臨海大斷面超淺埋公路隧道側穿敏感建筑物控爆技術

李 剛

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引言

近些年來，隨著城市隧道工程建設的發展，下穿城市主干道及建筑物的隧道工程案例大量涌現，如何有效控制鉆爆法城市隧道施工產生的爆破擾動對周圍環境的影響引起了學者及施工單位的密切關注[1-4]。王明年等[5]通過現場試驗與數值模擬研究了隧道爆破開挖產生的地震波對既有隧道襯砌結構穩定性的影響。Xue等[6]給出了鄰近隧道爆破振動的安全閾值。陽生權等[7]通過對小凈距公路隧道爆破振動的監測，發現爆破規模與爆心距對爆破振動效應的影響程度很大。Yang等[8]根據現場實測給出了爆破施工時隧道表面及圍巖內部的振動特征。占城、劉斌、黃華東和Xue等[9-12]通過理論分析、數值模擬等方法對城市鉆爆法隧道施工產生的爆破地震波對周圍環境的影響、圍巖及周邊建筑物引起的動力響應進行了研究。費鴻祿等[13]采用現場監測的方法探討了隧道爆破施工振動至地表的傳播規律，并基于數值模擬結果對薩道夫斯基公式進行了修正。對于近距離穿越地表建筑物的城市隧道，管曉明等[14]發現采用電子雷管逐孔起爆可有效降低地表振動強度，同時能夠提高地表振動主頻。隨著城市隧道修建技術的發展，城市鉆爆法隧道控制爆破及配套施工技術研究逐漸引起重視，但是在超淺埋、超大斷面公路海底隧道下穿城市主干道、側穿敏感建筑物段的實施案例較少，在隧道沿線建筑物減隔震措施、爆破參數優化等方面的研究尚有欠缺。

本研究依托的廈門廈門第二西通道(海滄海底隧道)工程，位于沿海超淺埋回填區域，所在區域地質條件復雜，周邊環境敏感，地下水豐富，與海水連通[15]。為確保項目順利進展，對其陸域段隧道進行施工技術研究，從減隔震技術、爆破方案設計和爆破參數選擇的角度提出城市鉆爆法隧道施工控制爆破技術，并通過現場試驗對控爆方案進行驗證。

1 爆破振動經驗公式

大量實踐表明，爆破引發地表振動速度最主要的影響因素包括最大裝藥量、爆心距及巖土體介質的性質。因此，大部分計算爆破振速的經驗公式均與此相關，其基本形式為：

V=KQnR-m，

(1)

式中，V為爆破振速；Q為1次起爆藥量；R為爆心距；K，n，m為有關常數。各國的研究人員根據試驗數據，得到了不同的形式，常見的幾種經驗公式及其適用條件如表1所示，其中我國現有規范推薦使用蘇聯的薩道夫斯基經驗公式。

表1 各國爆破振速經驗公式[16]Tab.1 Empirical formula of blasting vibration velocity in different countries

續表1

2 工程概況

2.1 項目概況

廈門海滄海底隧道工程，為國內第3條鉆爆法施工公路海底隧道工程，隧道長約為6.3 km，采用三孔隧道方案，主線隧道為雙向六車道，單洞最大開挖斷面256 m2[17]。

海滄海底隧道為典型的城市海底隧道，其中A2標陸域段下穿城市主干道，隧道沿線建筑密集，包括小區、辦公樓共計10余座，建筑物多為上世紀90年代多層建筑，其中最近的建筑物——鴻圖苑小區距離隧道右線開挖輪廓線僅6 m(水平距離)，隧道埋深23 m。該段沿線水文地質條件復雜，地下管線眾多，周邊環境敏感，其施工風險高、技術難度大，對爆破及沉降控制要求極高。隧道平面位置與沿線建筑物平面位置見圖1。

圖1 隧道平面位置與沿線建筑物示意圖Fig.1 Schematic diagram of tunnel plane location and buildings along the line

2.2 沿線小區及建筑物情況

隧道南側包括小區4個，酒店1座。隧道北側包括小區1個，寫字樓1座，儲運倉庫及辦公樓各1座。多數建(構)筑物建設于20世紀90年代，小區內均包含多棟建居民樓，建(構)筑物形式多為磚混結構和框架結構，隧道沿線建(構)筑物詳細信息見表2。

表2 沿線建(構)筑物信息Tab.2 Information of buildings along the line

2.3 水文地質條件

根據地勘及補勘資料，隧道位于淺灘回填區域，地下水豐富，地質條件復雜。覆蓋層以雜填土、淤泥、殘積粉質黏土為主。雜填土厚度為2.2～5.7 m，結構疏密不均，淤泥呈流塑狀，厚1.3～4.5 m；殘積粉質黏土厚度1.5～12.3 m不等；基巖為微風化花崗巖，巖體較完整，巖質較硬，透水性弱，左、右線地質斷面圖見圖2。

圖2 地質斷面圖Fig.2 Geological sections

右線隧道BYK16+534～BYK16+638段位于基巖內，埋深為20～25 m，隧道上層巖石厚度0～12.1 m，BYK16+638～BYK16+690段隧道位于上軟下硬地層，BYK16+690～BYK16+730段隧道處于全強風化巖層。左線隧道BZK16+434～BZK16+632段位于基巖內，為微風化花崗巖，埋深為18～30 m，隧道上層巖石厚度0～14.3 m，BYK16+632～BYK16+658段處于土石交界面，圍巖裂隙較發育。

3 控爆試驗方案設計

方案設計的總體原則：在先保護、再加固的前提下，利用爆破控制技術進行隧道開挖。需要采取控爆措施區段為左線BZK16+434～BZK16+634和右線BYK16+534～BYK16+638。由于沿線周邊小區距離左線隧道輪廓線相較于右線隧道遠，所以選取左線隧道30 m(BZK16+434～BZK16+464)作為控制爆破的現場試驗段。根據《爆破安全規程》(GB6722—2014)中的爆破振動安全允許標準要求，國內相似隧道工程下穿建筑物基礎與地下管線時，較多采用1～1.5 cm/s的振動控制標準，考慮到本工程沿線有年代較為久遠的框架、磚混結構建筑物，因此將容許值進一步降低到0.8 cm/s。

進行試驗段爆破的主要目的如下：

(1)驗證爆破參數的合理性，收集爆破監測數據，結合地質補勘成果，動態調整爆破參數，減少對周邊環境影響，爆破振速控制在0.8 cm/s以內。

(2)通過監測數據，分析左線爆破對周邊建筑物的影響。

(3)通過左線試爆，模擬右線爆破對鴻圖苑影響，確定合理的爆破參數，為右線開挖提供參考依據。

隧道左線試驗段采用上臺階開挖，左側導洞先行，開挖12～15 m后再進行右側導洞開挖。

3.1 建筑物保護及加固方案

為確保施工及周邊建(構)筑物安全，采取“先保護并加固，后開挖緊支護”的總體施工方案。在右線隧道BYK16+534～BYK16+638段與建筑物之間增設φ1 000@1 200 mm的鉆孔灌注樁，入巖深度≮2 m，樁間采用φ1 000@750 mm旋噴樁止水，減少因樁間失水引起地表、建筑物沉降。同時對未開挖段隧道上方土層進行地表注漿加固，然后再進行隧道開挖。建筑物保護及加固示意圖見圖3。

圖3 建筑物保護及加固示意圖Fig.3 Schematic diagram of building protection and reinforcement

隧道上半斷面采用CD開挖工法，先開挖左側導洞的中導洞，再進行周邊擴挖，為提高開挖工效，中隔壁取直；下半斷面采用全斷面開挖。開挖過程根據房屋、地表監測沉降情況，適時對房屋地基進行補充注漿。為保證施工安全，中導洞開挖后及時進行初噴，確保后續開挖安全。

3.2 控制爆破輔助措施

軟巖段采用機械開挖為主，局部采用弱爆破，施工中爆破振動對周邊建筑物及小區影響較小。因此，控爆設計主要針對硬巖段，主要控制措施有：

(1)采用數碼電子雷管[18]，控制單段最大裝藥量。

(2)減少開挖斷面尺寸，縮短進尺以控制單循環總藥量。

(3)隧道開挖工法由原設計三臺階開挖優化為上半斷面采用CD開挖工法，下半斷面采用全斷面開挖。

(4)加強監控量測，記錄每循環爆破參數，結合爆破振速、地質等情況，動態調整爆破參數，獲取最優爆破參數。

3.3 控制爆破參數優化

3.3.1 優化原則

結合工程現場的實際情況，確定該區間內隧道爆破優化遵循以下的原則：

(1)采用上CD工法分區開挖，采用空孔及多創造自由面的原理，降低爆破振動。

(2)按照多分區、短進尺、密布孔、少裝藥、多分段的原則，提高爆破效果和安全性。

(3)起爆順序：靠近臨空面方向先爆，采用逐排逐孔、單孔單響的形式進行爆破。

3.3.2 爆破器材選擇

(1)炸藥選擇：Ф32 mm的2#巖石乳化炸藥。

(2)雷管選擇：數碼電子雷管。

3.3.3 爆破參數優化

(1)炮孔參數

① 炮孔直徑：人工打眼Φ40 mm。

② 炮孔數量：上導洞炮孔數目由公式N=3.3(S2f)1/3計算得到，式中N為炮孔數目(光面爆破適當增加6%～12%)；f為巖石堅固系數，設計取10；S為巷道掘進斷面面積。

③ 單孔最大裝藥量

(2)進尺設計

中導洞循環進尺1.2 m，周邊擴挖循環進尺2.4 m，隧道左、右導坑分次進行爆破。

(3)中導洞掏槽設計

采用“空孔+掏心+楔形掏槽”(掏心：在2排空孔中間鉆1排直孔，中間孔作為爆破孔，利用兩側空孔和中間直孔，爆破形成臨空面)的炮眼布置方案，左右導洞分別在中心偏下位置用三臂臺車鉆取10個Φ100 mm的空孔作為減振孔，結合楔形掏槽，輔助眼均勻布置在掏槽眼與周邊眼之間。掏槽眼與掏心眼夾角25°。掏心、掏槽眼炮眼剖面布置見圖4。

圖4 炮眼剖面布置示意圖(單位:m)Fig.4 Schematic diagram of layout of blasting hole profile (unit: m)

(4)炮眼孔間距

輔助眼孔間距取600～1 000 mm，周邊眼孔間距約取10d～15d(d為炮眼直徑)，底板眼孔間距取800～900 mm。

(5)炮眼超深

根據循環進尺選擇，超深為30 cm，其中掏槽眼應比輔助眼、周邊眼再加深20～30 cm，周邊眼底部外傾10 cm。

(6)裝藥結構

除周邊眼外，其余炮孔采用連續裝藥的方式，起爆藥包裝置在孔底倒數第2節藥卷上，采取反向起爆方式；周邊眼布孔形式利用導爆索隔孔間隔裝藥。炮眼布置及開挖順序如圖5所示，掏心、掏槽眼炮眼布置如圖6所示。

圖5 炮眼布置及開挖順序(單位：m)Fig.5 Layout of blasting holes and excavation sequence (unit: m)

圖6 掏槽眼與掏心眼布置(單位：m)Fig.6 Layout of cut holes and core holes (unit: m)

(7)裝藥參數

爆破設計參數如表3所示，按逐孔、逐號進行爆破，各孔延遲時間15 ms。

表3 各導洞爆破參數Tab.3 Blasting parameters of each guide hole

3.4 爆破振動監測方案

在地表開挖輪廓線外側6 m位置設置爆破振動監測點，分別在掌子面前方1.2 m(1#監測點)、10 m(2#監測點)、20 m(3#監測點)、30 m(4#監測點)位置布設爆破振動監測儀，監測點位隨隧道掌子面開挖向前移動，監測點與爆破點相對位置始終保持不變。左導洞開挖布置在左側，右導洞開挖布置在右側。同時在鴻圖苑小區離隧道最近部位、結構薄弱部位、小區內部等關鍵部位布設爆破監測點，如圖1所示。

4 控爆監測結果

4.1 試驗段監測

試驗段施工過程中，根據試驗設計方案對爆破振速、地表沉降、周邊建(構)筑物沉降、變形等進行實時監測，做到一炮一測，一炮一分析，利用監測數據指導爆破作業，動態調整爆破參數。

根據隧道縱斷面設計圖獲取試驗段隧道埋深，結合監測點位置，根據薩道夫斯基公式計算得到1#監測點的允許最大爆破振動速度為0.513 cm/s，2#監測點的允許最大爆破振動速度為0.481 cm/s。此外，由于在計算監測點爆心距時，側向距離取用的為監測點到左線隧道地表開挖輪廓線的距離，即6 m，然而測點到炮孔的實際側向距離一定大于6 m，因而實際允許最大爆破振速大于上述兩計算值。

試驗段共開展了30次爆破試驗監測，1#監測點和2#監測點的峰值振動速度如圖7所示，振速曲線按照升序排列。根據監測數據分析，爆破產生最大振速的位置為1#監測點(掌子面前方地表1.2 m處)，右側導洞中導爆破時最大，最大值為0.508 cm/s，小于允許最大爆破振速且多數可控制在0.5 cm/s以內。根據爆破監測數據分析，無論是左側斷面開挖還是右側斷面開挖，中導洞爆破時的振速普遍高于壓頂擴挖時的振速，這是由于壓頂位置的炮孔裝藥量較小導致的。此外，隧道右側開挖時，其爆破擾動明顯大于左側開挖，考慮到左側先行，在隧道右側爆破時，左側已開挖完成的斷面形成空腔，對爆破振動產生放大作用，產生爆破空洞效應[19]。

圖7 峰值振動速度Fig.7 Peak vibration velocities

對于2#監測點(掌子面前方地表10 m處)，其最大爆破振動速度出現在左側中導洞開挖時，為0.225 cm/s。多數振速可控制在0.2 cm/s以內，且壓頂爆破時，一部分并未觸發爆破振速監測儀。3#監測點(掌子面前方20 m處)和4#監測點在數次爆破試驗中均未觸發。通過采取控爆措施，地表10 m位置基本實現無感爆破，20 m以外爆破振速監測儀無觸發(小于0.1 cm/s)，大大降低了爆破振動對周邊環境的影響。

4.2 非試驗段控爆實施效果

在右線隧道開挖過程中，嚴格執行左線試驗段爆破工藝，單孔單響，控制單孔最大裝藥量≯1.6 kg，同時根據不同地質情況對炮眼布置、裝藥參數等進行了微調。此外，由于右線隧道地表輪廓線距鴻圖苑小區居民樓最小水平距離僅6 m，爆心距23.8 m，因而加強了建筑物的隔振與加固措施，以保障該段隧道的順利施工。根據監測數據，該段爆破振速最大值為0.485 cm/s，地表沉降最大1.3 cm，建筑物最大沉降0.8 cm，最大隆起0.6 cm，爆破振動、地表及建筑物沉降變形均在規范允許范圍內，控制爆破技術應用效果良好。

5 結論

依托廈門海滄海底隧道陸域段工程，對城市淺埋暗挖隧道側穿敏感建筑物段控制爆破技術進行了優化研究，結合工程地質條件及周邊建筑物的保護需求，從隧道周邊建筑保護及加固技術、控制爆破方案設計、控制爆破參數選擇的角度出發，進行了復雜地質條件下鉆爆法城市淺埋暗挖隧道側穿敏感建筑物的控制爆破現場試驗。通過試驗段及后續實施效果，結合現場監測信息反饋情況，得到以下結論：

(1)采用數碼電子雷管、控制單段最大裝藥量、減小開挖斷面尺寸、縮短進尺等控制爆破輔助措施，結合“空孔+掏心+楔形掏槽”控爆開挖方案及參數優化方案，可以顯著控制周邊建筑物的爆破振速，方案安全可靠、合理可行。

(2)當隧道近距離穿越地表建筑物時，應采用必要的建筑物保護及地層加固措施，如在爆破影響區與建筑物基礎間增設灌注樁、隔振樁及注漿等方式，能夠起到明顯的隔振和控制沉降的作用。

(3)通過控制爆破現場試驗及監控量測指導并驗證爆破方案，以此為依據動態調整施工工藝及爆破參數，在保證隧道結構和路面交通安全、控制周邊建筑物振動與沉降等方面起到關鍵作用。