大直径中空孔直眼掏槽微振动爆破参数研究

张祖远，王海亮

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛 266590)

0 引言

当隧道埋深较浅时，其爆破开挖引起的振动可能会对上方建筑物造成墙体开裂等破坏后果。为最大限度降低爆破振动对建筑物的影响，需严格控制爆破振速。一般认为掏槽爆破引起的爆破振速最大［1－2］，因此，如何降低掏槽区爆破产生的爆破振动，显得尤为重要。当前，中空孔直眼掏槽方式作为隧道微振动爆破的一种，已被国内外学者广泛应用和研究。文献［3－5］对中空孔掏槽爆破中的空孔作用机制进行分析和研究;文献［6］建立了典型空孔直眼掏槽的力学模型，从理论上得出了影响空孔直眼掏槽效率的影响因子;文献［7－8］在青岛胶州湾海底隧道分别通过现场实践和数值模拟分析，验证了中空孔掏槽能够创造第二自由面，具有良好的减振效果。在此基础上，文献［9］通过城市隧道不同掏槽方式掘进进行对比，得出了大直径单中空孔的掏槽方式在炮眼利用率及减振效果方面具有优势。目前国内外对于中空孔直眼掏槽的研究多集中在中空孔作用机制和掏槽效果上，而对中空孔掏槽爆破参数的减振效应研究较少。本文以青岛地铁3号线太延区间下穿伊美尔医院段隧道爆破开挖为背景，对大直径中空孔直眼掏槽爆破参数进行理论与试验研究，为中空孔掏槽微振爆破提供理论指导和依据。

1 工程概况

青岛市地铁一期工程(3号线)土建03标太延区间全长1 286.4 m，主要施工方法为台阶法。正线西端往太平角公园站方向下穿多栋建筑物，其中下穿的伊美尔整形医院始建于2004年，大楼为地上6层、局部3层，建筑物为砖混结构，基础均为毛条石基础。该建筑物的基础与隧道拱顶的最小竖直距离为6.4 m。区间隧道下穿伊美尔整形医院的左右线长度均为36 m。该区间段围岩级别综合判定为Ⅳ至Ⅴ级，围岩主要是花岗岩，地表振动速度要求控制在1.0 cm/s以下。伊美尔整形医院与隧道的剖面关系如图1所示。

图1 伊美尔整形医院与隧道剖面关系图Fig.1 Profile showing relationship between the tunnel and the plastic surgery hospital

2 上台阶整体钻爆设计

本工程采用台阶法施工。上台阶共计炮眼113个，分3次爆破，采用中空孔直眼掏槽，循环进尺为0.5 m。单段最大装药量为0.15 kg，开挖面积为16.03 m2，比钻眼数为 7.13个/m2，炸药量为12.1 kg(其中掏槽眼、辅助眼和周边眼单孔0.1 kg，底板眼单孔0.15 kg)，炸药单耗为1.51 kg/m3。起爆顺序:第1炮起爆Ⅰ－1，Ⅰ－2，Ⅰ－3，之间用20段雷管进行孔外延期;第2炮起爆Ⅱ－1，Ⅱ－2，之间用20段雷管进行孔外延期;第3炮起爆Ⅲ－1，Ⅲ－2，之间用20段雷管进行孔外延期。上台阶炮眼布置如图2所示。

3 中空孔掏槽爆破参数的确定

3.1 中空孔孔径

在掏槽爆破中，空孔的作用一是作为装药眼爆破时的辅助自由面，二是作为破碎体的补偿空间，也即空孔具有空孔效应。因此，对于大直径中空孔直眼掏槽而言，空孔的孔径越大越好，但现场受制于钻眼的设备及钻眼水平，空孔孔径为42～150 mm，大部分时候采用潜孔钻机钻取孔径为120 mm或150 mm的空孔。

3.2 装药炮孔数目

为确定良好的掏槽效果，选择合适的装药炮孔个数很重要。U.兰格福斯认为，掏槽爆破合理装药孔的数目为4～8。同时应根据空孔的直径、装药孔与空孔的距离、最小抵抗线和工程条件来确定工程实践中的合理装药孔数目。本次下穿伊美尔整形医院标段隧道掏槽爆破基本确定为4个掏槽眼和4个扩槽眼。实际掏槽形式如图3所示。

图2 上台阶具体炮眼布置(单位:mm)Fig.2 Layout of blasting holes in top heading(mm)

图3 实际掏槽形式Fig.3 Actual cutting form

3.3 首响孔与中空孔的距离

影响首响孔与中空孔之间距离的因素是很多的，但主要有炸药的爆炸能量、炮眼的体积和爆破作用指数。炸药爆炸时产生的爆炸能量应尽可能满足破碎掏槽眼与空孔之间岩体所需要能量的要求，否则将产生冲炮;炮孔的体积(空孔与装药孔体积)应满足装药孔与空孔之间被破坏的岩石因岩渣碎胀所增加的体积，否则将产生岩渣挤死现象;爆破作用指数应满足既使装药孔与空孔之间岩石能够挤入空孔，而又不能出现再生岩。可见，合理的炮眼间距应同时满足以上3个条件，并取其中的最大值为优先使用值。

首响炮孔与空孔的距离可由膨胀余量确定，也就是考虑膨胀余量问题。在这种情况下，首响装药孔与空孔中心的距离

式中:r为首响孔半径，m;R为中空孔半径，m;h为装药系数，即装药长度与炮眼长度之比;K为岩石膨胀系数，可参照表1选取［6］。

表1 岩石膨胀系数K的取值Table 1 Values of rock expansion coefficient K

根据式(1)，对小里程左线下穿伊美尔整形医院段选取里程ZK4+811.8～+814.89为试验段，对首响孔与中空孔距离进行确定。该段围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级，在掌子面正上方进行振动监测，首响孔距测点距离约为9 m。

按式(1)计算，取 r=0.021 m，R=0.075 m，h=0.17，K=1.77，算得 a1=0.341 m，实际取 a1=0.35 m。

由a1=0.35 m设计大直径中空孔直眼掏槽，应用于里程ZK4+811.8～+813.35。同时，鉴于本工程下穿的建筑物为一所整形医院，将爆破振速控制在1.0 cm/s以下是监管单位要求的针对建筑物砖混结构无害的指标，而实际施工中，院方曾以实施手术过程要求施工时无强烈振感。因此，为进一步减小爆破振动对该院的扰动，应用于里程ZK4+813.35～+814.89理论上设计间距取a2=0.2 m。首响孔与中空孔的不同距离如图4所示。首响孔与中空孔的不同距离引起的振动监测统计如表2所示。

图4 首响孔与中空孔的的不同距离Fig.4 Different distances between first-blasting hole and empty hole

表2 首响孔与中空孔的不同距离引起振动监测统计Table 2 Vibration measured under different distances between first-blasting hole and empty hole

对首响孔与中空孔距离为350 mm和200 mm分别进行3次现场试验，从试验结果可知，由膨胀余量考虑首响孔与中空孔距离a1=350 mm时，首响振动值大于a2=200 mm时首响振动值，但相对于监管单位所要求的振速指标1.0 cm/s，振动控制符合要求。从爆破效果看，首响孔与中空孔的距离为350 m和200 mm都能取得良好的爆破效果，基本可满足每循环进尺0.5 m的设计要求。从最大限度控制爆破地震效应来考虑，在选取首响孔与中空孔距离时，应在考虑膨胀余量算出的距离前提下，进一步缩小首响孔与中空孔的距离。就本工程而言，首响孔距中空孔的距离取200～350 mm都是可行的。

3.4 掏槽逐孔起爆时差

采用大直径中空孔直眼掏槽时，为充分利用空孔及先响炮孔提供的自由面，通常需要进行逐孔起爆。掏槽是为后续炮眼提供自由面和岩石破碎补偿空间，掏槽眼爆破后，碎块在槽腔内的运动需要一定时间，如果扩槽眼与掏槽眼之间的起爆时差太短，腔体内碎块可能尚未抛出，且在不同时刻，剩余的碎块量不同。因此可能导致振动速度过大［11］。

为确定掏槽孔爆破时能使炮孔之间的岩石恰当移开的最小延期时间，在里程 ZK4+805.3～+810.8处，分别设计了最小为25 ms和40 ms 2种逐孔起爆方案。大直径中空孔掏槽不同起爆时差如图5所示。

最小起爆时差为25 ms时，选取里程ZK4+806.8处上台阶掏槽爆破所产生的振动波形为典型研究对象，掏槽最小起爆时差为25 ms时振动波形如图6所示。图中红、蓝、绿3种波形分别为监测到同一炮次的3个方向的振动响应，即水平轴向x、水平切向y和垂向z。

图6 掏槽最小起爆时差为25 ms时典型振动波形Fig.6 Typical vibration waveform when minimum detonating delay time of cut is 25 ms

最小起爆时差为40 ms时，选取里程ZK4+808.3处上台阶掏槽爆破所产生的振动波形为典型研究对象。掏槽最小起爆时差为40 ms时产生的波形如图7所示。图中红、蓝、绿3种波形分别为监测到同一炮次的3个方向的振动响应，即水平轴向x、水平切向y和垂向 z。

图7 掏槽最小起爆时差为40 ms时典型振动波形Fig.7 Typical vibration waveform when minimum detonating delay time of cut is 40 ms

由图6和7可知，掏槽爆破最小起爆时差为25 ms时，第1，2，3，4段雷管由于起爆间隔时间短，尚不能使槽腔内的碎石恰当移开，起爆时易受夹制作用形成波峰。掏槽爆破最小起爆时差为40 ms时，除第1，3段雷管自由面不充分而产生波峰外，其余掏槽眼都因先响炮孔创造了良好的自由面，没有产生明显的波峰。因此，对于炮眼深度为0.6～0.8 m的大直径中空孔直眼掏槽，为降低掏槽爆破振动速度，逐孔起爆的最小时差宜为40 ms以上。

3.5 中空孔的布设位置

中空孔在工作面(掌子面)上的布设位置，不仅直接关系到爆心与地表质点和建筑物基础的距离，而且对于每循环需单孔单段分多次起爆的断面，如果中空孔的布设位置不合理，将使每循环爆破的时间延长，从而影响整体施工效率。最初设计时，按照大多数设计的思路，将中空孔布设于上台阶断面中心，在进行分次起爆时，由于第1次起爆掏槽部位，爆落的渣石常在尚未装药起爆的左右两侧底板眼成堆，使得第2次起爆前需人工或者启动挖机进行扒渣，部分底板眼还被碎石块堵塞，需进行吹孔，耗费大量的时间。即使通过孔外延时使第1次多起爆2组炮眼，由于雷管段别限制，很难一次起爆下部的全部炮孔。因此，合理的中空孔布置，应尽可能使第1次起爆断面下部的全部炮眼。在布置中空孔时，尽可能布置在断面中下部位，使得第1次即可起爆断面下部全部炮眼，以节约第2次的装药时间。

4 中空孔直眼掏槽爆破的应用

通过左线里程ZK4+805.3～+814.89段的现场试验确定中空孔爆破参数后，左线下穿伊美尔整形医院的后续钻爆开挖工程都应用此掏槽方式进行。现场振动监测表明，在里程ZK4+814.89～+839共45个循环开挖中，除2次由于工人钻眼质量欠佳，振速超标外，爆破振速基本控制在0.5～0.7 cm/s，证明了该掏槽方式及爆破参数的可行性。图8为选取前20个掘进循环(里程ZK4+814.89～+826.7)的每循环第1炮次爆破对应的3个轴向振速峰值。

图8 掘进循环数与各轴向的振速峰值Fig.8 Driving cycles with axial vibration velocity peak

5 结论与建议

隧道爆破中，掏槽爆破的效果决定后续辅助眼及周边眼的爆破质量，同时，一般认为掏槽爆破是断面爆破的爆心，产生的振动最大。因此，如何控制好掏槽爆破的振动是实现微振动爆破技术的关键。本文就大直径中空孔直眼掏槽的爆破参数进行了理论和试验分析，得出结论与建议如下。

1)中空孔孔径越大越好，采用直径为120～150 mm的大直径中空孔，可满足膨胀余量的要求。

2)本工程从膨胀余量的角度考虑，算出围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级时，首响孔与中空孔的距离取值a1=350 mm，该距离产生的首响振动值较距离为 a2=200 mm时大，但仍可满足监管单位振速指标为1.0 cm/s的要求。从减小掏槽振动的角度考虑，在选取首响孔与中空孔距离时，应在考虑膨胀余量算出的距离的前提下，进一步缩小首响孔与中空孔的距离。总之，就本工程而言，首响孔与中空孔的距离取200～350 mm是可行的。

3)对于炮眼深度为0.6～0.7 m的大直径中空孔直眼掏槽，为降低掏槽爆破振动速度，建议逐孔起爆的最小时差为40 ms。

4)本文对于大直径中空孔直眼掏槽微振动爆破参数的研究，仅依据现场试验的结果而得出结论，存在一定的局限性，且随着炮眼深度的增加，首响孔与中空孔的距离和掏槽最小起爆时差等参数也将再次进行调整。后续研究可通过数值模拟方法对中空孔直眼掏槽各参数进行研究，进一步验证现场试验结果，并量化不同炮眼深度下的微振动爆破参数，以期更好地指导工程实践。

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