隧道開挖施工的爆破振動監測與控制技術探討

張業偉

（中國建筑材料工業地質勘查中心浙江總隊，杭州 310022）

1 爆破振動理論概述

爆破振動理論是研究爆破地震波產生機理、傳播規律的理論[1]。爆破振動源于巖體內炸藥爆炸產生的爆破地震波，爆破地震波可以在巖體內傳播。裝藥在巖體或其他固體介質中爆炸所激起的應力擾動的傳播稱為爆炸應力波。爆炸應力波在距爆源點不同距離的區域內可出現塑性波、沖擊波、彈塑性波、彈性應力波和地震波等。

多數巖石在爆炸沖擊荷載作用下激起的爆炸應力波主要是沖擊波、彈性應力波和爆炸地震波。沖擊波具有陡峭波頭，以超聲速傳播，傳播過程中能量損失較大，應力衰減很快，作用范圍很小，衰減后變為壓縮應力波。壓縮應力波以聲速傳播，傳播過程中能量損失比沖擊波小，衰減較慢，作用范圍則較大，衰減后變為地震波。沖擊波和應力波都是脈沖波，無周期性，能對巖石造成不同程度的破壞作用，而地震波為周期振動的彈性波，應力上升時間與下降時間大體相等，以聲速傳播，衰減很慢，作用范圍最大，但不能對巖石造成直接的破壞作用，只能擴大巖體內原有的裂隙，威脅爆破地點附近建筑物的安全[2]。

由上述分析可知，沖擊波具有傳播距離短、破壞范圍小、粉碎巖體的作用；應力波具有引發巖體質點擴張、徑向位移、切向拉伸應變的作用，且可致使巖體質點沿著平衡位置做出直線往復運動或曲線往復運動；地震波具有延展巖體內裂縫、加劇地表建構筑物振動破壞、巖體局部相互錯動的作用[3]。

2 隧道開挖施工的爆破振動的監測

2.1 監測目的

某工業村片區隧道爆破開挖工程段位里程為K0+195～K0+650，為雙洞雙向6 車道隧道，隧道左洞、右洞長度相同，均為455 m。隧洞爆破開挖凈斷面寬度為18.0 m，高度為11.5 m。工程周邊地質如表1 所示。

表1 隧道爆破開挖工程左右洞各級圍巖所占比例

隧道洞身主要為中風化凝灰巖巖石，圍巖級別為IV 級+III 級；隧道出入洞口段由坡積碎石土、強風化灰巖組成，級別為V 級。其中，在隧道入口及明挖段存在山體（東側）、正上方為500 kV 高壓線；東側240 m 為高壓線鐵塔，該鐵塔距離隧洞洞身水平距離約50 m，高差約100 m；南側200 m 為110 kV高壓線鐵塔，該條高壓線位于山頂的鐵塔離洞身水平距離約40 m，高差約150 m，距離爆破點50 m 為水庫溢洪閘門及配套房屋，距離爆破點90 m 為水庫大壩；其他方向300 m 范圍內無重要保護對象。基于周邊建筑對振動敏感程度的差異，可以將隧道爆破開挖工程距離50 m 的水庫溢洪閘門及配套房屋及距離90 m 的水庫大壩作為重點對象，以監測對象安全狀況、破壞狀況作為評估指標，預先發現、通報、控制爆破災害，降低爆破振動的負面影響[4]。

2.2 監測內容

隧道開挖施工的爆破振動監測的主要內容為微振動監測，監測樣點為兩點。如圖1、圖2 所示，監測點1 與監測點2所測振速結果均低于國家規范GB 6722—2014《爆破安全規程》規定的安全允許振速（5 m/s），滿足安全要求。

圖1 測點1

圖2 測點2

2.3 監測方法

根據微振動監測需求，利用成都中科測控有限公司生產的TC-4850-3 爆破測振儀，本工程爆破測振儀參數設置觸發電平：0.01 cm/s，觸發模式：內觸發，記錄模式：多次分段，記錄時長：2 s；炮次：10 次；炸藥量：55 kg。

爆破測振儀監測參數設置完畢后，根據監測對象分布情況分兩組同時布置監測點。一個監測點位與試爆點中心距離約50 m，另一個監測點位與試爆點中心距離約90 m。起爆前10 min，利用TC-4850-3 爆破測振儀連續實時采集數據，每施爆一次自動采集一次數據，監測報警值為5 cm/s（GB 6722—2014），連續采集至爆破結束。最終結果見表2。

表2 爆破振動監測結果

3 隧道開挖施工的爆破振動技術

3.1 控制最大裝藥量

技術人員可以結合炸藥爆炸所產生的地面震動速度計算公式（薩道夫斯基公式），計算隧道爆破開挖施工的最大裝藥量控制標準。炸藥爆破時產生的地面震動速度如下：

式中，V 為介質質點振動速度，cm/s；k 為與爆破條件有關的系數，在介質為巖石時，k=30～70，介質為土質時，k=150～250；a為與巖石特性有關的系數，a=1～2；Q 為炸藥量，齊發爆破時總裝藥量或分段起爆時最大一段裝藥量，kg；R 為爆心距離，m。

由式（1）可知，炸藥爆破時產生的地面振動速度與爆破裝藥量呈正相關，通過控制最大裝藥量可以控制隧道爆破振動強度。一般在爆破炸藥的單位消耗量較多時，爆破振動與空氣沖擊波數值也較大，極易引發巖塊過度位移、拋擲問題，反之則會導致自由面反射的拉伸波效應延遲、縮小。因此，技術人員應結合爆破試驗確定最適宜的單位炸藥消耗量[5]。

3.2 合理應用微差起爆技術

微差爆破指在毫秒級時間間隔下，分批次起爆裝填炸藥的方式。在炸藥總裝藥量、其他條件一定的情況下，微差起爆的爆破振動速度較齊發爆破振動速度小40～60 cm/s。根據隧道爆破開挖工程地質特點以及周邊敏感建筑位置，設定微差爆破間隔時間為3.0～6.6 ms，質點振動速度控制目標為6.0 cm/s。進而可以選擇具有抗水性、可直接起爆銨梯炸藥、普通導爆索以及由不帶電點火裝置毫秒延期雷管+消爆管組成的導向繼爆器。設備準備完畢后，利用復式楔形掏槽方式布置孔線形，以線形起爆，在保證鉆孔效率的同時，便于調整起爆網絡參數，控制延時時長，優化掘進孔臨空面，降低質點振動速度。

3.3 有效控制爆破時差

由隧道爆破開挖振動監測結果可知，靠近自由面的炮孔爆破振動小于遠離自由面的炮孔爆破振動。此時，可以通過爆破時差的有效控制，促使多排孔爆破時排間延發間隔時間超出排內孔間延發間隔時間。同時，盡可能優化炮孔爆破松動條件，降低爆破振動。比如，控制淺埋隧道敏感區段爆破時差時，可以將2 個小體積淺直眼炮孔增設在多級楔形掏槽中心，改善下一級斜眼掏槽爆破臨空面條件，降低爆破夾制作用以及爆破振動。進而利用高精度孔外延時雷管，根據電子數碼雷管高精度、任意延時設置的優勢，優化爆破法案。在保證成對斜眼起爆時間相同的同時，促使同一排的掏槽斜眼微差延時錯峰。此時，在炮孔爆破后需要10.0 ms 的延時時間，可以有效錯開爆破振動峰值，達到抑制振動波公害的效果。

為盡可能減少巖石爆破振動對敏感建筑的危害，技術人員應以分割前排炮孔起爆后形成的振動波主振相為目的，設定圍巖周邊眼距為0.45～0.55 m，最小抵抗線為0.70 m，炮眼深度為5.0 m。進而準備1～15 段非電毫秒延期雷管以及間隔200 ms 的等差雷管。其中，掏槽孔采用非電毫秒雷管1～7 段，擴槽孔、掘進孔、二圈孔、周邊孔與底板孔則利用8～15 段等差雷管，控制爆破平均循環時間在17.5～18.0 h，平均振速在0.28～0.52 cm/s。

3.4 采用預裂爆破技術

預裂爆破特指在起爆源、被保護物體之間進行一排垂向孔的鉆鑿，垂向孔與地表角度呈90°。在垂向孔鉆鑿后，事先在主裝藥孔爆破前對垂向孔進行裝藥施爆，獲得一個與地層表面呈90°的裂隙面，促使地震波在到達地面前出現反射，盡可能減小地震波向被保護物透射的能量。除垂向孔鉆鑿外，技術人員還可以選擇挖掘減振溝的形式。即在起爆源、被保護物之間挖掘一條溝道（或鉆鑿密集分布的若干排空孔），利用減振溝的反射波效用，降低隧道爆破開挖時振動公害。

在應用預裂爆破技術時，效果受不耦合作用、裝藥結構、起爆時間間隔、鉆孔質量、堵塞長度等因素的影響[6]。其中，不耦合作用指利用裝藥、孔壁之間的間隙減弱炸藥爆破作用于孔壁的初始壓力，在線裝藥密度一定的情況下，不耦合系數與孔距呈負相關，一般可以設定不耦合系數在2～4；裝藥結構是保證細長藥卷間隔起爆可靠的關鍵，技術人員需要根據炮孔底部夾制作用，沿炮孔內孔全長進行導爆索敷設；起爆時間間隔是振動控制的關鍵，需要促使預裂孔超前于主炮孔起爆，超前延時在100.0 ms 以上；為保證鉆孔質量，技術人員應選擇同一個平面，垂直鉆孔，促使孔底落入一條水平線，垂直鉆孔偏差在20.0 cm 以下，孔底水平偏差在15.0 cm 以內；堵塞長度是保證高壓爆炸振動控制的關鍵，為形成完整的預裂縫，技術人員應控制堵塞長度在孔徑的12～20 倍。

4 結語

通過爆破監測不僅可以及時發現隧道爆破開挖過程中存在的振動風險苗頭，而且可為隧道爆破開挖風險的預先控制提供依據。因此，在隧道開挖施工過程中，為盡可能降低隧道開挖施工的爆破振動負面效應，技術人員應根據監測結果，在控制隧道爆破開挖最大裝藥量的同時，恰當應用微差起爆技術控制爆破時差。結合預裂爆破技術的合理應用，保障隧道爆破開挖順利進行。