增建隧道平導(dǎo)擴挖對鄰近既有隧道的爆破振動測試分析

摘" 要：既有隧道進口平導(dǎo)為有軌運輸小斷面，考慮增建二線后防災(zāi)救援及排水，需擴挖增大斷面。通過理論分析、現(xiàn)場驗證和最優(yōu)化等方法，在工程地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上，對實際情況進行測試和分析，進而提出增建隧道平導(dǎo)擴挖控制爆破利用已有爆破臨空面的優(yōu)勢條件，選用高段位毫秒雷管點火延時的分散性，減少單響爆破用量，充分發(fā)揮精確延時錯峰減震的技術(shù)。實踐表明，按照提出的隧道擴挖控制爆破方案進行施工，取得顯著的效果，可以保證隧道正常施工和人員安全，既有鐵路安全運營，為工程順利施工奠定堅實的基礎(chǔ)，同時也為礦山、公路、鐵路、市政，以及其他類似隧道工程爆破提供很好的參考。

關(guān)鍵詞：隧道;爆破;振動影響;既有線現(xiàn)場測試;工程難點

中圖分類號：U455.6" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2024）09-0170-05

Abstract： Since the entrance of the existing tunnel is guided by a small cross-section of rail transportation， considering the construction of the second line after disaster prevention， rescue and drainage， it is necessary to expand the cross-section. Through the methods of theoretical analysis， field verification and optimization， the actual situation is tested and analyzed on the basis of the analysis of engineering geological characteristics. Furthermore， the advantage conditions of controlled blasting for horizontal guide and expansion excavation of additional tunnel are put forward， the dispersion of ignition delay of high position millisecond detonator is selected， the amount of single blasting is reduced， and the technology of accurate time delay and peak reduction is brought into full play. The construction according to the proposed tunnel expansion and excavation controlled blasting scheme has achieved remarkable results， which can ensure the normal construction of the tunnel and the safety of personnel， and the safe operation of the existing railway has laid a solid foundation for the smooth construction of the project， and meanwhile provides a good reference for blasting in mines， highways， railways， municipal and other similar tunnel projects.

Keywords： tunnel; blasting; vibration impact; on site testing of existing lines; engineering difficulties

在鄰近既有隧道施工新隧道的項目中，如何有效控制爆破保證既有隧道行車和人員安全非常重要。為了使新建隧道爆破開挖施工時對既有隧道產(chǎn)生較小影響，需要在爆破振動控制方面不斷進行完善，本文提出的隧道擴挖控制爆破施工，為既有隧道安全運營和新建隧道順利施工提供有效保障。

1" 工程難點分析

1.1" 小間距并行爆破作業(yè)環(huán)境復(fù)雜

增建隧道對應(yīng)的既有隧道間距約40～50 m，在新建隧道與既有隧道之間，存在一段平導(dǎo)，其長度達到1 900 m。該平導(dǎo)與新建隧道之間的距離為30 m，而與既有隧道的距離則在12～20 m（如圖1所示）。本文將探討對既有平導(dǎo)進行擴挖和改造的必要性。該平導(dǎo)作為有軌運輸小道的一部分，其斷面尺寸為3.0 m×3.26 m（寬度×高度）。然而，為了滿足日益增長的排水及防災(zāi)救援需求，增建二線后，該平導(dǎo)需要被重新利用。因此，需要將既有平導(dǎo)進行擴挖，以增加其凈空尺寸。具體而言，將寬度增加至5 m，高度增加至6 m。這樣的改造將有望提升該平導(dǎo)在應(yīng)對未來可能發(fā)生的自然災(zāi)害中的能力，從而確保當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的安全，擴挖后與既有隧道最小凈間距僅5.69 m，對爆破作業(yè)要求非常高。

1.2" 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

隧道穿越地層為第四系全新統(tǒng)坡殘積（Q4dl+el）碎石土、奧陶系下統(tǒng)大灣組（O1d）頁巖夾灰?guī)r、寒武系上統(tǒng)毛田組（E3m）白云質(zhì)灰?guī)r，不良地質(zhì)主要有巖溶、危巖落石，隧道穿越區(qū)節(jié)理發(fā)育，巖體多被切割成塊狀，隧道主要穿越學(xué)堂板向斜，山體正斷層和勝地壩逆斷層，地下水豐富，隧道最大涌水量達36 000 m3/d，因此，平導(dǎo)擴挖修建有極大風(fēng)險。

1.3" 工程主體病害復(fù)雜

自2013年12月28日以來，該隧道已經(jīng)開始投入運營。在大部分平導(dǎo)洞身所經(jīng)地區(qū)，面臨的地質(zhì)條件是水平巖層富含溶洞，這給施工帶來了很大的挑戰(zhàn)。最初的設(shè)計中，85%的段落采用了錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)，這是一種相對先進和有效的施工方法，能夠提供較好的支護效果。然而，在某些地段出現(xiàn)了垮塌現(xiàn)象，這可能是由于多種原因?qū)е碌摹Ｊ紫龋綆r層的穩(wěn)定性可能較差，富含溶洞的地質(zhì)條件也可能增加施工難度。其次，錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)可能在這些特殊的地質(zhì)條件下無法提供足夠的支撐力，導(dǎo)致洞身垮塌。襯砌混凝土出現(xiàn)漲裂和外鼓可能是由多種原因?qū)е碌模缁炷潦湛s裂縫、溫度應(yīng)力、基巖面不平整、施工荷載過大及地下水壓力等，針對襯砌混凝土漲裂和外鼓的問題，需要分析具體原因并采取相應(yīng)的處理措施。在處理過程中，應(yīng)考慮到現(xiàn)場實際情況和工程要求，以確保襯砌結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。在運營的隧道正洞中，也觀察到襯砌部分出現(xiàn)了不規(guī)則的裂紋、混凝土剝離脫落現(xiàn)象及隧道施工中可能存在的遺留病害等。平導(dǎo)擴挖對平導(dǎo)本身及既有隧道的穩(wěn)定性影響大，爆破施工安全風(fēng)險高。

1.4" 爆破振動對圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響復(fù)雜

因新老隧道間距離較小，新線路的開挖施工將不可避免地對老隧道的圍巖穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生極大影響。利用山嶺隧道鉆爆施工技術(shù)進行爆破作業(yè)時，產(chǎn)生的動力振動會對既有運營老隧道的圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生影響。這種影響可能帶來一系列的問題，例如圍巖松動、掉塊，甚至可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的破壞。因既有老隧道存在的建筑界限內(nèi)空，施工中經(jīng)常出現(xiàn)爆破振動空洞效應(yīng)，當(dāng)鄰近新建隧道開挖爆破振動傳播至空洞位置或區(qū)段時會有局部放大效應(yīng)，其對既有隧道的圍巖穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)安全將會加劇。然而，這種爆破振動特別是空洞效應(yīng)的影響程度到底有多大，尤其是當(dāng)老隧道有可能存在從外觀上不能確定或發(fā)現(xiàn)的諸如襯砌劣化等病害情況時，爆破中產(chǎn)生的振動和沖擊，是否會引起安全事件或潛在風(fēng)險，影響現(xiàn)有隧道的穩(wěn)定性并導(dǎo)致災(zāi)難性后果，這一點尚不明確。

針對增建隧道平導(dǎo)擴挖以及既有老隧道的具體地質(zhì)和斷面條件，結(jié)合開挖和爆破施工方案，對爆破振動引起既有隧道的動力響應(yīng)進行分析，據(jù)此為后續(xù)降低爆破振動的隧道施工控制技術(shù)奠定基礎(chǔ)，也可為此類風(fēng)險性較高的隧道設(shè)計與施工提供一定的借鑒和參考。

2" 擴挖平導(dǎo)與既有隧道病害調(diào)查分析

在施工前對既有隧道和平導(dǎo)的病害采取了無損檢測和徒步聯(lián)合調(diào)查，并查閱了相關(guān)竣工文件資料。主要調(diào)查內(nèi)容包括隧道襯砌裂紋、脫空、滲水、掉塊和供電設(shè)備完好情況等，施工期間針對性采取措施，并加強監(jiān)控，確保施工和既有隧道結(jié)構(gòu)及運營安全。

3" 平導(dǎo)擴挖控制爆破施工方案分析

受既有平導(dǎo)圍巖堅硬以及斷面尺寸小的限制，控制爆破施工技術(shù)在交通隧道擴挖中的應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，交通隧道爆破施工中，允許的振動安全標準為10～20 cm/s[1]。為了實現(xiàn)這一目標，采用了低猛度、低爆速炸藥，非電導(dǎo)爆管雷管毫秒延遲起爆技術(shù)，不耦合空氣柱間斷裝藥技術(shù)，這些措施能夠有效地降低爆破振速。

本方案為擴挖控制爆破，擴挖控制爆破是一種在已有臨空面條件下，通過精確控制爆破方向和裝藥量，實現(xiàn)減少對周邊環(huán)境影響的爆破作業(yè)方式，選用高段位毫秒雷管點火延時的分散性，減少單響爆破用量，充分發(fā)揮精確延時錯峰減震的技術(shù)降低爆破振動影響。

3.1" 爆破參數(shù)設(shè)計

爆破參數(shù)設(shè)計結(jié)果見表1。

3.2" 爆破施工設(shè)計

爆破作業(yè)面上，布置了65個炮孔，其中33個輔助眼、32個周邊眼。采用了不同段位的雷管，包括3、5、9、13、15和17段，來實現(xiàn)孔內(nèi)微差延時爆破。總裝藥量為64.5 kg，單孔最大裝藥量為1.2 kg。單響藥量范圍為3.6～15.3 kg。起爆過程以最小藥量開始，隨著臨空面的逐步加大，適當(dāng)?shù)卦黾恿似鸨幜俊D2展示了具體的炮孔布置和起爆網(wǎng)路。

4" 爆破振動測試方案

4.1" 振動判據(jù)分析

爆破振動頻率的預(yù)測研究中，目前大多以定性分析為主，速度-頻率相關(guān)的安全判據(jù)在考慮爆破振動持續(xù)時間和結(jié)構(gòu)本身的影響方面存在不足，這種判據(jù)僅僅是相對獨立閾值理論的延伸。現(xiàn)代工程爆破研究顯示，長時間持續(xù)的振動可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體的材料疲勞、磨損和失效，從而對結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[2-3]。結(jié)構(gòu)體在爆破振動作用下，一旦其振動頻率與固有頻率接近，就容易導(dǎo)致共振現(xiàn)象的發(fā)生。這種共振可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體在振動速度尚未達到安全閾值時就已經(jīng)遭受破壞。為防止共振產(chǎn)生的危害，結(jié)合地下構(gòu)筑物的固有頻率較低[4]，則爆破振動測試方案選取高頻振動為主。

4.2" 測試方法與量測系統(tǒng)

4.2.1" 測試方法

將振動速度指標作為爆破振動是否安全的判斷條件，目前學(xué)者們看法不一。美國礦業(yè)局規(guī)定的破壞判據(jù)僅要求采用3個分量中的最大一個。Northwood則認為，水平橫向分量對爆破振動分析的作用不大。日本礦業(yè)會爆破振動研究委員會指出原則上應(yīng)同時測定3個分量，當(dāng)比較不同地點振動的衰減時，僅測量1個分量也是可行的;當(dāng)測量結(jié)構(gòu)物的振動時，可僅測量影響最大的1個分量[5]。我國爆破安全規(guī)程對這一問題也未做明確規(guī)定，在實施過程中，參考爆破振動測試方法[6-7]，對3個方向矢量均進行測量，并分別分析影響程度。

4.2.2" 巖體質(zhì)點振動速度測量系統(tǒng)

為了深入研究爆破引起的振動影響，本研究采用了經(jīng)過專業(yè)設(shè)計的SD-1型振動速度傳感器作為振動拾取裝置，同時采用了EXP4850型爆破振動分析儀進行各測量點振動信號的記錄。該分析儀具有3個獨立的測試通道（CH1、CH2和CH3），可以分別對X方向（平行于隧道邊墻）、Y方向（垂直于隧道邊墻）及Z方向（垂直于隧道邊溝蓋板）的振動數(shù)據(jù)進行精確測試。此外，通過RD263串行接口，可將收集到的振動數(shù)據(jù)便捷地傳輸?shù)诫娔X軟件中，以進行波形解析與深入分析。這種方法能夠準確地獲取爆破振動信號的時域波形和頻域波形，為研究爆破振動對周圍環(huán)境的影響提供了重要的參考依據(jù)。

4.2.3" 測試方案

參考爆破振動測試技術(shù)[8-9]，按監(jiān)測方案確定原則并根據(jù)既有隧道的實際狀況布置相關(guān)測點，在爆破施工過程時分別進行測試并分析。具體如下。

1）據(jù)地震波傳播規(guī)律，爆源附近區(qū)域普遍受到較大的振動影響，尤其在爆源附近的地域，其爆破振動更為顯著。所以，測試爆破振動時，在既有隧道靠近爆破側(cè)布置較多點，遠離爆破側(cè)測點可相對較少。

2）當(dāng)施工工法變換段要求每次放炮時均要進行爆破震動測試，并將震動速度上報。如采用分部開挖時，則掌子面要分別對應(yīng)測試爆破振動。

為了對爆破振動效應(yīng)能夠深入地進行研究，保證隧道爆破施工整體處于安全范圍，將爆破產(chǎn)生的危害控制在劃定的危險區(qū)域以內(nèi)，在爆破振動效應(yīng)比較顯著的地方，必須要布置監(jiān)測點[10-11]。在擴挖爆破過程中，要將爆破振動傳感器裝置在老隧道相同斷面處靠近爆破側(cè)面墻水溝部位，并且每隔10 m布置2組檢測點以進行全面的監(jiān)測，監(jiān)測范圍在40 m左右。將多個傳感器布置在相同的檢測點上，實現(xiàn)從水平、垂直及豎向3個方向?qū)φ駝铀俣冗M行測量。其中傳感器的Y方向為垂直隧道邊墻方向，Z方向為豎直于隧道邊溝蓋板方向，具體如圖3、圖4所示。

5" 結(jié)果與分析

5.1" 爆破效果

爆破方案確定后，爆破振速被限制在2.5 cm/s以內(nèi)。這個振速標準是爆破作業(yè)中的一項重要指標，其表示爆破引起的振動速度被控制在較低的水平，從而減少對周邊圍巖的破壞影響。對于既有隧道襯砌的微小裂紋，沒有發(fā)現(xiàn)其發(fā)展。由此可認為，振速得到了有效控制。此外，由圖5可知，光爆效果優(yōu)良，實現(xiàn)了擴挖的順利進行以及新老隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全的目標。

5.2" 爆破振動測試結(jié)果及分析

結(jié)合爆破振動理論[12-13]，采集x、y和z每段波形數(shù)據(jù)見表2，典型波形如圖6至圖8所示。

按振動波形經(jīng)處理獲得的振動數(shù)據(jù)見表3。

從前述圖表中可知，在水平距離爆區(qū)較近的測點位置，垂直隧道邊墻的Y方向質(zhì)點峰值振動速度明顯高于平行隧道邊墻的X方向和豎直于隧道邊溝蓋板的Z方向峰值振動速度。這意味著在爆破產(chǎn)生的振動中，Y方向的振動速度較強，可能會對隧道邊墻造成較大的影響。然而，也需要注意到，在某些情況下，Z方向的峰值振動速度可能與Y方向的峰值振動速度接近或更大。這表明Z方向的振動速度也是不可忽略的重要因素。

6" 結(jié)論

1）在鄰近現(xiàn)有設(shè)施的擴挖控制爆破作業(yè)中，借助高精度毫秒延時雷管點火延時的分散性，成功地減少了單次爆破的炸藥使用量。這一舉措顯著降低了爆破振動的影響，實現(xiàn)了近距離爆破振動速度控制在2.5 cm/s以內(nèi)。這一成果不僅提高了爆破作業(yè)的安全性，也有助于保護周邊環(huán)境和設(shè)施。

2）還可以采用預(yù)裂爆破、減震孔、間隔裝藥結(jié)構(gòu)緩沖爆破法等其他有效減震措施，以達到更低的震動效果，需要進一步研究減少工序時間及提高整體功效問題。

3）部分實測震速接近2.5 cm/s，在施工期間應(yīng)加強對地質(zhì)條件和既有結(jié)構(gòu)病害的調(diào)查確認，特殊情況時可選擇分部爆破法進一步降低爆破振速，確保結(jié)構(gòu)安全。

4）精準延時爆破錯峰減震及其在波峰與波谷疊加干擾降振技術(shù)中的潛在應(yīng)用，亟待進一步發(fā)掘和研究。

參考文獻：

[1] 孟海利.隧道分區(qū)爆破振動傳播規(guī)律試驗研究[J].鐵道建筑，2015（4）：50-54.

[2] 李軍，呂婧，劉瑞.新建隧道施工對近距離既有線隧道的影響及安全風(fēng)險評估[J].公路與汽運，2017（5）：183-187.

[3] 岳旭光.小凈距隧道爆破施工影響的數(shù)值模擬分析研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（4）9-12，22.

[4] 張迪.地鐵隧道精確延時爆破振動傳播規(guī)律與控制試驗研究

[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 周伏虎，甘文忠，向文錦.大型高陡邊坡爆破振動測試與分析[J].四川建筑，2015（10）：85-86，88.

[6] 歐陽建華，李雷斌，吳亮，等.巖質(zhì)凸形邊坡體爆破質(zhì)點振動監(jiān)測與分析[J].爆破，2015（1）：54-56，60.

[7] 周凱.雙洞隧道空間狀態(tài)下爆破振動影響及控制研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（4）：104-109.

[8] 劉志波.蓮花山隧道爆破振動效應(yīng)試驗研究[J].爆破，2020（3）：78-84.

[9] 胡利平.小凈距隧道爆破施工振速規(guī)律研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2019（9）：20-24.

[10] 韓高升.新苔井山隧道平行接近爆破設(shè)計及施工研究[J].爆破，2020（2）：48-52.

[11] 孫崔源，張民慶，郭云龍，等.小間距并行隧道施工爆破振動控制技術(shù)試驗研究[J].鐵道建筑，2019（1）：51-54.

[12] 于建新，劉煥春，魏海霞，等.鄰近隧道爆破施工相互動力影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019（6）：85-92.

[13] 王肖輝，杜鍍，韓超.臺階法隧道掘進爆破時地表及鄰近隧道的振動響應(yīng)[J].爆破器材，2020（5）：54-58.

作者簡介：楊武濤（1981-），男，工程師。研究方向為現(xiàn)場施工管理。