复杂环境下微震控制爆破技术在隧道开挖施工中的应用研究

刘继国

（中铁三局六公司，山西 晋中 030600）

1 前言

（1）在隧道穿过较长的人口房屋密集段、地表覆盖层薄弱、围岩较差的情况下，开挖一般采用静态爆破法、微振爆破法或机械开挖法进行掘进。

（2）静态爆破无声、无爆破振动，但是成本投入巨大；机械开挖法同样无振动干扰，但是工效比太低，很难满足工期要求；微震控制爆破施工在微震控制爆破振动传播速度满足相应的规范许可值内，是不会对房屋造成结构损害的，而且对围岩的干扰较小，不会产生大的施工地表沉降，威胁不到隧道顶部结构物安全，在3种开挖方法中有最高的功效比。

2 工程概况

巩登高速公路3A合同段线路全长1.405 km，里程桩号K19+980～K21+385，主要工程北庄隧道按分离式双向4车道设计，设计车速100 km/h。左线隧长1 255m，右线隧长1 300m，共计2 555m。隧道处于S形综合曲线内，线路最大纵坡2.4%。

北庄隧道隧址所处位置地形复杂，地势起伏大，地质主要为冲洪积碎石土，围岩自稳性差，且埋深较浅，隧道中心线位置顶部覆盖层厚度为30～50m，易坍塌。隧道下穿村庄，穿过段长度为450m，该段隧道顶部地表建筑物集中，房屋多为砖石结构、土坯结构，抗震能力差。居住人口密度较大，分布范围较广。

3 微震控制爆破的应用

3.1 微震控制爆破的目的和方法

（1）微震控制爆破的振动速度要保证建筑物安全、稳定。

（2）通过不同结构物的爆破振动安全允许标准和实际的爆破衰减系数计算允许最大装药量，以达到控制总体药量，调整爆破参数。

（3）在保障安全的前提下，寻求科学合理、高效可行的微震爆破施工方法。

（4）通过监控量测、地表沉降观测、爆破振速观测实时监督和验证爆破方案的可行性。

3.2 微震控制爆破方案

3.2.1 爆破振动的安全判断依据对于爆破振动强度的估算，通过经验公式来计算：

式中：V：质点振动速度；

K：与地质地形有关的参数，对一般岩石常为40～650；

α：衰减指数，对一般岩石为1～1.75；

ρ：等效药量，或称等效距离、比例距离。

式中：Q：炸药用量，kg；

R：测点至爆破中心的距离，m。

由允许安全振动速度通过以下公式计算最大一段允许炸药用量：

式中：Qm：最大一段允许用药量，kg；

Vkp：振动速度控制标准，cm/s；

R：爆源中心至振速控制点距离，m；

K：与爆破技术，地质地形有关的系数；

α：爆破振动衰减指数。

K，α值，有条件的工点可以通过试验爆破及振动观测直接得出，或通过手册资料工程类比确定。

由上式可知，质点的爆破振动强度与一次爆破的炸药用量和至爆源的距离有关。由于爆炸的震动效应只存在于介质的弹性传播区范围内（该公式只适用于距爆源5～3 000m的范围内）。

已有的观测资料表明，在坚硬岩层中爆破振动频率较高，软弱围岩中振动频率较低。在一座泥岩、砂岩的隧道中，全断面开挖爆破时实测距离距开挖面48～62m时，围岩的爆破振动频率为100～200Hz。同时，随着隧道至爆源距离的增加，周期较短的高频振动迅速衰减，而周期较长的低频振动则可以传播得比较远。由于低频振动作用持续时间长、振动幅度大，因而会对围岩或建筑物造成较大的伤害，所以爆破对软弱围岩的危害较大；对地面建筑物的损害比隧道等地下结构要大。

隧道工程爆破，通常使用毫秒雷管，因而爆破振动的主振相是对应于各段爆破多次出现的。炸药量Q值的选取应以出现最大振动速度时相对应的那段药量进行计算是合理的。

3.2.2 计算允许的单段最大共同作用装药量确定

我国《爆破安全规程》中，对各类建筑物所允许的安全振动速度有相关规定。在实际应用时，每个工程都要结合工程的具体情况，作出相应的安全规定，如建筑物的质点峰值振动速度安全控制标准。

巩登高速公路北庄隧道通过与以往相似穿过构造物的同类地质条件隧道相比较，并结合北庄村建筑物多为砖石结构，而且较为破碎，所以选定的安全振动速度为不大于1.0 cm/s，是较为合理的判定。其中，爆破系数K按照同类地质情况选择为300；爆破振动衰减指数α选定为1.90。

Ri为爆源中心至振速控制点距离（m），分别选定不同距离。

V=1.0 cm/s；

K=300；

α=1.90。

由公式（2）Qm=R3（Vkp/K）3/a计算出的不同Ri时允许的最大段装药量，得出Q=0.000 122R^3 kg。

结合北庄隧道埋深及与左右线隧道平面位置关系，选择空间半径R=40m的最大装药量微震控制爆破，Q≤7.85 kg为标准设计微震控制爆破参数。

3.3 施工方法及技术措施

3.3.1 微震控制爆破方法及要求

根据北庄隧道穿过北庄村段左右线围岩的自身特点，制定具有针对性的微震控制爆破开挖方法。

3.3.1.1 Ⅴ级围岩作业流程

Ⅴ级围岩采用环形开挖留核心土法，施工顺序为：长管棚注浆预支护（超前注浆小导管）—上弧形导坑开挖—上弧形导坑初期支护—核心土开挖—下半断面拉中槽开挖—边墙初期支护封闭仰拱。环形开挖进尺长度控制在1.0～1.2m。

3.3.1.2 Ⅳ级围岩作业流程

Ⅳ级围岩采用上下断面台阶法施工，施工顺序为：上断面开挖—上断面初期支护—下断面开挖—边墙初期支护。上半断面采用微震控制爆破，开挖进尺长度为1.0～1.2m。

3.3.2 微震控制爆破设计

为了实现安全、优质、快速掘进，在施工前根据隧道地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻眼机具、爆破材料和出渣能力等因素制定切合实际的钻眼爆破措施，需做到岩变施工方法即变，在北庄隧道穿北庄村段施工中，初步设计单次微震控制爆破进尺长度为1.2m。

3.3.2.1 起爆方式及装药结构

爆破方式：硬岩宜采用微震控制爆破，软岩宜采用预裂爆破，分部开挖可采用预留控制层微震控制爆破。局部开挖宜采用浅眼爆破，防止振动对支撑结构产生不良影响。采用半断面或台阶法开挖，眼深为1.0～3.0m的浅眼爆破时，单位耗药量可取0.4～0.8 kg/m3。

3.3.2.2 选择合理的起爆段间时差（雷管）

软弱围岩中爆破振动频率比较低，一般多在100 Hz以下；振动持续时间大多为100～200ms。为避免段间振动叠加，段间隔时间一般应大于100ms。而在硬岩隧道工地的观测资料表明，这时爆破振动频率较高，通常仅几十赫兹，振动持续时间也较短，因而可以认为，坚硬完整岩层中隧道爆破可以选用段间隔时间不小于50ms即可。

对于常用的25ms递增间隔的Ⅲ系列非电毫秒雷管，控制设计选择跳段使用，即采用1段、3段、5段、7段、9段、10段、11段、13段、15段雷管，每段延时均不小于50ms，满足设计要求。

3.3.2.3 掏槽形式的选定

一般情况下，掏槽爆破的震动强度比其他任何部位炮眼爆破时的都要大。因此，从减小掏槽爆破的震动强度出发，选用楔形掏槽，布置在隧道底部。本微震控制爆破方案中采用多重复式楔形掏槽，以最大限度使掏槽区炮眼最大共同装药量减少，降低振动强度，也有利于取得最佳的掏槽效果。

3.3.2.4 确定整个爆破设计

北庄隧道微震控制爆破设计本着短进、弱爆、控制用药量、减少振动的原则，按照浅密原则布置。周边炮眼应按预裂爆破设计，必要时应在两装药孔间加打空眼以减振，周边眼还采用小直径药卷不耦合装药或串状间隔装药结构。

3.3.2.5 微震控制爆破作业

微震控制爆破参数根据计算依据以及结合软硬岩的爆破炸药用量共同编制后经试爆后，对于穿过北庄村段隧道采用炸药采用二号岩石硝铵炸药，钻爆参数为掏槽眼14个，1段装药5.4 kg，3段装药7.2 kg；掏槽辅助眼8个，5段装药7.2 kg，压炮眼9个，7段装药4.05 kg；辅助眼20个，7段装药1.8 kg，9段装药7.2 kg；周边辅助眼25个，10段装药7.5kg；周边眼49个，11段装药7.2 kg，13段装药7.5 kg；底板眼13个，15段装药5.85 kg。合计138个眼，总装药量为60.9 kg。

3.4 微震控制爆破实施过程中的监控方案

北庄隧道穿过北庄村段因其具有房屋密集，居住人口众多的独特地理环境，微震控制爆破用药量及爆破参数均采用公开透明原则，以便当地村民了解并知情。而且现场还采用了地质超前预报、视频监控、监控量测及地震波监控等多方式、全方位的监控手段进行监督并指导修正钻爆参数。

经中国地震局监测振动速度最大值为1.366 cm/s，符合设计及规范要求。

4 结论

隧道处于复杂外部环境和较差的围岩情况下，通过判定围岩振动衰减系数和地表结构物的抗震级别，合理进行爆破参数的设置。同时，控制起爆的最大药量及单孔最大装药量，可有效地降低爆破振动速度，从而满足施工安全和施工进度要求。