軟巖隧道近距下穿敏感建筑物的光面爆破減振施工方案

王曉輝 王 崗 張穩軍 鄭國和 謝華北 管曉明 宋祥剛

(1.中鐵十八局集團第四工程有限公司, 300222， 天津； 2.青島理工大學土木工程學院， 266033， 青島；3.天津大學建筑工程學院， 300072， 天津∥第一作者， 高級工程師)

近距下穿建筑物隧道的爆破開挖極容易損壞建筑物，造成巨大的經濟損失和社會不良影響。因此，需要采取有效的措施來降低爆破振動的影響，以避免引起周邊建筑物的損傷，并保證隧道施工安全、高效地進行。目前，國內外對隧道爆破振動的控制措施主要分為2類：

1) 對爆源采取控制措施以有效降低爆破振動。如：采取高精度非電雷管或電子雷管延時爆破以降低掏槽段藥量或最大段藥量，多級復合式楔形掏槽，采用CD(中隔壁)法、CRD(交叉中隔壁)法等分部爆破開挖方法。后來，爆破減振開始出現多種方法的組合減振。文獻[1]提出一種將傳統爆破技術與預切割工藝相結合的減振開挖方法；文獻[2]提出了超大斷面淺埋隧道爆破的復合楔形掏槽技術+外層空間差分爆破技術的爆破減振方案；文獻[3]提出了超前下導坑非爆破開挖+預留光爆層控爆開挖技術和上臺階非爆破開挖+下臺階控制爆破技術；文獻[4]研究電子雷管單孔間隔爆破的延時計算方法，爆破減振效果相比普通非電雷管可以有效降低50%以上。

2) 在爆破地震波傳播途中采取減隔振措施。如：機械開挖減震帶和減震層，雙線隧道開挖時在隧道之間設置小導管隔振；文獻[5]得出預設的砂質緩沖層質點振動速度峰值相比未預設砂質緩沖層時降低了34%左右；文獻[6]得出有減震帶的較無減震帶的原點振幅小，振幅平均降低84%。

本文以杭紹臺(杭州—紹興—臺州)鐵路隧道下穿某敏感的文物收藏建筑物的軟巖爆破工程為背景，根據隧道圍巖的實際情況，結合隧道爆破理論和類似工程實踐，通過優化爆破方案和開挖方案，提出了適用于Ⅴ級圍巖的淺埋隧道減振爆破方案，并驗證了方案的有效性和合理性。

1 隧道的爆破開挖方案設計

杭紹臺鐵路隧道下穿段里程為NXK2+020～NXK2+110。下穿段隧道長90 m，共計影響6棟建筑物，其中3棟位于隧道正上方，其余3棟距開挖線較近。這些建筑物主要為二層磚砌建筑物，建設年代久遠，抗振性能較差。下穿段隧道埋深H約為18.5～17.2 m，屬于淺埋隧道(H<2B，B為隧道跨度)。下穿段圍巖級別為Ⅴ級，屬于軟巖。Ⅴ級圍巖拱部以中風化巖及微風化巖為主，側壁主要為中風化巖，巖體完整、較堅硬。中風化巖具一定富水性，地下水埋藏淺。

對于軟巖隧道多采用三臺階爆破開發方案，或雙側壁導坑法爆破開挖方案。本文選取一小段隧道作為試驗段，對爆破方案進行研究。

1.1 三臺階法爆破開挖方案及振動測試結果

試驗段采用上、中、下三臺階法進行爆破施工。上臺階施工跨度和高度分別為15.27 m及4.93 m，采用一級楔形掏槽。本次爆破為1次爆破，采用導爆管非電雷管起爆。上臺階進尺為1.5 m，掏槽孔深度為2.5 m，單孔藥量為0.9 kg，輔助眼單孔藥量為0.9～0.8 kg，周邊孔藥量為0.6 kg。由于沒有臨空面，上臺階施工對建筑物的影響最大，故本文重點研究上臺階爆破。上臺階爆破施工的炮眼布置如圖1所示。

注：圖中數字表示該炮眼的毫秒雷管段數。圖1 上臺階炮眼布置圖Fig.1 Layout of cross section blast hole

在爆破掌子面正上方的地表布置測點，采用爆破振動測試儀進行地面爆破振動測試。經實測，橫向(X向)、縱向(Y向)及豎向(Z向)的峰值振動速度分別為1.64 cm/s、1.81 cm/s及3.79 cm/s，主振頻率分別為7.0 Hz、9.7 Hz及5.8 Hz。根據GB 6722—2014《爆破安全規程》，對于一般的民用建筑物，當主振頻率小于10.0 Hz時，爆破振動速度的控制值為1.5～2.0 cm/s。根據建筑物質量和新舊程度，可確定本項目的安全標準為1.5 cm/s。從本試驗段爆破振動測試結果來看，X向、Y向及Z向的主振頻率均小于10.0 Hz，而峰值振動速度均超過1.5 cm/s，且Z向振動速度超過3.0 cm/s，如果采用三臺階法爆破開挖方案，則爆破地震波很有可能會造成建筑物的振動開裂，因此，需選擇爆破影響更小的爆破開挖方案。

1.2 雙側壁導坑法爆破開挖方案

為將拱頂變形、地表沉降及爆破振動速度均控制在設計要求限值內，確保敏感建筑的房屋結構安全，本項目計劃采用雙側壁導坑法爆破開挖方案施工，將整個斷面分成三大部分六小部分進行減跨開挖支護，以最大限度地抑制拱部變形及地表沉降。

雙側壁導坑法爆破開挖方案的開挖斷面及炮眼布置如圖2所示。該方案具體施工方法為：首先，左側導坑分上下臺階開挖，，步距為4.0～6.0 m；左側導坑進尺達到8.0～12.0 m后，右側導坑開始分上下臺階開挖，步距為4.0～6.0 m；每個臺階循環進尺1榀鋼架間距；軟巖下穿段采取微差控制爆破技術，循環進尺不大于1.0 m；右側導坑進尺達到12.0～18.0 m后，中部導坑開始分上下臺階開挖，步距為4.0～6.0 m。

注：圖中數字表示毫秒雷管段數。圖2 開挖斷面分部及炮孔布置圖Fig.2 Blast holes layout at excavation section

2 隧道光爆減振的參數設計

2.1 炮眼數量

炮眼數量N為

N=qS/ar

(1)

式中:

q——炸藥設計單耗，取決于炸藥性能、巖石性質、斷面面積、炮眼直徑和炮眼深度等因素；q取1.20 kg/m3;

S——開挖斷面面積；圖3中Ⅰ部面積為24.8 m2，Ⅴ部面積為40.7 m2；

a——裝藥平均系數；當藥包直徑為32 mm時，取0.6～0.65，本文取0.60[8]；

r——每米藥卷的炸藥質量；現場采用2號巖石防水乳化炸藥，藥卷長度為200 mm，質量為200 g，因此r取1.0 kg/m。

根據式(1)可得：圖3中Ⅰ部N=49.6個，取50個；Ⅴ部N=81.4個，取82個。

2.2 炮眼布置

2.2.1 掏槽眼布置

隧道掏槽一般有斜眼掏槽和直眼掏槽兩種方式。采用斜眼掏槽方式時，炮眼深度受井巷斷面的限制，尤其在小斷面井巷中更為突出。采用直眼掏槽方式時，炮眼深度不受井巷斷面限制，可以實現中深孔爆破；當掏槽深度改變時，掏槽布置可不變，只需調整藥量。由于雙側壁導坑法分部開挖的斷面較小，故采用直眼掏槽方式。掏槽眼布置在分部開挖面中間，平行空孔直眼角柱狀掏槽，孔距為400～500 mm，超深0.2 m，孔深1.2 m。掏槽眼周圍布置擴槽眼。掏槽眼縱斷面布置如圖3所示。

a) 掏槽孔設計正視圖

2.2.2 周邊眼布置

在周邊眼布置中，選擇合理的最小抵抗線尤為重要。光面爆破最小抵抗線長為:

Wmin=bd

(2)

式中：

Wmin——光面爆破最小抵抗線長；

b——光面爆破抵抗線的計算系數，取10～20；

d——炮孔直徑。

由于試驗段圍巖級別為Ⅴ級，地質條件較差，d=4.0 cm時Wmin=15d，即60 cm。

炮眼密集系數m取0.6～1.0。圍巖條件越好，m越大。考慮到試驗段圍巖條件較差，故本試驗中m取0.7。

一般光面爆破的周邊眼間距為:

L=mWmin

(3)

由此可得L=420 mm，實際取L=400 mm。

周邊眼裝藥結構采用不耦合間隔裝藥。現場爆破采用2#巖石乳化炸藥，炮眼直徑為42 mm，全部裝32 mm直徑藥卷，不耦合系數僅為1.25。為減小周邊眼爆破對圍巖的破壞，每個周邊眼底部集中裝1.5卷炸藥，其余段分3個間隔裝1/3卷炸藥。

2.2.3 輔助眼布置

在掏槽眼與周邊眼之間設輔助眼。輔助眼均勻布置即可，可采用線性布置形式，也可采用環形布置形式。一般情況下，輔助眼抵抗線長應小于同排(同一環形)炮孔間距，常為炮孔間距的80%～100%。輔助眼孔深1.2 m，孔間距為800 mm，最小抵抗線長600 mm。

2.2.4 底板眼布置

底板眼設計長度為100 cm，相鄰底板眼間距為800 mm。

2.3 炮眼裝藥量計算

各分部總裝藥量按炮眼個數和單孔裝藥量計算。圖3中，掏槽眼單孔裝藥量為0.6 kg，擴槽眼和輔助眼單孔裝藥量為0.4 kg，周邊眼單孔裝藥量為0.3 kg。計算可得，Ⅰ部、Ⅲ部總裝藥量Q1=Q3=18.3 kg，Ⅱ部、Ⅳ部總裝藥量Q2=Q4=11.7 kg，Ⅴ部總裝藥量Q5=30.4 kg，Ⅵ部總裝藥量Q6=13.1 kg。由此，每循環進尺總裝藥量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=103.5 kg。

3 實測結果分析

本項目采用雙側壁導坑法進行隧道爆破施工，爆破振動速度要求嚴格控制在1.50 cm/s之內。當隧道開挖到建筑物正下方時，爆破對建筑物的影響最大，爆破振動速度也最大，為最不利工況。最不利工況下，I部及Ⅴ部爆破時產生的振動最大，故重點測試I部及Ⅴ部爆破時建筑物的振動情況。10次典型監測結果如表1所示。

表1 最不利工況下I部及Ⅴ部爆破時建筑物的10次典型振動監測數據

現場實際監測結果表明：采用雙側壁導坑法方案有效地控制了爆破產生的振動強度，爆破峰值振動速度為0.21～1.46 cm/s。當采用臺階法爆破方案時，地表質點最大的振動速度峰值為3.79 cm/s；采用雙側壁導坑法，地表質點最大振動速度峰值僅為1.46 cm/s，小于振動速度控制限值1.5 cm/s，其振動強度比臺階法爆破方案振動強度降低了約60%。此外，雙側壁導坑法方案各炮孔起爆順序更合理，不同起爆段的藥量分布也更合理，振動強度在時間上分布比較均衡。

本工程由于采用了周邊炮孔光面爆破技術，實現了爆破后無明顯超欠挖現象，爆破輪廓面光滑，有效減少了爆破對周邊圍巖的損傷，取得了較好的爆破效果和減振效果。

4 結語

本文依托杭紹臺鐵路軟巖隧道爆破工程為背景，提出適用于隧道下穿建筑物時Ⅴ級圍巖雙側壁導坑法開挖方案，并通過現場試驗驗證了方案的合理性，可得到以下結論：

1) 隧道下穿敏感文物建筑物時，爆破參數的選擇應根據現場地質條件以及施工方式合理選擇。在試驗段選用三臺階方法爆破開挖時峰值振動速度達到3.79 cm/s，遠超建筑物的控制標準，故需采取更減振的雙側壁導坑法爆破開挖方案。

2) 當爆破掌子面面積較小且圍巖等級較低時，可采用直眼掏槽雙側壁導坑法光面爆破開挖方案來代替斜眼掏槽的多臺階爆破開挖形式。

3) 采用雙側壁導坑法光爆減振方案后，實測地面的爆破峰值振動速度為0.21～1.46 cm/s，不僅滿足了建筑物的振動控制要求，且爆破峰值振動速度明顯較低，爆破減振效果顯著。