復(fù)雜環(huán)境下的隧道爆破振動(dòng)控制研究*

肖文芳 薛東杰 郝延周 韓 英

(1.貴陽(yáng)學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，550005，貴陽(yáng)； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，100083，北京；3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，710055，西安；4.貴州省土木工程省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，550005，貴陽(yáng)//第一作者，講師)

在地鐵隧道施工中，鉆爆法因經(jīng)濟(jì)與技術(shù)效果明顯而得到廣泛應(yīng)用。由于城市環(huán)境的特殊性以及地質(zhì)條件的復(fù)雜性，爆破施工開(kāi)挖難度增大，爆破地震波對(duì)周邊建筑設(shè)施的破壞作用也經(jīng)常引發(fā)民事糾紛。如何降低爆破施工振動(dòng)效應(yīng)對(duì)地鐵隧道開(kāi)挖工程的順利實(shí)施顯得尤為重要[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)露天爆破地震波的傳播規(guī)律進(jìn)行了大量研究，并提出了相應(yīng)的減震措施。但地鐵隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑設(shè)施眾多，如果采取過(guò)于保守的施工方案，雖能降低振動(dòng)效應(yīng)，保障周邊建筑設(shè)施的安全，卻不能滿足施工進(jìn)度和施工效益的要求。因此，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的爆破施工方案進(jìn)行研究，尋求經(jīng)濟(jì)合理又安全的爆破設(shè)計(jì)方法具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義[3-4]。

本文以貴陽(yáng)地鐵2號(hào)線龍洞堡機(jī)場(chǎng)隧道爆破開(kāi)挖為依托，通過(guò)理論計(jì)算確定合理的施工開(kāi)挖方案，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)，確保隧道爆破施工順利進(jìn)行。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

貴陽(yáng)地鐵2號(hào)線龍洞堡機(jī)場(chǎng)隧道南端區(qū)間為龍洞堡機(jī)場(chǎng)站至小碧站。區(qū)間內(nèi)巖層呈單斜構(gòu)造，未見(jiàn)較大發(fā)育。暗挖段洞身位于強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖層中，巖體破碎，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。區(qū)間的YDK44+960—YDK45+090段與ZDK44+969—ZDK45+090段為明挖段，其余為暗挖段，暗挖段采用爆破施工。爆源周邊建筑設(shè)施平面布置情況如圖1所示。

圖1 暗挖區(qū)間與周邊建(構(gòu))筑物平面示意圖

開(kāi)挖面標(biāo)高與機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有路面標(biāo)高差距16 m左右，周邊環(huán)境復(fù)雜。往小里程方向下穿機(jī)場(chǎng)消防站及磚混結(jié)構(gòu)的機(jī)場(chǎng)醫(yī)院，往大里程方向下穿油小公路及高架橋，主要影響油小公路附屬的部分管線及高架橋的橋墩孔樁。受到爆破施工影響的還有消防站、小碧立交橋臺(tái)以及各種地下管線。

1.2 工程難點(diǎn)

由于地鐵隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，故對(duì)爆破振動(dòng)要求較高。根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》對(duì)結(jié)構(gòu)物及管線安全距離的要求，核算得到爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑設(shè)施及管線的影響如表1和表2所示。

表1 爆破施工對(duì)周邊建筑設(shè)施影響統(tǒng)計(jì)

2 爆破施工方案及爆破技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 施工方案的選擇

為了降低爆破振動(dòng)，暗挖區(qū)間隧道Ⅴ級(jí)圍巖段采用短臺(tái)階法施工[5]。施工時(shí)，上臺(tái)階與下臺(tái)階鉆眼完成后同步裝藥連線，同步起爆。平均每日進(jìn)尺1.2 m。隧道的臺(tái)階法施工如圖2所示。

表2 爆破施工對(duì)周邊地下管線影響統(tǒng)計(jì)

圖2 臺(tái)階法施工示意圖

2.2 爆破方案設(shè)計(jì)

臺(tái)階法爆破施工中，在下穿消防站段及油小線既有管線段采用微差雷管控制爆破。選用2#巖石乳化炸藥，并采用導(dǎo)爆索間隔裝藥結(jié)構(gòu)。在隧道拱部，周邊眼間距控制在55 cm以內(nèi)，并均勻布置，具體布置見(jiàn)圖3。

圖3 隧道炮眼布置圖

2.3 爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 炮眼深度

隧道所處的Ⅴ級(jí)圍巖屬于軟弱圍巖，故炮眼不宜過(guò)深。設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m，有效進(jìn)尺約為75%。掏槽眼垂直深度為1.5 m，其他眼深度均為1.3 m。并采用YT-28型風(fēng)鉆鉆孔。

2.3.2 光面爆破

周邊眼間距E一般為8～15倍炮眼直徑，即336～660 mm，按經(jīng)驗(yàn)取值400 mm；周邊眼眼深小于2.0 m，故不考慮外插斜率。最小抵抗線W取較小值450 mm，則周邊眼密集系數(shù)K=E/W=0.88。光面爆破裝填系數(shù)β和單孔裝藥量Qk為：

(1)

(2)

式中：

τ——巖石抗剪強(qiáng)度,取1.10 MPa;

σe——巖石抗拉強(qiáng)度,取1.05 MPa;

σc——巖石抗壓強(qiáng)度,取35.80 MPa;

L——炮眼深度, 取130 cm;

dk——炮眼直徑,取4.2 cm;

dt——藥包直徑,取計(jì)算值2.0 cm;

ρ——炸藥密度,取1.0 g/m3。

計(jì)算得到，β=0.30，Qk=122 g。

2.3.3 掏槽眼參數(shù)布設(shè)

本工程隧道斷面為中小斷面，為減少掏槽難度及掏槽爆破對(duì)圍巖的振動(dòng)，保證掏槽效果，設(shè)計(jì)采用楔形掏槽技術(shù)。掏槽眼水平間距按1.3～1.4 m進(jìn)行控制。左右炮眼的眼底間距a、上下排炮眼間距b以及掏槽炮眼與開(kāi)挖面的夾角γ是影響掏槽效果的重要因素。參數(shù)值選用參考表3。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，本工程γ取70°,a取23.5 cm，b取55 cm，則掏槽孔布置如圖4所示。

由于暗挖段大都處于中強(qiáng)風(fēng)化型巖層中，圍巖整體性較差，最小抵抗線取保守值為550～650 mm；擴(kuò)槽眼、內(nèi)圈眼及掘進(jìn)眼間距按抵抗線關(guān)系、巖石整體性程度、巖石爆破時(shí)互相夾制影響及爆破減少拋擲等要求確定。

圖4 掏槽孔布置

2.3.4 爆破參數(shù)的確定及裝藥量計(jì)算

根據(jù)初期支護(hù)間距要求，設(shè)定隧道爆破掘進(jìn)進(jìn)尺為1.2 m，炮眼裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)及其他鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)如表4所示。由表4可知,上臺(tái)階爆破方量為19.632 m3，下臺(tái)階爆破方量為25.632 m3,炮眼合計(jì)94或95個(gè),藥量合計(jì)37.16或37.56 kg。

2.4 爆破的安全檢算

2.4.1 建筑設(shè)施安全驗(yàn)算

根據(jù)表1，距爆源最近的小碧立交橋臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于磚混結(jié)構(gòu)[6]。其他地表建筑大都為磚混結(jié)構(gòu)，有極少數(shù)磚房。消防站為距爆源最近的磚混結(jié)構(gòu)地表建筑，受爆破振動(dòng)影響最大，距圍巖正洞最小距離約18.25 m。

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的隧道爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)要求[7]，周邊磚混結(jié)構(gòu)房屋振速需控制在2.0 cm/s以內(nèi)。采用薩道夫斯基預(yù)測(cè)公式來(lái)驗(yàn)算爆破振動(dòng)速度,有:

Qm=R3(νk/k)(3/α)

(3)

式中：

Qm——最大段安全藥量；

vk——建筑物允許的最大振動(dòng)速度；

R——爆心距；

k——與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)的衰減系數(shù)；

α——與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)。

爆區(qū)不同巖性的k、α值如表5所示。本工程k取250，α取2.0。經(jīng)計(jì)算，爆破施工時(shí)，Qm=4.35 kg>3.60 kg(最大一段設(shè)計(jì)用藥量)。爆破藥量均較小，符合爆破安全要求，安全驗(yàn)算通過(guò)。

2.4.2 地下管線安全驗(yàn)算

由于地下管線在正線上部，故只需驗(yàn)證埋深最近段地下管線的振動(dòng)速度是否在安全允許范圍之內(nèi)即可[8]。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，機(jī)場(chǎng)至擴(kuò)建指揮部的供水管、排污管及煤氣管雖距正線爆破中心最近，但該段管線均需進(jìn)行遷改；而距爆源最近的不遷改管線為航站樓強(qiáng)弱電管溝。根據(jù)表2，地下管線距正線爆源最小距離為16.71 m。根據(jù)安全規(guī)范，地下管線振動(dòng)速度需控制在2.5 cm/s以內(nèi)。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)，計(jì)算可得最大段安全藥量Qm=4.67 kg>3.60 kg(最大一段設(shè)計(jì)用藥量)。因此，地下管線安全驗(yàn)算通過(guò)。

表4 臺(tái)階法鉆爆設(shè)計(jì)

表5 爆區(qū)不同巖性k、α值

由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)方案符合爆破安全要求。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)布置

本次測(cè)試采用TC-4850爆破振動(dòng)儀，將儀器分別布設(shè)在消防站、機(jī)場(chǎng)油站、小碧立交橋臺(tái)及航站樓強(qiáng)弱電管溝等受爆破振動(dòng)影響較大的地方。每臺(tái)儀器將在每次爆破時(shí)記錄3個(gè)不同方向的振動(dòng)速度和主頻。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

由于受爆破振動(dòng)影響較大的建筑設(shè)施均位于爆破點(diǎn)的上方，因此主要對(duì)垂直振動(dòng)速度進(jìn)行分析[9-10]。圖5為爆破開(kāi)挖時(shí)掌子面附近測(cè)取的爆破振動(dòng)時(shí)程曲線。

選取有代表性的點(diǎn)，并剔除所測(cè)數(shù)據(jù)中部分離散性較大者，通過(guò)最小二乘法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出掌子面上方地表振速回歸直線如圖6所示。

圖5 掌子面附近的爆破振動(dòng)時(shí)程曲線

圖6 掌子面上方地表振速回歸直線

擬合得到垂直方向測(cè)線的k=174.48，α=1.886；線性回歸決定系數(shù)R為0.94。因此，本測(cè)試條件下該區(qū)域爆破中的垂直方向地震波傳播規(guī)律可表示為：

(4)

由此可知，在巖石性質(zhì)與地質(zhì)條件相同的條件下，當(dāng)爆心距確定后，υ的大小主要取決于最大段起爆藥量Q。

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，附近建筑設(shè)施的安全振速不超過(guò)2.0 cm/s，由式(3)可得垂直方向質(zhì)點(diǎn)振速控制的最大段起爆藥量。

隧道爆破開(kāi)挖時(shí)，不同υ峰值下的最大單響允許藥量與爆心距的關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖7 不同υ峰值下爆心距與最大段允許藥量的關(guān)系

為了保證周邊建筑設(shè)施的安全，在后續(xù)的爆破施工中，將被保護(hù)對(duì)象爆心距代入式(3)進(jìn)行驗(yàn)算，得出的最大單響藥量均滿足工程要求。為了驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)振速峰值相對(duì)理論計(jì)算值均較小，但計(jì)算振速與實(shí)測(cè)振速的誤差均在工程要求允許范圍之內(nèi)，由此說(shuō)明此次爆破設(shè)計(jì)是合理的，能夠有效控制爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑設(shè)施的影響。

4 結(jié)論

對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的隧道爆破施工進(jìn)行理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，確定適合該地區(qū)的爆破地震波傳播衰減規(guī)律，并根據(jù)理論計(jì)算確定施工過(guò)程中安全范圍內(nèi)的最大段允許起爆藥量，以保障工程順利進(jìn)行。具體結(jié)論如下：

1) 掏槽孔爆破引起的振動(dòng)效應(yīng)最為強(qiáng)烈。采用楔形掏槽、分段裝藥并控制掏槽孔的單段最大起爆藥量，同時(shí)應(yīng)用單循環(huán)1.2 m短臺(tái)階微差控制爆破方法，可有效降低爆破振動(dòng)。

2) 通過(guò)回歸分析，擬合出垂直方向上薩道夫斯基預(yù)測(cè)公式中的系數(shù)α及k，得到了地表爆破地震波的傳播衰減規(guī)律。合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，嚴(yán)格控制計(jì)算所得出的最大單響藥量要求，即可取得良好的爆破效果。

3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)速度峰值與理論計(jì)算值均能較好地反映爆破地震波衰減規(guī)律。在允許的誤差范圍內(nèi)，兩者都能較好地指導(dǎo)施工。實(shí)測(cè)結(jié)果表明已監(jiān)測(cè)部位振速均在安全允許范圍內(nèi)，同時(shí)也驗(yàn)證了施工開(kāi)挖方案及爆破設(shè)計(jì)方法的合理性和可行性。