隧道掘進(jìn)爆破的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)研究

袁　東，高景明，張向榮，喬　雄

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南　洛陽(yáng)　471013；2.臺(tái)州市黃巖區(qū)公路管理局，浙江　臺(tái)州　318020；3.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730050）

隧道掘進(jìn)爆破的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)研究

袁東1，高景明1，張向榮2，喬雄3

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南洛陽(yáng)471013；2.臺(tái)州市黃巖區(qū)公路管理局，浙江臺(tái)州318020；3.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在臨近隧道爆破施工中通常掏槽爆破引起既有隧道的振動(dòng)最為強(qiáng)烈，并且掏槽爆破效果的好壞直接影響整體的爆破效果。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)了掏槽分段的爆破方案，并進(jìn)行了爆破對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，分段掏槽技術(shù)的采用使得爆破振動(dòng)效應(yīng)明顯降低，可為類似工程的建設(shè)提供參考與借鑒。

隧道爆破施工；分段掏槽爆破；實(shí)驗(yàn)探究

臨近隧道施工中，爆源與既有隧道間距很小，爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的危害性明顯。爆破振動(dòng)荷載的反復(fù)作用，容易引起圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的損傷，弱化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生塑性變形，引起部分區(qū)域裂縫發(fā)展甚至隧道整體變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)坍塌［1］。施工中應(yīng)當(dāng)采用控制爆破技術(shù)，并采取適應(yīng)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，利用爆破振動(dòng)測(cè)試測(cè)的反饋信息來(lái)合理設(shè)計(jì)或者優(yōu)化爆破參數(shù)，使爆破振動(dòng)強(qiáng)度不至于危及既有隧道的安全，最終減少爆破振動(dòng)產(chǎn)生的危害［2］。

基于上述原因，通過(guò)隧道掘進(jìn)爆破的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)研究可以在保證隧道結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，尋求經(jīng)濟(jì)合理的爆破掘進(jìn)方案，對(duì)促進(jìn)控制爆破技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值［3］。

1　依托工程概況

新建隧道下部的既有隧道為分離式雙向4車道，隧道長(zhǎng)445m，隧道凈距約為28m，新建隧道為雙向四車道的連拱山嶺隧道，新建隧道平面線位于既有隧道的內(nèi)側(cè)，且底部高于既有隧道。

新建隧道圍巖基本質(zhì)量級(jí)別為V級(jí)，穩(wěn)定性較低，宜采用復(fù)合式襯砌。新建隧道第四系厚度不大，巖石屬較硬巖-堅(jiān)硬巖，施工中要充分考慮開(kāi)挖難度。新建雅山隧道與既有雅山隧道凈距較小，最小凈距約12.5m，新建隧道位于既有隧道之上，如圖1所示。既有雅山隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)為型鋼支護(hù)，二次襯砌為素混凝土和鋼筋混凝土襯砌，影響范圍內(nèi)的隧道襯砌為素混凝土襯砌，抗震等級(jí)為八度，如圖1所示。

圖1　新建隧道與即有隧道的位置關(guān)系

2　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于掏槽爆破時(shí)，僅有一個(gè)自由面，爆破時(shí)夾制作用很大，若要取得好的掏槽效果需要加大掏槽爆破的單孔藥量［4］。通過(guò)對(duì)主洞試驗(yàn)段爆破開(kāi)挖的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)盡管掏槽爆破的單段藥量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振動(dòng)強(qiáng)度最大，若要降低爆破施工中的振動(dòng)效應(yīng)，則需要控制掏槽爆破的單段藥量。但是降低了掏槽爆破的單段藥量又會(huì)影響到掏槽爆破的效果，使得整體爆破效果不佳［5-6］。

針對(duì)這種情況，在優(yōu)化方案中通過(guò)在掏槽孔形式不變的情況下對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改而解決了掏槽效果與爆破振動(dòng)效應(yīng)之間的矛盾，即采用掏槽孔孔內(nèi)分段的方式起爆，將掏槽孔內(nèi)的藥包分成兩段起爆，四對(duì)掏槽孔的外側(cè)采用1段雷管起爆，四對(duì)掏槽孔的內(nèi)側(cè)采用3段雷管起爆。這樣在不降低掏槽爆破藥量的前提下，降低了掏槽爆破的單段藥量，進(jìn)而降低了掏槽爆破的振動(dòng)效應(yīng)。

為此，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)中，在保證裝藥量和布孔形式和尺寸相同的情況下采取掏槽孔孔內(nèi)分段起爆（簡(jiǎn)稱分段掏槽方案）和掏槽孔內(nèi)采用單一段位起爆（簡(jiǎn)稱單段掏槽）兩種方案，進(jìn)行爆破振動(dòng)效應(yīng)的對(duì)比測(cè)試，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，從而檢驗(yàn)爆破優(yōu)化的效果，以新建隧道左洞K0+ 970-K0+982段為試驗(yàn)段。在新建隧道爆破斷面的中隔墻處布置2臺(tái)儀器，在同一斷面的既有隧道邊墻處也布設(shè)測(cè)2臺(tái)測(cè)試儀器，共進(jìn)行了3次（6個(gè)炮次）爆破對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比兩種裝藥方案下在中隔墻和既有隧道邊墻處的爆破振動(dòng)強(qiáng)度。

試驗(yàn)中的炮孔布置以及裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。各孔裝藥參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　主洞爆破對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)表

圖2　炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1振速監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

爆破對(duì)比試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，雖然在兩種爆破方案中僅僅是掏槽段的起爆方式不同 （單段掏槽方案中孔內(nèi)藥包全部用1段雷管起爆；分段掏槽方案中孔內(nèi)藥包分為1段與3段兩段起爆），但是優(yōu)化方案中采用掏槽孔孔內(nèi)分段的裝藥方式降振效果明顯，在不分段方案下測(cè)得的中隔墻處的平均振速為12.537cm/s，既有隧道邊墻處測(cè)得的平均振速為4.383cm/s；采用優(yōu)化方案后測(cè)得的振速結(jié)果明顯降低，中隔墻處測(cè)得的振速平均值為7.019cm/s，既有隧道處測(cè)得的振速平均值為3.109cm/s。最終采用優(yōu)化方案后在中隔墻處的降振效果達(dá)到43.44%；在既有隧道邊墻處的降振效果達(dá)到29.07%。由此可見(jiàn)，掏槽分段技術(shù)的采用使得爆破振動(dòng)效應(yīng)明顯降低。

表2　爆破對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2波形分析

3.2.1掏槽不分段方案下爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

掏槽不分段方案下隧道墻體爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示，見(jiàn)表3、表4。

1）新建隧道中隔墻。

圖3　K0+970斷面爆破振動(dòng)z向波形圖

表3　測(cè)試結(jié)果

2）既有隧道邊墻。

圖4　K0+950斷面爆破振動(dòng)z向波形圖

表4　測(cè)試結(jié)果

由波形圖可見(jiàn)，在單段方案下，掏槽孔采用1段起爆，裝藥量為8.4kg；周邊孔采用15段起爆，裝藥18.75kg為最大單段裝藥量。雖然掏槽爆破的單段裝藥不是最大，但由測(cè)得振動(dòng)波形圖可見(jiàn)，在z方向上在第5.3ms波速迅速達(dá)到最大值13.575cm/s，為掏槽爆破引起的振動(dòng)結(jié)果。爆源處的縱波、橫波和面波同時(shí)生成，在爆破近區(qū)的中隔墻的質(zhì)點(diǎn)上，3種波幾乎同時(shí)到達(dá)，相互重疊，各類波的初至?xí)r刻難于區(qū)分，無(wú)法辨別初振相與主振相。如圖4所示在既有隧道中測(cè)得波速在z方向上在第2.9ms迅速達(dá)到最大值3.958cm/s，這也是掏槽爆破作用的結(jié)果。在既有隧道邊墻處與中隔墻處測(cè)的趨勢(shì)一致，均為在掏槽爆破中，波形前沿上升較快、較陡，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度很快達(dá)到峰值在隧道掘進(jìn)爆破技術(shù)中，控制爆破振動(dòng)效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是掏槽爆破。

3.2.2掏槽分段爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

掏槽分段方案下隧道墻體爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示，見(jiàn)表5、表6。

1）新建隧道中隔墻。

圖5　K0+972斷面爆破振動(dòng)z向波形圖

表5　測(cè)試結(jié)果

2）既有隧道邊墻。

圖6　K0+972斷面爆破振動(dòng)x向波形圖

表6　測(cè)試結(jié)果

由波形圖可見(jiàn)，掏槽孔1、3段爆破的振動(dòng)波形的主振相在時(shí)間軸上分離，波形未明顯疊加。但掏槽孔內(nèi)分段裝藥，有效減小了掏槽爆破的單段藥量，減小了掏槽爆破的主振動(dòng)強(qiáng)度，使得中隔墻上測(cè)得的最大振動(dòng)波速未出現(xiàn)在掏槽爆破中，而既有隧道中測(cè)的掏槽爆破引起的振動(dòng)強(qiáng)度也明顯降低。試驗(yàn)證明掏槽分段的方案能夠明顯地降低了掏槽爆破的振動(dòng)效應(yīng)，并且未減少掏槽爆破的總藥量與掏槽孔的單孔藥量，有效地保證了掏槽爆破的效果。

裝藥結(jié)構(gòu)中周邊孔采用15段起爆，裝藥18.75kg，為最大單段裝藥量；內(nèi)圈孔采用13段起爆，裝藥12kg。周邊孔爆破與內(nèi)圈孔爆破的單段藥量最大，然而最大振動(dòng)波速卻出現(xiàn)在周邊孔與內(nèi)圈孔爆破中，其原因?yàn)楸普駝?dòng)效應(yīng)的強(qiáng)弱不僅與單段藥量有關(guān)，而且與裝藥的分散程度和臨空面有關(guān)，周邊孔或內(nèi)圈孔爆破時(shí)臨空面相對(duì)較好；同時(shí)周邊孔與內(nèi)圈孔安排了高段位的雷管，高段位雷管起爆延時(shí)分散性大，誤差疊加，使得各炮孔內(nèi)炸藥起爆時(shí)刻分散，設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加同段爆破炮眼數(shù)不會(huì)明顯加大爆破振動(dòng)值，同時(shí)可以起到改善爆破效果、簡(jiǎn)化爆破施工的作用。

4　結(jié)論

1）掏槽爆破是隧道掘進(jìn)爆破技術(shù)中的主要難點(diǎn)和關(guān)鍵，掏槽的好壞直接影響其他炮孔的爆破效果。因此必須選擇合理的掏槽孔布置方式和裝藥方式。因此在爆破生產(chǎn)中，需要對(duì)爆破的振動(dòng)效應(yīng)跟蹤測(cè)量，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)。

2）通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)盡管掏槽爆破的單段藥量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振動(dòng)強(qiáng)度最大，若要降低爆破施工中的振動(dòng)效應(yīng)，則需要控制掏槽爆破單段藥量。

3）針對(duì)掏槽振動(dòng)最大的現(xiàn)象，在優(yōu)化方案中采用掏槽孔孔內(nèi)分段的方式起爆，將掏槽孔內(nèi)的藥包分成兩段起爆，這樣在不降低掏槽爆破藥量的前提下，降低了掏槽爆破的單段藥量，進(jìn)而降低了掏槽爆破的振動(dòng)效應(yīng)。

4）通過(guò)爆破對(duì)比試驗(yàn)得出結(jié)論：采用分段掏槽方案后測(cè)得的振速結(jié)果明顯降低，中隔墻處的降振效果達(dá)到43.44%；在既有隧道邊墻處的降振效果達(dá)到29.07%。由此可見(jiàn)，掏槽分段技術(shù)的采用使得爆破振動(dòng)效應(yīng)明顯降低。

5）周邊孔以及內(nèi)圈孔爆破時(shí)有較好臨空面，并且高段位雷管延時(shí)分散性大，所以引起的振動(dòng)較小，可適當(dāng)增加炮眼數(shù)和藥量。

［1］ 龔倫，仇文革，曹義.下穿樓房隧道近接施工爆破控制技術(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006（01）：86-88.（GongLun，Qiu Wenge，Cao Yi.Proximity tunnel beneath the building Con struction Blasting Control Technology［J］.Railway Standard Design，2006（01）：86-88.）

［2］ 申玉生，高波，王志杰，等.復(fù)線隧道施工爆破對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009（05）：980-984.（Shen Yu-shen，Gao Bo，Wang Zhijie.Effect of blasting in double line tunnel on existing tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering，2009（05）：980-984.）

［3］ 張志呈.定向斷裂控制爆破［M］.重慶出版社，2000.（Zhang Zhi-cheng.Directional fracture controlled blasting［M］. Chongqing Publishing House，2000.）

［4］ New B M.Ground vibration caused by construction works［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1990，5（3）：179-190.

［5］ 楊軍，陳鵬萬(wàn)，胡剛.現(xiàn)代爆破技術(shù)［M］.北京理工大學(xué)出版社，2004.（Yang Jun，Chen Peng-wan，Hu Gang.Modern blasting technology［M］.Beijing Institute of Technology Press，2004.）

［6］ 言志信，王后裕.爆破振動(dòng)效應(yīng)及安全［M］.科學(xué)出版社，2011.（ZengZhi-xin，WangHou-yu.Blast vibrationeffect and safety［M］.Science Press，2011.）

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