分岔段超小凈距隧道爆破圍巖振動衰減特征

劉傳陽，楊年華，張雷彪，黃仕凱

(1.中鐵電氣化局鐵路工程公司，北京100036；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京100081)

隨著交通基礎設施建設的迅速發(fā)展，交通隧道中經(jīng)常遇到一條雙線隧道分岔成兩條單線隧道的情況，在隧道分岔段兩條單線隧道的隔墻間距非常小，相鄰隧道爆破可能造成鄰近隧道嚴重的爆破振動安全問題，直接影響隧道隔墻的安全穩(wěn)定。筆者結合臺州市域鐵路S1線城南藤嶺隧道分岔段爆破施工的經(jīng)驗，研究了鄰近隧道的爆破振動衰減規(guī)律，對超小凈距隧道爆破振動控制有重要參考價值。

1 工程概況

臺州市域鐵路S1線城南隧道城區(qū)段采用盾構法施工，山嶺段隧道采用鉆爆法掘進，從S1DK48+332開始向小里程方向，由單洞雙線分岔為雙洞單線，如圖1所示。勘察資料表明S1DK48+363～S1DK48+270段圍巖整體為中～弱風化凝灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育，巖體呈塊狀，屬于Ⅲ級圍巖。分岔處圍巖隔墻僅厚2.4 m，前進62 m后隔墻厚度逐漸增至4.2 m，該段隧道屬于超小凈距隧道施工區(qū)。雙洞單線部分隧道寬7 m、高9 m，開挖面積56.05 m2；單洞雙線部分隧道寬16.4 m、高12.8 m，開挖斷面積在143.3 m2。

2 隧道分岔段爆破施工方法和振動測試方案

2.1 爆破施工方法

在確保安全的前提下，為加快施工進度，右線隧道先行，右線隧道掌子面前進70 m以后再開挖左線隧道。左線隧道鉆爆開挖時應加強對中隔巖墻的安全監(jiān)測，并采用分部爆破法掘進。即先爆破開挖遠離中隔巖墻的大半斷面，再爆破靠近隔墻的預留光爆層(見圖2)。

圖2 爆破開挖順序及預留光爆層炮孔布置Fig.2 Blasting excavation sequence and blast-holes layout for smooth blasting of preserved layer

由于預留光爆層爆破有良好的臨空面條件，可最大限度減弱爆破對隧道中隔墻巖體的損傷破壞，還能最大限度降低相鄰先行隧道的爆破振動。另外，在先爆破的①區(qū)，因掏槽爆破孔盡量遠離中隔巖墻，從而降低了掏槽爆破的振動影響，達到安全高效掘進的目的。爆破設計技術參數(shù)如表1所示。但在實際鉆孔爆破過程中受地質(zhì)條件變化及鉆爆人員的操作影響，不可能完全按照設計的孔數(shù)和藥量爆破，后面的振動衰減規(guī)律統(tǒng)計分析都是以現(xiàn)場跟蹤記錄獲得每一炮的真實數(shù)據(jù)為依據(jù)。

表1 左線隧道技術參數(shù)

2.2 振動監(jiān)測方案

根據(jù)以往的經(jīng)驗和模擬計算，相鄰隧道爆破產(chǎn)生的爆破振動最大值基本位于隧道起拱處或直墻中部[1-2]。因此在右線先行隧道段的隔墻中部布置爆破振動監(jiān)測點最具有代表性(見圖1)。圖1b中1#～5#測點分別距離分岔點為5、10、20、40、62 m，各測點的振動速度傳感器埋放在墻壁內(nèi)。為研究隧道分岔處后行左線隧道爆破對相鄰右線隧道隔墻的振動安全問題，分為4組分析研究爆破振動衰減規(guī)律。①區(qū)掏槽爆破和②區(qū)預留光爆層爆破對前方未形成中隔墻區(qū)段和后方已形成中隔墻區(qū)段的振動傳播和影響關系如圖3所示。

圖3 爆破振動波向隔墻前后傳播Fig.3 Seismic wave propagates to the front and back of the partition rock wall

3 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 4組爆破振動衰減規(guī)律對比分析

從隧道分岔處開始向前70 m范圍隧道圍巖都是中～弱風化凝灰?guī)r，地質(zhì)條件基本相同，中隔巖墻厚度變化較緩，可以當成2條超小間距隧道看待。因此在本區(qū)段開展的4組爆破振動測試狀況具有可比性，試驗成果也可用于類似超小凈距隧道的爆破振動控制。

圖4 未形成隔墻區(qū)段的爆破振動衰減規(guī)律Fig.4 Attenuation law of the blasting vibration on the front without partition wall

從圖4～圖5的爆破振動衰減規(guī)律來看，可以得到。

1)相鄰隧道爆破對前方未形成中隔巖墻區(qū)段的爆破振動相對較小，但衰減較慢；對后方已形成中隔巖墻區(qū)段的爆破振動系數(shù)K值比前方未形成中隔巖墻區(qū)段要大1.4倍左右。分析其原因，主要因中隔巖墻兩側都臨空后自由度增大，且振動波發(fā)生往復反射疊加，使得臨空的中隔巖墻對振動有一定放大作用。表現(xiàn)為爆源附近最大振動速度分量為垂直臨空面的x方向；隨著振動波傳播距離增大，測點至爆源徑直方向逐漸趨向平行臨空面的y方向，所以20 m以外的測點基本上最大振動速度分量為y方向。雖然爆源附近中隔巖墻的振動強度有所放大，但隧道挖空后中隔巖墻兩面臨空，爆源向中隔巖墻后方傳輸?shù)恼駝幽芰繙p小，距離越遠后方的振動波能比前方更顯著衰減，表現(xiàn)為爆破振動幅值衰減較快，實測振動衰減指數(shù)α大于1.5。

2)①區(qū)掏槽爆破的振動明顯大于②區(qū)預留光爆層的爆破。分別將圖4、圖5中圖a和圖b對比，發(fā)現(xiàn)圖a中①區(qū)掏槽爆破的振動系數(shù)K值比圖b偏大約1.2倍。實際上雖然②區(qū)預留光爆層爆破的單段藥量達5～10 kg，但對應洞壁上測得的爆破振動速度峰值并不大，多數(shù)情況下都小于①區(qū)掏槽爆破單段藥量為3～5 kg的爆破振動幅值。其主要原因是：①區(qū)掏槽爆破臨空面條件差，爆破夾制作用大，所以有更多的爆破振動能量傳入圍巖中，而②區(qū)預留光爆層爆破已經(jīng)有充足的臨空面條件，爆破破巖產(chǎn)生的反作用力較小，從而只有更小的爆破振動能量傳入圍巖中。

3.2 各段別雷管爆破振動衰減規(guī)律對比分析

通常分析爆破振動衰減規(guī)律時，只統(tǒng)計最大單響藥量及對應的最大爆破振動速度峰值，如果不對應振動波形的時段分析，這樣簡單的統(tǒng)計回歸分析，可能會因最大單響藥量與最大爆破振動速度值不能對應，而得出錯誤的結論。根據(jù)以往的經(jīng)驗，我們知道掏槽爆破產(chǎn)生的振動強度最大[2-3]，這基本上是公知的認識。本次試驗完整地對每個雷管段別的炮孔數(shù)及藥量總和進行了統(tǒng)計，并對應地分析了各段雷管起爆時間對應的爆破振動峰值速度，據(jù)此全面對比分析各段別雷管爆破對應的振動衰減規(guī)律，①區(qū)MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13段雷管爆破對應的振動速度衰減規(guī)律如圖6所示，因使用MS1段雷管爆破炮次較少，受炮數(shù)限制在此只能放棄MS1段雷管的對比。

圖6 各段雷管的爆破振動速度衰減規(guī)律Fig.6 Attenuation law of the particle vibration velocity for blasting in each delay group

從以上統(tǒng)計規(guī)律中得到如下認識。

1)隨導爆管雷管段位增大，同段炮孔起爆時差的離散性增大[2-6]，回歸統(tǒng)計分析得到的相關性變差。鑒于雷管段位越高，同段位各炮孔實際起爆時間偏差越大。MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13段雷管爆破的實測波形如圖7所示。

圖7 典型實測爆破振動波形Fig.7 Typical waveform of blasting vibration measured in site

從圖7看出，MS7段以內(nèi)的雷管爆破振動波形時寬較窄，說明各炮孔基本同時爆炸，振動波時段比較集中。MS7段以上雷管爆破振動波形時寬明顯變長，尤其MS11段雷管炮孔數(shù)最多(16孔)，振波顯示MS11段雷管在420～510 ms時段發(fā)生爆炸，所以振動波比較分散；MS13段雷管共3個炮孔，振動波時寬也在620～680 ms范圍，基本上為各孔單獨爆炸。波形分析表明高段位雷管不適合將所有炮孔的藥量合并，再按單響藥量來回歸分析爆破振動衰減規(guī)律。我們嘗試單獨統(tǒng)計各段位雷管爆破藥量及對應的振動速度最大值，發(fā)現(xiàn)掏槽爆破的MS3段雷管對應的回歸分析參數(shù)K、α值比較合理，且趨勢線相關性很好；MS5段雷管對應的回歸分析參數(shù)K、α值可供參考，趨勢線相關性好；MS7段以上雷管爆破所得回歸趨勢線超出合理范圍了，且相關性逐漸變差。說明對于隧道爆破且距離較近的范圍內(nèi)，非掏槽爆破的高段位雷管引爆，難以獲得準確的爆破振動衰減規(guī)律。因為其高段位雷管起爆延遲誤差很大，而且擴槽孔或周邊孔分布距離分散，導致各炮孔至測振點的距離變化較大，難以準確計算出真實的單響起爆藥量和爆源距離，所以按照薩道夫斯基公式分析時，不能將爆破振動幅值對應真實的單響起爆藥量和爆源距離。如果該測振點處于10倍洞徑以外，擴槽孔或周邊孔的距離分散致使同段爆源距離發(fā)生的變化可以忽略，但高段位雷管的延時誤差仍然不能忽略。因此，高段位雷管爆破預測的振動衰減規(guī)律可靠性很低。

2)隨導爆管雷管段別增大，且相應的爆破臨空面條件變好，振動系數(shù)K值變小，高段位雷管單段起爆藥量可以顯著增加。隧道爆破掘進一般由中間掏槽向外擴爆，首爆掏槽孔臨空面條件最差，后續(xù)各段爆破臨空面條件逐漸變好。根據(jù)各段波形峰值速度判讀及相應的統(tǒng)計回歸趨勢線分析，完好映證了MS3段雷管掏槽爆破振動峰值速度最大，隨后各段位爆破臨空面條件逐漸變好，產(chǎn)生的爆破振動峰值速度顯著降低，表現(xiàn)為K值明顯變小(見圖6)。當然高段位雷管爆破振動系數(shù)K值變小的原因也與同段位雷管非同時起爆有關，但是根據(jù)各段爆破藥量和對應的振動峰值速度分析，最重要的原因是臨空面條件變好、爆破夾制作用減小，極大地降低了爆破振動效應，導致K值明顯變小。因此MS7段以上雷管爆破單段藥量可以加大，雷管段位越高單段藥量可以更大，而且MS7段以上雷管不需跳段使用，雷管段位連續(xù)排列不會導致爆破振動疊加，也不會影響爆破效果，反而更加方便降減單響藥量，提高爆破進尺。

4 結語

1)后行隧道爆破對前方未形成中隔巖墻區(qū)段的振動相對較小，但衰減較慢；對后方已形成中隔巖墻區(qū)段的爆破振動有所放大，表現(xiàn)為振動系數(shù)K值比前方未形成中隔巖墻區(qū)段大1.4倍左右。

2)掏槽爆破的振動大于預留光爆層的爆破，表現(xiàn)為掏槽爆破的振動系數(shù)K值比預留光爆層爆破約大1.2倍。

3)隨導爆管雷管段別增大，炮孔起爆時差的離散性增大，回歸統(tǒng)計得到的相關性變差，按薩道夫斯基公式統(tǒng)計爆破振動衰減規(guī)律性較差。

4)由掏槽向周邊擴挖爆破，導爆管雷管段別逐漸增大，且相應的爆破臨空面條件變好，振動系數(shù)K值變小，MS7段以上高段別雷管單段起爆藥量可以顯著增加。