深埋軟巖緊急救援站爆破安全距離的研究

劉航雨，陳壽根

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

既有隧道附近修建隧道，在其爆破開挖過程中，其爆破產(chǎn)生的地震波或者由于圍巖的開挖引起的圍巖擾動會對既有隧道的安全和穩(wěn)定產(chǎn)生一定程度的影響。如果新建隧道與既有隧道的空間位置(平行、重疊或交叉)較近，那么新建隧道的施工會對既有隧道產(chǎn)生較大影響：該影響具體表現(xiàn)在近區(qū)圍巖破損、遠區(qū)圍巖振動，這會對圍巖及臨近隧道的安全穩(wěn)定造成威脅。因此，如何盡最大的努力去減小由于隧道的施工對既有隧道產(chǎn)生的影響，保證隧道的安全是施工的難點[1-3]。

目前，鉆爆法是隧道開挖的主要技術(shù)手段。鉆爆法對各種復雜地質(zhì)適應(yīng)性強、經(jīng)濟效益高，適合于堅硬、破碎巖石隧道及長度較短隧道的施工。然而，因爆破施工會引起圍巖內(nèi)部及地表產(chǎn)生強烈的震動，尤其在軟弱圍巖地段甚至會產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象，不必要的過大的震動可能導致圍巖塑性區(qū)的大范圍擴張或巖體坍塌，這點應(yīng)值得注意[4-5]。

云屯堡救援站地處碳質(zhì)千枚巖，富含地下水且高地應(yīng)力的環(huán)境，且救援站區(qū)段洞室多，交叉口多，網(wǎng)絡(luò)復雜，結(jié)構(gòu)復雜，特殊結(jié)構(gòu)多，近接隧道多，因此需要對救援站爆破施工進行控制(圖1)。

圖1 云屯堡防災救援站布置示意

1 關(guān)于爆破振動安全距離的計算

爆破的衰減規(guī)律在國內(nèi)乃至世界各國都是最重要的理論設(shè)計基礎(chǔ)，在爆破過程中首先要解決的問題就是振動衰減規(guī)律，目前主流的研究衰減規(guī)律的辦法有：波動理論法，數(shù)值研究法，薩道夫斯基和數(shù)據(jù)擬合的方法。本文主要是基于薩道夫斯基方法來研究衰減系數(shù)的規(guī)律。

通過對爆心距，炸藥量，地形地質(zhì)條件，圍巖級別，振動速度之間的關(guān)系從而得到v=KmQnRp，不同的國家給出了不同的經(jīng)驗公式。美國等國家采用v=K(R/Q0.5)-α，歐洲、日本等國家采用了v=(KQ/R2)α。而在我國GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中采用薩道夫斯基公式：

(1)

式中：V為爆破振動峰值速度；Q為單段爆破的最大炸藥量；R為爆炸點到測點的距離；K為介質(zhì)類型及爆破類型有關(guān)的系數(shù)；α為地質(zhì)地形等巖石類型性質(zhì)。

式中系數(shù)K、α可以通過現(xiàn)場實測或地質(zhì)地勘表給出。因此想要得到R的取值則需要求出單段爆破的最大炸藥量和爆破振動峰值速度。

國內(nèi)通常對巖石類型K,α數(shù)值分成三類，堅硬巖石K在50～150，α在1.3～1.5；中硬巖石K在150～250，α在1.5-1.8；軟巖石K在250～350，α在1.8～2.0；土壤K在150～220，α在1.5～2.0。

2 單段爆破最大炸藥量

隧道爆破炮眼包括掏槽眼，輔助眼，周邊眼和底板眼。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，掏槽處通常爆破的振速最大。根據(jù)相關(guān)的爆破原理，為了獲得滿意的爆破效果，掏槽眼常采用如下形式。

通常采用斜眼掏槽(水平V型)，同時因進尺不大，四對單重掏槽就能夠完全實現(xiàn)。根據(jù)不同的圍巖級別，V級掏槽夾角宜控制在40 °以內(nèi)，層間距離控制在70 cm以內(nèi);Ⅳ級圍巖掏槽夾角宜控制在46 °以內(nèi)，層間距離控制在60 °以內(nèi)(圖2、圖3)。

單孔裝藥量:經(jīng)驗值法——按孔長計算，Ⅴ級圍巖45 %，Ⅳ級50 %，則分別為:0.58 kg/孔、1.2 kg/孔。根據(jù)掏槽設(shè)計，通常最先起爆的孔要共同作用才能夠達到有效的掏槽效果，故必須保證4孔在同一時刻起爆，如圖所示產(chǎn)生最大的爆破振動通常發(fā)生在首先起爆的掏槽孔上，為此齊爆最大裝藥量以掏槽2對孔即4孔的合計裝藥量進行工況分析。炸藥裝藥量必須滿足起到爆破的作用又不引起對臨近圍巖和結(jié)構(gòu)的過分擾動。

圖2 V級圍巖掏槽眼斷面(單位：cm)

圖3 Ⅳ級圍巖掏槽眼斷面(單位：cm)

Ⅴ級圍巖允許裝藥量為4×0.58=2.31kg

Ⅳ圍巖允許裝藥量為4×1.2=4.8kg

工況分析藥量(2#巖石炸藥e=1)為QV=2.5kg、QIV=5kg。

3 爆破振動控制速度預測

本文主要就遠區(qū)應(yīng)力波和地震波的傳播規(guī)律以及巖體對其的動力相應(yīng)和爆破震動效應(yīng)控制進行了研究。從這一角度看，在爆炸應(yīng)力波作用下，巖石往往表現(xiàn)為強脆性，因此，在爆炸應(yīng)力波作用下的巖石損傷斷裂準則可以采用純脆性損傷斷裂準則。從Lemaitre等效應(yīng)力的概念出發(fā)，認為當?shù)刃?yīng)力達到巖石的動態(tài)斷裂應(yīng)力時損傷達臨界值，材料發(fā)生斷裂。如表達式(2)：

(2)

式中：σ為巖石中的應(yīng)力；σc為微裂紋發(fā)生擴展的臨界應(yīng)力；a為微裂紋的初始半徑，對于堅硬完整硬巖a取值為0.01 m，中硬巖a取值為0.04 m，軟巖a取值為0.16 m。KIC為應(yīng)力強度因子。

根據(jù)巖石波速傳遞原理可得：

σ=KρCV

(3)

式中：ρ為巖石密度；C為巖石縱波速度；V為振動速度；K為安全系數(shù)，取0.8。

根據(jù)長安大學的包含，伍法權(quán)等[6]的研究結(jié)果，其斷裂韌度Kic和圍巖單軸飽和抗壓極限強度的關(guān)系為：

σc=83.41KIC

(4)

式中：σc為圍巖單軸飽和抗壓極限強度。

其相關(guān)計算參數(shù)如表1所示。

表1 爆破計算參數(shù)

其爆破質(zhì)點控制速度計算結(jié)果如表2所示。

表2 爆破質(zhì)點控制速度

考慮云屯堡救援站的高地應(yīng)力，軟巖和地層富水的影響的特殊地形的影響，且質(zhì)點振速控制標準高，有利于降低爆破對圍巖的擾動，有利于保障先建結(jié)構(gòu)的安全。即得出結(jié)論，取四級圍巖的爆破質(zhì)點控制振動速度為5 cm/s，五級圍巖的爆破質(zhì)點控制振動速度為3 cm/s。

4 爆破振動安全距離確定

考慮以上的爆破因素α值在1.8～2.0，K值在300～350。該段隧道擬合α值為2.0，K值取350?，F(xiàn)采用我國的爆破公式v=K(Q1/3/R)α對爆破段進行分析，分別討論炸藥量在2.5 kg和5 kg時爆破振動的安全距離.在考慮高程差的情況下，分別討論正高差和負高差的影響下不同距離的爆破振動速度，其公式為：

(5)

式中：H為測點與爆心之問的相對高差(m)；β為與高差有關(guān)的系數(shù)，一般取0.25～0.28，正高差時β取正，反之取負;硬巖中取大值，軟巖中取最小值。

考慮最危險的情況，取K為300，α為2。根據(jù)上述公式。隧底聯(lián)絡(luò)通道下穿主洞和左側(cè)平導為工況1，隧底聯(lián)絡(luò)通道與四號橫洞交叉處為工況2，聯(lián)絡(luò)排煙道與主洞左側(cè)平導為工況3，豎井與四號橫洞交叉處為工況4。防災救援站各部位的計算參數(shù)和計算結(jié)果如表3所示。

表3 各部位計算參數(shù)和計算結(jié)果表

5 結(jié)束語

隧底聯(lián)絡(luò)通道與主洞、左側(cè)平導段豎向距離小于爆破安全距離各為11.67 m和15.80 m，采用非鉆爆開挖；聯(lián)絡(luò)排煙道與主洞、左側(cè)平導的豎向距離小于爆破安全距離為10.26 m，采用非鉆爆開挖；豎井與主洞交叉口位置13.57 m之內(nèi)為安全距離，且為了施工方便，這里推薦豎井采用非鉆爆開挖，隧底聯(lián)絡(luò)通道與4號橫洞交叉點13.57 m內(nèi)也考慮采用非鉆爆開挖。其非鉆爆區(qū)域如圖4所示。

圖4 非爆破區(qū)域

由于云屯堡救援站所處的特殊位置以及復雜的結(jié)構(gòu)形式，可以采取微差爆破的方式，并在爆破的過程中以及結(jié)束后開展爆破振速監(jiān)測，通過時程分析法，找出主振頻率，并通過現(xiàn)場回歸公式得出合適的K、a值，反過來優(yōu)化鉆爆設(shè)計，此方案還需要在后面現(xiàn)場爆破過程中進行改進。