城際鐵路暗挖隧道爆破開挖微振動控制技術(shù)

楊永

摘 要：微振動控制爆破技術(shù)可以有效降低爆破振動，已在對爆破振動有要求的隧道中廣泛采用。文章結(jié)合莞惠城際6標暗挖隧道下穿學校所采用的微振動控制爆破技術(shù)，針對如改善裝藥結(jié)構(gòu)、優(yōu)化爆破參數(shù)、控制最大一段起爆藥量、采用微差起爆技術(shù)、同一斷面分區(qū)分次起爆等施工技術(shù)進行改進，通過工程實踐，最終顯著降低了爆破振速，使爆破達到預期效果，為今后類似隧道的爆破開挖施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：微振爆破；參數(shù)；控制

中圖分類號：F530.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0037-03

引言

城市地鐵隧道常修建在人口密集的街區(qū)，當采用礦山法爆破開挖時，除了控制地表沉降，另外一個主要問題就是控制爆破振動對地表建筑物及對人群的影響。目前我國《爆破安全規(guī)程（GB6722-2014）》僅對建筑物爆破振動安全允許標準有明確規(guī)定，但對人群的影響卻沒有明確規(guī)定。

莞惠城際軌道交通GZH-6標段隧道地處人口密集街區(qū)，并下穿一所小學，該段隧道爆破開挖時除了要求對學校建筑物不能產(chǎn)生不良影響外，還要求爆破振動不能對學生造成任何心理影響，因此要求爆破振速不超過1mm·s-1，使人感覺不到振感。

本文結(jié)合現(xiàn)場施工實際，并根據(jù)爆破振動產(chǎn)生的機理，從控制爆破能量源及控制爆破能量的傳遞著手，采用工程類比法、計算法及現(xiàn)場試驗法等，取得爆破參數(shù)，進一步優(yōu)化微振動控制爆破技術(shù)，最終使爆破振動達到預期效果。

1 工程概況

莞惠城際軌道交通GZH-6標段位于廣東東莞市大朗鎮(zhèn)，左線盾構(gòu)隧道起訖里程為GDZK35+432.596～GDZK38+359.000。GDZK38+359.000處為盾構(gòu)始發(fā)井，GDZK35+432.596處為盾構(gòu)吊出井。原設計盾構(gòu)機從始發(fā)井往小里程方向盾構(gòu)吊出井掘進。

為了在限定工期內(nèi)完成，經(jīng)設計變更，采取在GDZK35+432.596吊出井往大里程始發(fā)井方向進行礦山法開挖接應盾構(gòu)機，礦山法隧道施工二襯，盾構(gòu)機空推不拼管片通過的方案。該段礦山法隧道埋深27～38m，地表建筑密集，交通繁忙，隧道需下穿一所小學。隧道洞身范圍內(nèi)主要為弱風化混合片麻巖，設計圍巖等級為Ⅳ級，采用爆破開挖，要對爆破振動進行監(jiān)測及控制。

2 開挖方案

隧道洞身施工遵守“弱爆破，短進尺，強支護，早封閉，勤量測”的原則。在圍巖開挖中主要采用光面爆破開挖，微振動爆破技術(shù)，以盡可能減輕對圍巖和周圍構(gòu)筑物的擾動，維護圍巖自身穩(wěn)定性，達到良好的輪廓成形。

洞身開挖采用二臺階法開挖，開挖循環(huán)進尺根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和初期支護鋼架間距合理確定。上臺階長度5～8m，上臺階開挖高度約6.1m，開挖斷面約52m2。下臺階開挖高度約4.2m，開挖斷面約32m2，下臺階及早封閉成環(huán)。開挖完成后立即施做初期支護，二次襯砌滿足隧道安全步距要求。

隧道施工爆破后及時清除開挖作業(yè)面石渣，使用挖機將石渣裝在載重車上運輸?shù)骄谖恢?，由龍門吊將渣吊入渣池，在渣池由挖機裝車運出施工場地到棄渣場。

隧道內(nèi)進行圍巖及初期支護的變形監(jiān)控量測，地表進行爆破振動速度監(jiān)測，對每次爆破的監(jiān)測值進行分析，及時調(diào)整爆破參數(shù)，使爆破振動達到理想效果，確保施工安全。

3 施工方法

3.1 微振動爆破原理

由巖石爆破機理可知，炸藥包在巖石中爆炸，爆轟作用形成的應力波，由爆炸中心向周圍傳播，先是使臨近藥包周圍的巖石產(chǎn)生壓碎圈和破裂圈，當應力波通過破裂圈后，由于它的強度急劇衰減，只能引起巖石質(zhì)點產(chǎn)生彈性振動，并以地震波的形式向外傳播。爆破地震波傳播到地表，引起地表振動，即為爆破振動。

微振動爆破的核心技術(shù)，就是根據(jù)應力波疊加原理，在等同裝藥量的情況下，采用毫秒延期雷管分段微差爆破，使爆破地震波的能量在時空上分散，從而降低爆破地震的強度。因此，通過利用微振動爆破技術(shù)對爆破振速進行控制，主要從炸藥品種、裝藥結(jié)構(gòu)、炮眼布置、裝藥量、爆破時差等爆破參數(shù)的合理確定來實施。

計算微振動爆破技術(shù)質(zhì)點振動速度公式一般為薩道夫斯基公式：

本段隧道采用二臺階開挖法，經(jīng)過初期多次爆破振動監(jiān)測，下臺階爆破開挖時爆破振動未傳到地表，所以只在上臺階開挖時進行爆破振動控制即可。

3.2 選擇合適的炸藥

炸藥品種對炸藥的爆破振速有直接影響，根據(jù)爆破理論，炸藥爆轟傳遞效率與巖石波阻抗和炸藥波阻抗有著直接的關(guān)系。炸藥波阻抗和巖石波阻抗匹配系數(shù)β接近1，即可充分發(fā)揮炸藥能量，又有一定的降震效果。

本段隧道爆破選用小直徑2#巖石乳化炸藥，密度ρ0=1.1g/cm3，爆速D=3600m/s，隧道巖體容重ρ=2.0g/cm3，縱波波速V=2500m/s。

根據(jù)公式β=ρ0·D/ρ·V，計算得β=0.792，能滿足控制爆破效果需要。

3.3 優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)

目前炮孔空氣不耦合裝藥已被廣泛應用于光面爆破、預裂爆破等斷裂成型控制爆破工程中。在鉆孔爆破中采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可以減弱爆破的強沖擊荷載對炮孔壁的破壞，延長爆破壓力的作用時間，比耦合裝藥有明顯的降低爆破地震效應的作用。

為了選擇合適的不耦合系數(shù)，通過多次試爆，實測爆破振速如表1所示。

經(jīng)過綜合比較，選擇不耦合系數(shù)2.0時爆破效果最好，本隧道選用的小直徑2#巖石乳化炸藥直徑為2.5cm，故炮眼直徑選擇5cm。

3.4 設計合理的爆破參數(shù)

爆破參數(shù)的合理選取是獲得預期爆破效果的基本前提，必須根據(jù)具體的工程要求與目的，在優(yōu)化確定爆破方案的基礎(chǔ)上，正確設計各爆破參數(shù)。隧道光面爆破主要參數(shù)包括：周邊眼間距（E）、周邊眼抵抗線（W）、相對距離（E/W）、裝藥集中度q。這些參數(shù)可參照鐵路隧道施工規(guī)范選擇，見表2：endprint

根據(jù)以上參數(shù)可以計算炮眼數(shù)量、最大一段允許裝藥量、總裝藥量等參數(shù)。

3.4.1 計算炮眼數(shù)量

式中：N-炮眼數(shù)量，不包括未裝藥的空眼數(shù)，個；q-單位炸藥消耗量，一般取q=1.2kg/m3～2.4kg/m3，硬巖取大值，軟巖取小值；s-開挖斷面積，m2；ɑ-裝藥系數(shù)，裝藥長度與炮眼全長的比值，參考表3；γ-每米藥卷的炸藥質(zhì)量，kg/m；Ф2.5cm的2#巖石乳化炸藥γ=1.25。

3.4.2 計算炮眼深度

本段隧道圍巖為Ⅳ級圍巖，每次開挖循環(huán)進尺不大于2m，炮眼利用率為0.9。計算炮眼深度為2.2m，一般掏槽眼炮眼深度加深0.2m，故掏槽眼深度L=2.2+0.2=2.4m，輔助眼、周邊眼深度取2.2m。

3.4.3 確定炮眼直徑

根據(jù)確定的不耦合裝藥系數(shù)及炸藥藥卷直徑，炮眼直徑為5cm。

3.4.4 計算最大一段允許裝藥量

3.4.5 總裝藥量

炮眼裝藥量的多少是影響爆破效果的重要因素，目前多采取先用體積公式計算出一個循環(huán)的總用藥量，然后按照各種類型炮眼的裝藥系數(shù)ɑ進行分配，再在爆破實踐中加以檢驗與修正，直到取得良好的爆破效果為止的方法。計算總用藥量的公式：

式中：QM-一個爆破循環(huán)的總用藥量，kg；q-爆破每立方米巖石所需炸藥的消耗量，kg/m3，Ⅳ級圍巖q=1.2；l-每掘進循環(huán)的計劃進尺數(shù)，m；s-開挖斷面面積，m2。

本隧道每掘進循環(huán)的計劃進尺數(shù)為2m，開挖斷面面積為52m2。

3.5 采用微差爆破技術(shù)

在采用多排炮孔爆破時，起爆順序及排間的延遲時間對爆破作用的影響較大，為了改善爆破效果，降低爆破地震波的危害，爆破中采用同次分段起爆方法，即在同一次爆破中將炮孔劃分成不同的組別，按照一定的先后順序依次起爆。

隧道施工炮孔起爆順序為：掏槽孔→輔助孔→周邊孔。

為了保證準確的按設計順序起爆，采用微差爆破技術(shù)。在生產(chǎn)實踐中，間隔時間受起爆器材各段的間隔時間制約。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，選取隔段起爆間隔50ms的1～13段毫秒導爆管雷管孔內(nèi)延期起爆法。各個炮眼所采用的毫秒導爆管雷管段別為：掏槽眼1、3段，輔助眼5、7、9、11段，周邊眼13段。

3.6 同一斷面分區(qū)分次起爆

在上臺階爆破開挖過程中，通過采用基本的微振動控制技術(shù)，可將爆破振速控制在《爆破安全規(guī)程》對建筑物爆破振動安全允許標準之內(nèi)。但當隧道通過學校時，需將爆破振速進一步減小。若減少裝藥量，則每循環(huán)開挖進尺過小，無法滿足施工工期要求。

經(jīng)過試驗改進，在施工中采用了將上臺階斷面劃分為上下兩部分，先起爆下部分，再起爆上部分的分區(qū)分次起爆方法。采用此方法后爆破振速顯著減小，這樣既保證每循環(huán)開挖進尺，又滿足隧道通過學校時爆破振速的要求。

4 爆破參數(shù)及炮眼布置圖的確定

施工過程中，根據(jù)以往爆破經(jīng)驗，對爆破方案和參數(shù)進行選取和設計，并通過現(xiàn)場初期多次試爆，對采集的爆破振速等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，及時對設計參數(shù)進行逐步修正，在后續(xù)的爆破中根據(jù)實際情況不斷調(diào)整，通過不斷的改進和實踐，最終確定爆破參數(shù)見表5，炮眼布置如圖1。

5 爆破效果

根據(jù)最終確定的爆破參數(shù)及技術(shù)措施，在后續(xù)爆破施工中，對爆破振速的監(jiān)測未出現(xiàn)超標情況，實測爆破振速見表6。

爆破監(jiān)測人員在現(xiàn)場親身感受爆破，在不經(jīng)意間未感覺有振感，對人體未產(chǎn)生任何心理影響，實踐證明莞惠城際軌道爆破開挖所采取的爆破技術(shù)和相關(guān)措施是成功的。

6 結(jié)束語

微振動控制爆破技術(shù)是爆破降振的有效措施，施工前根據(jù)經(jīng)驗及理論計算確定合理的爆破開挖方案，施工中通過試驗選擇炸藥品種，優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)，調(diào)整爆破參數(shù)等細部設計，采用微差爆破技術(shù)，采取同一斷面分區(qū)分次起爆來控制爆破能量源和爆破能量的傳遞方法，最終達到設計的降振效果。

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