破震動監測與控制技術探析

郭小坤，秦文濤，郝 璐，郭軍峰，洪碧武

(西南交通建設集團股份有限公司，云南 昆明 650000 )

0 引言

隨著公路交通建設不斷擴大，在我國西北山區、丘陵地帶新建了大批公路工程項目。復雜的地質環境下，對山區公路隧道的爆破施提出了更高的要求[1]。作為隧道爆破的一種重要施工手段，鉆爆法的爆破質量直接影響到隧道圍巖和初期支護的穩定性，尤其是在淺埋隧道施工中，爆破過程行程單震動沖擊波往往導致隧道結構失穩[2-4]。因此，針對爆破過程中隧道的穩定性、隧道掘進跑破開挖等技術的研究一直是急需解決的問題。目前，針對隧道爆破震動和監測技術的研究主要有力學分析法[5 ]、現場實測法[6-8]、數值分析法[9 ]、經驗公式法[10-11]等。如國內外采用模型試驗針對大型公路工程項目爆破施工階段穩定性進行處理，在現場爆破監測數據基礎上，融合神經網絡、遺傳算法實現實測值與預測值的擬合，提升對隧道爆破的安全穩定性[12-14]。通過對隧道巖體進行爆破動力響應測試實驗，分析爆破對隧道圍巖錨固的影響，并提出相應的技術措施來提升隧道穩定性等[15]。

本文在相關研究的基礎上，依托某一隧道工程為對象，針對淺埋隧道的特性，從淺埋隧道爆破開挖關鍵技術方面進行動力反應和穩定相關分析，結合隧道開挖監測技術，進行隧道開挖爆破參數優化，并提出相應的隧道結構加護方案，保證隧道開挖爆破的安全性。

1 工程背景

A工程項目為單洞雙車道公路隧道，隧道起點里程K10+215，終點里程K10+833，全長618 m。隧道進口最低高程238.52 m，山脊處最高高程297.21 m，高程差58.7 m。隧道Ⅵ級圍巖長395 m，V級圍巖長223 m。進洞口段表層由厚2.5 m厚亞黏土，下層為強—中等風化斜長淺粒巖，節理裂隙發育，局域成碎塊狀，整體地質條件較差。隧道受左右兩側礦井和山谷地形限制，隧道洞口布置在山坡處，并沿山坡縱向K10+525～K10+833穿越，巖層分布見圖1。隧道出口段K10+727～K10+833表層覆蓋厚度為2.0 m亞黏土，出口段埋深1～10 m，為典型的淺埋隧道。

圖1 隧道洞口段縱斷面圖Fig.1 The longitudinal profile of tunnel opening section

隧道出口段采用上下臺階法施工。考慮到隧道洞口埋深較淺，擬采用超前小導管支護，墻部中空注漿錨桿、鋼格柵結構支護設計方式。超前小導管長3 m，規格φ42 mm×4 mm，并用鋼筋焊接相連。墻體部分采用長3.5 m，直徑25 mm的中空注漿錨桿，環向間距100 cm，噴射25 cm厚C20混凝土。

2 淺埋隧道穩定性分析

2.1 隧道開挖模型建立

本節根據工程隧道出口段淺埋特點，基于MIDAS軟件對隧道施工過程的變形、圍巖應力和應變場進行數值模擬，并將模擬結果與監控數據比較分析淺埋隧道的施工動力特性。

選取隧道出口K10+798斷面層建立數值模型(圖2)。隧道表層為8 m厚的亞黏土，下層為強風化斜長淺粒巖接力裂隙發育，局部呈碎塊狀，綜合確定該圍巖級別為V級圍巖，風化嚴重。隧道拱頂采用φ42 mm×4 mm的超前小導管支護，環向間距40 cm，縱向采用鋼筋焊接相連，間距10 cm。墻部采用φ25 mm的中空注漿錨桿，長3 m，環向間距100 cm，縱向間距50 cm。噴射厚度20 cm的C20混凝土，并掛φ6鋼筋網。

圖2 數值模擬結構Fig.2 Numerical simulation model mesh

考慮到模型的邊界效應，在模型兩側及下部分別取3倍洞徑。模型邊界采用采用滾筒約束，上部為自由面，底部施加豎向約束，兩側水平約束。建模中將拱頂范圍圍巖加強來模擬小導管超前注漿支護，采用摩爾庫輪模型作為隧道圍巖結構，并考慮錨桿支護。根據《公路隧道設計規范》，確定模型圍巖和支護材料見表1。隧道圍巖荷載釋放系數分別取0.5、0.25和0.25[16]。

表1 模型結構參數Table 1 Model structural parameter

2.2 模擬結果分析

通過模擬隧道開挖過程中圍巖和支護結構的應力和應變狀態。圖3為臺階開挖的豎向位移和側壁收斂位移云圖。隧道上臺階開挖完成后，拱頂沉降4.8 mm，拱底反彈6.2 mm，圍巖變形相對較小，淺埋層左側拱墻向內最大收斂1.22 mm，深埋層右側拱墻向內最大收斂1.20 mm，兩者較為接近。

圖3 隧道開挖圍巖支護位移云圖

圖4為隧道上斷面開挖完成圍巖第一主應力和第三主應力云圖。在拱頂形成拉應力，并由內層擴展至地表，形成拉應力帶，拱腰和拱頂部產生應力集中現象，最大拉應力出現在后拱頂部，最大值為6.5 kPa，該處易形成地表開裂，且存在稍許偏壓現象。

圖4 上斷面開挖主應力云圖Fig.4 Principal stress cloud map of upper section excavation

圖5為隧道下斷面開挖后形成的第一主應力和第三主應力云圖。可以看出，拱頂形成大小7.5 kPa的拉應力，該階段已完成了上斷面初襯施工作業，有效降低了拱頂部位的最大拉應力。隧道拱腳處產生應力集中，拱腳最大拉應力438 kPa，拱頂拉應力5.8 kPa。

圖5 下斷面開挖主應力云圖Fig.5 Principal stress cloud pattern of lower section excavation

2.3 現場監測數據結果

采用遠程無線自動監控系統，對施工過程中隧道拱頂沉降、側壁后連和圍巖高度進行監控測量，分別在K10+798斷面拱頂、左右45°拱腰即兩側位置布設應力應變測量裝置，獲得圍巖應力監測數據(圖6)。從監測數據可知，隧道上臺階開挖完成拱頂圍巖壓力、左側拱腰圍巖壓力、右側拱腰圍巖壓力分別為567 kPa、509 kPa和626 kPa。對應模擬結果值分別為495 kPa、489 kPa和501 kPa。

圖6 圍巖應力檢測數據Fig.6 Stress detection data of surrounding rock

根據數值模擬結果和實測比較可見，隧道上斷面開挖完成后，左右側圍巖壓力變化較小。由于地表存在小范圍偏壓，左、右側拱腰數據較為接近，且實測值與模擬值較為接近。

3 淺埋隧道爆破開挖控制

3.1 爆破震動監測

隧道出口K10+727～K10+833洞口為一淺埋隧道，如圖7所示隧道出口埋深高度僅有1～10 m，屬于Ⅴ級圍巖，圍巖風化嚴重。為保證隧道出口段施工安全性，擬采用超前小導管支護、墻部中空注漿錨桿、鋼格柵結構支護設計方式。上臺階采用復式楔塊掏槽，周邊孔光面爆破，開挖高度6.2 m，控制進尺在0.75～1.5 m之間。下臺階采用水平孔拉槽爆破，一次開挖高度4.1 m，為降低爆破震動的影響，選用3～15 ms段導爆管雷管實施起爆作業，控制淺埋段進尺在0.75～2.0之間，圖7為隧道掘進炮孔布置圖。隧道出口段K10+825～K10+833埋深僅1～3 m，選用明挖法施工并布設鋼筋混凝土結構套拱。

圖7 炮孔布置圖Fig.7 The layout map of blasting hole

在隧道出口淺埋段布設監測點，對隧道出口地表、套拱結構、初襯結構進行監測，通過調整施工方案對爆破設計參數進行優化。根據隧道結構特征，測點布置在套拱和掌子面上方地表(圖8a)，以及距離出口段一定距離的淺埋段地表(圖8b)。震動監測采用TC-4850爆破震動記錄儀和傳感器，根據掌子面和測點位置來監測爆破地震波傳播規律。

隧道出口段(K10+825～K16+833)采用明挖施工并布布設鋼筋混凝土結構拱套。為分析爆破地震波對套拱-圍巖接觸帶的影響，根據洞口結構縱向布設監測點，監測點布設形式見圖8a。

圖8 隧道出口段振速測點布置圖Fig.8 Layout map of vibration velocity measuring points at tunnel exit section

3.2 爆破震動對鋼混套拱結構影響

掌子面K10+823隧道拱頂距地表3.2 m，距套拱4～5 m，整個掌子面埋深較淺，上臺階循環進尺1 m，最大單響藥量7 kg，根據表2中震動監測獲得的數據可以看出，在隧道洞口段開挖中，混凝土套拱結構端部受到反射應力波影響，相應的位置測點A的振速4.549 cm/s，明顯高于測點B、C、D位置上的測點振速，且測點A、B、C、D四個測點振速呈現一個逐步遞減趨勢。隨著掌子面與套拱結構距離的增加，套拱結構受爆破震動影響作用下降，此時位于掌子面正上方的測點E震動速度明顯高于其他位置，淺層圍巖受爆破震動的影響顯著增大。從監測結果中可知，在隧道出口開挖段，地震波反射應力對套拱結構端部的拉伸破壞比較明顯，同時，在套拱與圍巖結合面，套拱圍巖和初襯結構也產生了較大的爆破震動。

表2 地表部分測點及振速數據Table 2 List of vibration velocity data at measuring points in the surface

3.3 爆破震動對隧道淺埋段影響

隧道出口淺埋段各測點監測結果見表3。其中距隧道出口33 m處掌子面K10+800隧道埋深7 m，上臺階循環進尺2 m，最大單響藥量25 kg，獲得地表各測點垂直向振速(表3)。由監測數據可以看出，各測點振動速度以掌子面正上方為中心，沿隧道縱向地表逐漸下降。圍巖結構在在隧道開挖過程中發生了較大變化，使得地表震動速度遠大于未開挖區，出現“空洞效應”[17]，布置在已開挖的掌子面兩側測點C的震動速度為12.731 cm/s，相較于尚未開挖的位置D測點的震動速度8.974 cm/s，增幅明顯。

表3 測點及振速數據Table 3 Measuring points and vibration velocity data

在各類炮孔單響藥量固定情況下，掏槽孔爆破形成的地表震動速度幅值是其他類炮孔爆破的2倍，即掏槽孔爆破產生的地震效應最強，由于掏槽孔軸線與掌子面間存在一個夾角，對巖體爆破產生夾制。基于此，為控制隧道爆破震動，可根據隧道埋深、圍巖性質等對掏槽孔裝藥量進行限制，降低爆破震動[18]。

3.4 淺埋隧道爆破震動控制

隧道出口段埋深較淺，導致隧道地表和襯砌結構受地震波頻繁震動作用，引起隧道結構穩定性下降，結合施工方案和震動監測數據，給出合適的減震措施。

采用合理掏槽結構形式。監測結果指出，在各類炮孔單響藥量相同情況下，掏槽孔形成的震動最顯著，這是由于圍巖夾制作用的影響。因此，可采用復式楔形掏槽孔結構，將傳統的大楔形槽結構改為復式小楔形槽結構，降低槽孔裝藥量，同時利用前一級掏槽孔爆破后形成的單空間進行后一級掏槽的爆破，削弱震動強度對隧道圍巖和襯砌的影響，并提升循環進尺。

利用雷管起爆延時分散性。采用高段位雷管起爆輔助孔優化爆破臨空面，并適當增加同段位爆孔數，降低爆破震動強度。對于復雜爆破情況，可利用數碼電子雷管保證延時精度，控制爆破震動峰值和爆破效率。

爆破震動監測和參數優化。對爆破全過程進行震動觀測，重點監測成形淺埋隧道地表、淺埋洞口段、襯砌結構和圍巖界線處，并配合地表沉降、拱頂下沉等監測數據調整爆破參數。

4 結論

1)數值模擬和實測數據結果指出，淺埋隧道開挖施工過程中，拱頂部分產生最大拉應力，形成拉應力帶，拱腰和拱頂部位產生明顯的應力集中現象，拱腰部位產生最大應力，出現偏壓現象。施工中應加強對拱腳及拱腰上方圍巖監護。

2)隧道洞口段開挖中，以掌子面正上方為中心，震動速度沿隧道縱向地表逐漸下降，掌子面正上方震動速度大于掌子面與套拱結合面處，隨著掌子面與套拱結構距離的增加，振速逐步下降。掏槽孔爆破產生的震動效應最強，因此需要對掏槽孔進行結構參數優化。

3)通過采用復式小楔形槽結構形式，對掏槽孔進行參數優化，利用同段雷管起爆延時分散性，控制爆破震動峰值和爆破效率，對隧道開挖爆破全過程進行震動觀測來進行淺埋隧道爆破控制，降低爆破作業對隧道的影響。