切缝药包预裂爆破减振技术试验研究

杨仁树，车玉龙，冯栋凯，王强勋

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

在城市地铁建设中，因造价低、拆迁少、所需专用设备少等特点，钻爆法广泛应用于地铁爆破开挖的施工[1-2]。爆破开挖对地表建(构)筑物产生的震动危害亦愈受重视,如何将爆破震动灾害降至最低已为工程界、学术界所关注[3-9]。地铁区间隧道爆破主要面临爆破振速满足设计要求、周边成型达到设计要求及安全高质高效施工等三方面。其中爆破振速为首控因素。为降低爆破振速，陈庆等[10]从合理微差时间、单段起爆药量、微差起爆、掘进进尺及预裂爆破等五方面提出爆破减振技术措施；张永兴等[11]针对开挖顺序提出减振措施；傅洪贤等[12]研究表明电子雷管降振效果良好，但成本较高。以上均以开挖掌子面全部炮眼为研究对象，而实际的城市地铁隧道爆破施工中，掏槽眼爆破所致爆破振动最大，降低该振速在一定程度相当于降低峰值最大振速，常规降振方法[13]为减小循环进尺(但会影响工期)及改变掏槽方式[14]。如采用大空孔直眼掏槽[15]或分级复式楔形掏槽[16]等方式，其缺点是增加打眼时间，间接影响工期。采用预裂爆破既不改变掏槽方式，亦无需减小循环进尺，但周边眼预裂爆破因炮眼多、药量大及自由面少等因素，导致预裂爆破本身振动较大，故较少采用[17]。杨仁树等[18-20]通过对切缝药包(聚能管)定向断裂爆破研究应用表明，切缝药包在切缝处具有能量汇聚作用，而在非切缝处能保护被爆岩体，有助于实现预裂爆破。

基于上述研究成果，结合青岛地铁3号线爆破施工，本文提出新的减振措施，即采用切缝药包在掏槽眼上方一定距离处，横向布置数个炮孔进行预裂爆破，使掏槽眼与保护区之间形成具有一定宽、深度的预裂缝，以阻碍、隔断掏槽眼爆破产生的爆炸应力波向上传播，降低掏槽眼爆破振速，因而降低峰值振动速度。该方法既能保证循环进尺，又无需对掏槽方式进行大改变，故能实现安全高效施工。

1 切缝药包预裂爆破减振原理

图1 地震波绕过预裂缝

用切缝药包对掏槽眼上方预裂孔实施爆破，使其在预裂孔位置形成爆炸裂缝及裂隙区；再爆破掏槽眼，其产生的应力波由两部分[21]组成，一部分直接传播到预裂缝下表面，在界面处发生反射、折射及透射，消耗大部分地震波能量，进入保护区能量较小，可有效降低保护区振动；一部分绕过预裂缝进入上表面向上传播，其地震波强度亦被削弱，见图1。故预裂缝的存在将减少、阻碍地震波向上传播，导致地面质点振速降低。

图2 切缝药包爆破原理

普通爆破时应力波及爆轰气体压力共同作用，即冲击波“压碎”药包附近岩石，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙，爆轰气体“楔入”裂隙中，使其延伸、扩张致岩体脱落破碎。而切缝药包爆炸时，在非切缝处爆轰产物直接冲击外壳表面，因外壳密度大于爆轰波阵面上产物的密度，且外壳压缩性一般小于爆轰产物的压缩性，故爆轰产物由该表面反射产生反射冲击波[22]；透射波经衰减后，作用于孔壁的能量大大降低，减少非切缝区域孔壁产生径向裂缝的可能性；而在切缝方向，爆轰产物直接冲击空气介质产生冲击波，形成集中高速、高压射流定向作用于切缝向炮孔壁。若其冲量密度大于岩体临界冲量密度，则在炮孔壁上产生破裂，预先形成初始裂缝。爆轰气体反射后向切缝方向集中，增强切缝方向的破坏作用[23-24]。切缝药包定向断裂控制爆破特点为巧妙利用炸药的动、静作用，爆炸能量利用更趋合理。切缝药包爆破原理见图2。

2 试验方案及结果分析

2.1 工程概况及地质情况

青岛地铁3号线长25.93 km，全部为地下线路，采用钻爆法施工。试验区位于K15+999 m处，断面为马蹄形，宽5.8 m，高6.1 m，断面积30.8 m2，埋深22 m，采用楔形掏槽形式进行全断面爆破，工程地质条件见图3。施工采用Φ32 mm×300 g的2号岩石乳化炸药，试验所用切缝药包结构[24]见图4，套管为硬质PVC管，内径36 mm，外径40 mm，壁厚2 mm，预制裂缝宽4 mm。

图3 工程地质条件

图4 切缝药包结构(单位：mm)

2.2 切缝药包预裂爆破成缝试验

采用切缝药包预裂爆破能否将待爆岩石破裂开及预裂后裂纹及裂隙区情况如何备受关注，尤其岩石较完整且坚硬时，其预裂爆破效果已成阻碍其推广应用的关键因素。为观察切缝药包预裂爆破效果，对掌子面拱顶进行5孔切缝药包预裂爆破，爆破方案见图5，炮孔深度2 m，单孔装药量600 g。采用轴向空气间隔不耦合装药结构，用导爆索连接炸药，5个预裂孔同时起爆，见图6。爆破后的裂缝效果见图7。除渣后效果见图8。由图7看出，切缝药包预裂爆破形成的裂缝长度约3 m，宽度约6-9 cm。由图8看出，切缝药包预裂爆破成型规整。其原因为用切缝药包进行预裂爆破时能量沿切缝即轮廓线方向优先并大量释放，导致裂纹长、宽度增加；在非切缝方向因切缝管外壳的存在，导致作用于孔壁的能量大大降低，使非切缝区域孔壁产生的径向裂缝大大减少，故周边成型规整，半眼痕率较高。试验证明采用切缝药包预裂爆破能较好将岩石破裂，并形成具有一定长度、宽度的裂缝。

图5 爆破方案(单位：mm)

图6 装药结构

图7 爆破生成的裂缝

2.3 切缝药包预裂爆破减振试验

(1) 原爆破方案。为对比分析降振效果，先按原方案施工，见图9，参数见表1。

(2) 5孔普通药包预裂爆破试验。采用普通药包进行预裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm处横向布置5个炮孔，间距600 mm，炮孔深2.2 m，采用普通药包轴向空气间隔装药，用导爆索连接，其它参数不变。爆破方案见图10，具体参数见表2。

(3) 5孔切缝药包预裂爆破试验。在试验(2)基础上将5个预裂孔的普通药包改为切缝药包进行预裂爆破，其它参数不变。

图9 原爆破方案(单位mm)

表1 爆破参数

表2 爆破参数

图10 预裂爆破试验方案(单位mm)

表3 不同方案试验结果(单位cm/s)

(4) 7孔切缝药包预裂爆破。在试验(3)基础上将5个切缝药包预裂孔增加到7个进行预裂爆破，其它参数不变。

为便于对比分析，上述试验全部按图1进行爆破振动监测，不同方案试验结果见表3，爆破方案(1)-(4)的测试波形见图11-图18。

图11 爆破方案(1)点1(拱顶)测试波形

图12 爆破方案(1)点2(侧向)测试波形

图13 爆破方案(2)点1(拱顶)测试波形

图14 爆破方案(2)点2(侧向)测试波形

图15 爆破方案(3)点1(拱顶)测试波形

图16 爆破方案(3)点2(侧向)测试波形

图17 爆破方案(4)点1(拱顶)测试波形

图18 爆破方案(4)点2(侧向)测试波形

2.4 结果分析

(1) 将上述试验过程定义为爆破方案1、2、3、4，据测点1(拱顶)测试结果，绘制拱顶振速变化规律见图19。由图19看出，采用预裂爆破时质点三方向振速中Z向(垂向)振速最大，三方向的合成速度高于任一方向。对比爆破方案2、1知，合成速度降低12.6%，X向(径向)降低45.9%，Y方向(切向)降低32.7%，Z向(垂向)增加5.8%。对比爆破方案3、1知，合成速度降低37.1%，X向降低48.6%，Y向降低36.6%，Z向降低27.7%。对比爆破方案4、1知，合成速度降低27.2%，X向降低43.6%，Y向降低33.2%，Z向降低19.8%。与原方案相比，对拱顶上方质点峰值振速，采用5孔切缝药包预裂爆破降振效果最明显。

图19 拱顶振速变化规律

图20 侧向振动变化规律

(2) 据测点2(侧向)测试结果，绘制侧向振速变化规律见图20。由图20看出，采用预裂爆破，质点三方向振速中Y向(垂向)振速最大；三方向合成速度高于任一方向。对比爆破方案2、1知，合成速度降低36.8%，X向降低41.5%，Y向降低14.7%，Z向降低54.6%。对比爆破方案3、1知，合成速度降低21.1%，X向降低48.3%，Y向增加5.6%，Z向降低11.8%。对比爆破方案4、1知，合成速度降低8.5%，X向降低20.3%，Y向降低0.7%，Z向增加6.7%。与原方案相比，对侧向质点峰值振速，5孔普通预裂爆破降振效果最明显。

(3) 原因分析。将预裂爆破与原方案比较看出，采用此预裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm处横向布置5-7个预裂孔爆破形成裂缝及裂隙区，能减少、阻碍掏槽眼爆破产生的振动波向上传播，而预裂孔本身因炮孔少，段装药量较原方案掏槽眼药量低，两者共同作用降低爆破振动速度。

对比5孔切缝药包预裂及普通药包预裂知，在非切缝(拱顶)方向爆轰产物直接冲击其外壳表面，发生透射、反射等复杂现象后再作用于围岩，爆破能量有所降低，故拱顶质点峰值振速降低；但在切缝方向(侧向)相反，由于切缝的存在，使炸药爆炸能量优先沿切缝方向集中释放，由于管壁对爆生气体包裹作用，使爆生气体具有足够强度及作用时间，导致侧向质点峰值振速增加。

对比5孔切缝药包预裂爆破与7孔切缝药包预裂爆破知，由于预裂孔数的增加，使段装药量增加，预裂孔总能量有所增强，故在切缝方向(侧向)及非切缝方向(拱顶)质点峰值振速有所增强。

3 结 论

以青岛地铁3号线区间爆破开挖为工程背景，通过试验，结论如下：

(1) 采用预裂爆破时拱顶上方质点Z向振速最大；侧向质点Y向振速最大，Z向次之，X向最小。

(2) 单循环进尺、炮眼数、总装药量基本相同时，可在掏槽眼上方600 mm处横向布置5-7个预裂孔，采用不同药包进行预裂爆破形成裂缝及裂隙区，能减少及阻碍掏槽眼爆破引起的震动波向上传播，可有效控制掏槽眼引起的振速。

(3) 与5孔普通药包预裂爆破相比，5孔切缝药包预裂爆破有助于降低拱顶上方质点峰值振速，但侧向质点峰值振速有所增大。

(4) 切缝药包预裂爆破7孔与5孔相比，随预裂孔数目、段装药量的增加，拱顶及侧向质点峰值振速均有所增大。

(5) 施工中应综合分析现场实际情况，采用合理的爆破减振技术，实现安全高效施工。

[1] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社,2010.

[2] 高文学，颜鹏程，李志星，等.浅埋隧道爆破开挖及其振动效应研究[J].岩石力学与工程学报，2011,30(S2)：4153-4157.

GAO Wen-xue，YAN Peng-cheng，LI Zhi-xing,et al.Blasting excavation and vibration effects of shallow tunnel excavation [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011,30 (S2):4153-4157.

[3] 李夕兵，凌同华，张义平.爆破震动信号分析理论与技术[M].北京:科学出版社,2009.

[4] 蒋耀港，沈兆武，杨昌德.市内复杂环境下大药量爆破降振及振动监测分析的研究[J].振动与冲击,2012,31(1):156-161.

JIANG Yao-gang，SHEN Zhao-wu，YANG De-chang.Big charge blasting vibration damping and vibration monitoring analysis under intracity complicated environment[J].Journal of Vibration and Shock，2012,31(1):156-161.

[5] 丁凯，方向，范磊，等.减震沟对爆破地震波能量特性影响试验研究[J].振动与冲击,2012,31(13):113-118.

DING Kai，FANG Xiang，FAN Lei，et al.Characteristics variation of blasting seismic wave energy affected by a damping ditch[J].Journal of Vibration and Shock，2012，31(13):113-118.

[6] 史秀志，周健，杜坤，等.爆破振动对民房破坏效应预测的BDA模型及应用[J].振动与冲击,2010,29(7):60-65.

SHI Xu-zhi，ZHOU Jian，DU Kun，et al.BDA model for predicting destructive effect of blast vibration on housing[J].Journal of Vibration and Shock，2010,29(7):60-65.

[7] 言志信，言浬，江平，等.爆破振动峰值速度预报方法探讨[J],振动与冲击,2010,29(5):179-182.

YAN Zhi-xin，YAN Li，JIANG Ping，et al.Prediction methods for blast ing-induced ground vibration velocity [J].Journal of Vibration and Shock，2010,29(5):179-182.

[8] 李洪涛，卢文波，舒大强，等.爆破地震波的能量衰减规律研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S1):3364-3369.

LI Hong-tao，LU Wen-bo，SHU Da-qiang，et al.Study of energy attention law of blast-induced seismic wave[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S1):3364-3369.

[9] 宗琦，汪海波，周胜兵.爆破地震效应的监测和控制技术研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(5):938-945.

ZONG Qi，WANG Hai-bo，ZHOU Sheng-bing.Research on monitoring and controlling techniques considering effects of seismic shock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008,27(5):938-945.

[10] 陈庆，王宏图，胡国忠，等.隧道开挖施工的爆破振动监测与控制技术[J].岩土力学,2005,26(6):964-967.

CHEN Qing，WANG Hong-tu，HU Guo-zhong，et al.Monitoring and controlling technology for blasting vibration induced by tunnel excavation[J].Rock and Soil Mechanics，2005,26(6):964-967.

[11] 张永兴，张远华.隧道爆破开挖条件下地表建筑振动速度响应研究[J].地震工程与工程振动,2010,30(6):112-119.

ZHANG Yong-xing，ZHANG Yuan-hua.Research on vibration velocity responses of surface building under the condition of blasting excavation in tunnel[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2010，30(6):112-119.

[12] 傅洪贤，沈周，赵勇，等.隧道电子雷管爆破降振技术试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，3 (31): 598-603.

FU Hong-xian，SHEN Zhou，ZHAO Yong,et al.Experimental study of decreasing vibration technology of tunnel blasting with digital detonator[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012,3(31):598-603.

[13] 杨年华，张志毅.隧道爆破控制技术研究[J].铁道工程学报，2010,1:82-86.

YANG Nian-hua，ZHANG Zhi-yi.Research on the control technology for tunnel blasting vibration[J].Journal of Railway Engineering Society，2010,1:82-86.

[14] 张俊兵，胡国伟.浅埋不良地质条件下小净距隧道掘进与减振爆破技术研究[J].铁道工程学报，2011,1:51-56.

ZHANG Jun-bing，HU Guo-wei.Research on driving and damping blasting technologies for construction of shallow small clear-distance tunnel under favorable geological conditions [J].Journal of Railway Engineering Society，2011，1:51-56.

[15] Yang Ren-shu,Che Yu-long,Tong Xing，et al.Experimental study on the technology of middle empty hole in parallel hole cut blasting[J].Advanced Material Research，2012，594/597: 1314-1317.

[16] 东兆星，李佃平，李正龙，等.隧道掘进常用掏槽方式及参数合理性评价与分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(9):1478-1482.

DONG Zhao-xing，LI Dian-ping，LI Zheng-long,et al.Evaluation and analysis on the rationality of undermine patterns and parameters for tunneling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22 (9):1478-1482.

[17] 唐海，李海波，周青春，等.预裂爆破震动效应试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(11):2277-2284.

TANG Hai，LI Hai-bo，ZHOU Qing-chun，et al.Experimental study of vibration effect of presplit blasting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010,29(11): 2277-2284.

[18] 杨仁树，佟强，杨国梁.聚能管装药预裂爆破模拟试验研究[J].中国矿业大学学报，2010，39(5)：631-635.

YANG Ren-shu，TONG Qiang，YANG Guo-liang.Pre-splitting blasting with binding energy tube charges simulations and experimental research[J].Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(5)：631-635.

[19] 杨国梁，杨仁树，佟强.切缝药包掏槽爆破研究与应用[J].煤炭学报,2012,3:385-388.

YANG Guo-liang，YANG Ren-shu，TONG Qiang.Research and application of cut blasting with slotted charge[J].Journal of China Coal Society，2012,3:385-388.

[20] 杨仁树，张召冉，杨立云，等.基于硬岩快掘技术的切缝药包聚能爆破试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(2): 317-323.

YANG Ren-shu，ZHANG Zhao-ran，YANG Li-yun，et al.Cumulative blasting experiment study on slotted cartridge based on hard-rock rapid driving technology[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013,32(2): 317-323.

[21] 王幸荣.预裂缝减振效果研究[D].武汉：武汉理工大学,2006.

[22] 蒲传金，张志呈，郭学彬.切缝药包爆破的研究现状和存在的问题[J].四川冶金,2006,28(4):1-5.

PU Chuan-jin，ZHANG Zhi-cheng，GUO Xue-bin，et al.Current situation of cutting seam cartridge blasting and existent problems[J].Sichuan Metallurgy,2006,28(4):1-5.

[23] 姜琳琳.切缝药包定向断裂爆破机制与应用研究[D].北京：中国矿业大学,2010.

[24] 罗勇，沈兆武.切缝药包岩石定向断裂爆破的研究[J].振动与冲击,2006,25(4):155-158.

LUO Yong，SHEN Zhao-wu.Study on the directional fracture controlled blasting with slit-charge in rock[J].Journal of Vibration and Shock，2006,25(4):155-158.