微地震精细爆破技术在2扩4隧道开挖施工中的应用

戴俊搴

(福建省交通建设工程质量安全监督局 福建福州 350001)

引 言

本文依托沈海高速公路福建境泉州至厦门段大帽山隧道2扩4施工开展微地震精细爆破技术应用研究。该隧道扩建前左右洞均为两车道隧道，扩建方案为:在原两洞之间新建一座四车道隧道后开放交通，再将右洞扩建为四车道隧道。扩建隧道各级围岩均采用单侧壁导坑法开挖，单层初期支护。Ⅴ级围岩采用φ108mm注浆大管棚超前支护，一般Ⅴ级围岩采用φ50mm注浆小导管支护，Ⅳ级围岩以下采用超前锚杆支护。Ⅴ级围岩以机械开挖为主，局部实施低振动的松动爆破，Ⅳ级围岩以下根据围岩情况原则上采用光面控制爆破。为加快施工进度，确保人员、设备、周围建(构)筑物安全和施工工期，复杂环境下爆破施工方案应优先考虑采用微地震精细爆破技术。

精细爆破的核心是定量化和精细化。主要包含如下几个部分:(1)精确数值化的爆破技术研究;(2)定量化的工程爆破设计;(3)高精度高可靠性的爆破器材选型;(4)精细化的爆破施工技术;(5)精细化的施工管理方法;(6)定量化的爆破效果评价等内容。

1 设计原则

为了保证隧道爆破后轮廓线的平整度，减少爆破振动[1]对周围建筑物的影响，采用“短进尺、弱爆破”的微差减震光面控制爆破技术方案。具体方案及设计原则如下:

1)以地面建筑物基础底部(或地面)至爆源中心距离R为安全控制半径，借助于经验公式:

式中:Qmax为一次起爆最大允许装药量，kg;R为爆区边缘至保护建筑物的距离，m;V为被保护建筑物质点振动波速度限值，根据《爆破安全规程》(GB4766－6003)取值。

以质点振动波速度限值作为控制标准，进行反算各部分所允许的单段用药量。并进行试爆试验，取得合理的爆破参数。

2)根据现场的地质及施工条件，控制爆破规模和控制循环进尺，以达到控制质点振动速度的目的。

3)合理选取钻爆参数和单位炸药消耗量，力求达到理想爆破效果;对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩采用不同的单位炸药消耗量。

4)必须采用光面爆破技术，严格控制围岩的超挖量;软岩地段光爆炮眼半孔残留率控制66%，硬岩90%以上。

5)地面均需配合爆破振动监测[2]，及时调整钻爆参数，满足环境及施工要求。

6)除了采用光面爆破施工的减振措施外，必要时可采用减震措施。如周边密排空眼减震，开挖面增打减振孔、预留光爆层光面爆破等综合减振措施。

2 钻爆参数初步设计

爆破参数的确定采用理论计算法、工程类比法与现场试爆相结合，在保证爆破振动速度符合安全规定的前提下，提高隧道开挖成型质量和施工进度。

2.1 开挖爆破

1)掏槽形式及参数

掏槽眼用来先掏出开挖面上的一部分岩石，增加临空面，改善其它炮眼爆破条件[3]。掏槽选用直眼和斜眼掏槽。选用直眼掏槽时，风动凿岩机钻孔时可采用五梅花型中空孔掏槽，钻孔台车钻孔时可采用大中空孔掏槽。选用斜眼掏槽时，可采用双层复式楔形掏槽。从减震角度应采用斜眼掏槽——双层复式楔形掏槽。双层复式楔形掏槽设计有4对对称的斜眼，成对的在炮眼底集中炸出一个楔形空间.楔形掏槽眼孔口距为分别80cm、60cm，底口距分别为60cm、60cm，孔深为1.0m、1.7m。炮眼数量为14个。

图1 双层复式楔形掏槽

2)周边孔与底孔

光面爆破效果力争达到周边眼炮痕保留率达到90%以上，前后两个循环周边开挖轮廓错台小于10cm。采用经验公式和工程类比法确定。

普通段周边眼间距 a:a=0.6m，周边眼抵抗线:W=0.40m，孔底落在轮廓线外10cm。

减震段周边眼间距E:

式中:d为炮眼直径。本设计为隔孔装药，炮眼间距660mm，炮眼直径46mm，能满足E值要求。

周边眼抵抗线W:

底眼:开口在底板轮廓线上，炮眼间距为0.66～0.4m，底眼抵抗线W=0.4m，孔底落在轮廓线外10cm处。

3)崩落孔

崩落孔用以扩大掏槽的体积，为周边眼爆破创造有利条件。崩落眼应交错均匀地布置在周边眼与掏槽眼之间，垂直于开挖面打眼，力求爆下的石渣块体大小适合装渣要求。当炮眼直径在36～46mm的范围内时，抵抗线W与炮眼深度L有如下关系式:

在坚硬难爆的岩体中，或炮眼较深时，应取较小的系数，反之则取较大的系数。

爆破炮孔间距:0.86 ～0.9m，抵抗线0.7 ～0.9m。

4)装药量计算

爆破一次总装药量估算:

式中:Q为爆破一次总装药量，kg;K为爆破每m3岩石所需炸药量，kg/m3;L为炮眼深度，m;s为隧道上台阶断面积，m3;η 为炮眼利用率，η =0.8～0.96;

各级围岩爆破参数详见(表1)和(图2，图3).

表1 隧道2扩4爆破参数表

图2 KZ5－1、KZ5炮孔布置图

图3 KZ4、KZ3、KZ2 炮孔布置图

2.2 既有隧道拆除钻爆设计

1)隧道环向沟槽开挖爆破参数

(1)炮孔深度L

式中，L为炮孔深度，m;B为隧道衬砌厚度，m，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ类围岩中分别为 B=40，50，65cm，则炮孔深度分别取 L=40，50，65cm。

(2)炮孔间距a和排距b

(3)单孔装药量Q

式中，V为破碎岩石体积，m3，其余符号意义同前。

(4)堵塞长度

不装药部分全部堵塞。

2)各分段内爆破参数

通过试爆拆除衬砌，有了工作面后，钻爆参数作过调整 ，沿纵向钻眼。这部分的钻爆参数如下:

(1)炮孔深度L

为方便钻孔作业，拱部采用倾斜炮孔，炮孔倾角α=45°～60°(实际倾角可以以钻孔方便为原则确定，但必须保证相邻炮孔平行。且因为炮孔是倾斜的，布孔时一定要注意根据药包最小抵抗线的位置来确定孔间距。)。

其他部位炮孔均采用垂直炮孔，梅花形布孔，孔深为

(2)炮孔间距a和排距b(实际炮孔间距a和排距b可根据试炮结果和围岩状况调整)

(3)单孔装药量Q

(4)堵塞长度

不装药部分全部堵塞。

爆破参数计算结果详见(表2，表3)。

表2 环形沟槽爆破参数汇总表(取q=1.6kg/m3，拱顶α=45°)

表3 各段内爆破参数汇总表(取q=1.4kg/m3，拱顶α=45°)

3 减震措施

本隧道采用微震光面爆破，可有效减轻震动影响，减小对围岩的扰动，亦是保证本隧道施工安全的重要措施，其施作要点如下:

1)配合爆破震动地震波测试，根据不同围岩等级调整优化爆破参数，确保山顶及洞口邻近房屋的安全。

2)合理安排段间隔时差:为避免爆破震动波形叠加，降低爆破震动强度，毫秒雷管跳段使用，段间隔时差控制在60ms左右。

3)根据以往施工经验，爆破产生大振速部位通常为:掏槽爆破、底板或底角爆破、周边光面(预裂)爆破。复杂环境下隧道爆破开挖过程中 ，采用合理的掏槽方式 ，并进行掏槽眼的参数优化以控制爆破地震危害是很有必要的。

4)若爆破震动接近规范允许值，分析原因，查明事实，调整钻爆方案。同时，亦可考虑采取如下特别减震措施:

(1)设置干扰减振孔，周边施打减振孔可以减振 30% ～60%。

(2)调整爆破工程传爆方向:调整爆破工程传爆方向，以改变与被保护物的方位关系。实践证明，抛掷爆破时，最小抵抗线方向的振动最小，反向最大，两侧居中;而采用成排的群药包爆破时，在药包中心的边线方向比在垂直于连线方向的振速降低66% ～46%左右。即优化掏槽位置、装药结构和起爆顺序。

(3)调整优化微差间隔时间，提高爆破地震波的振动频率。

4 钻爆参数优化

4.1 爆破振动现场监测

由于监测的数据十分多，这里取中间既有四车道隧道在Ⅴ级围岩扩挖爆破时典型的波形图，如(图4)所示。一般情况下测点的最大质点振动速度发生单段最大药量爆破的时候，所以要控制爆破振动，单段最大药量是关键，也就是要使爆破质点振动速度[4]不超过某一个值，就一定要把单段最大药量控制在一个范围内，这样就可以控制爆破能量不超过一定限值，达到对既有隧道影响降到最低程度的目的。

图4 监测质点振动速度时程

4.2 精细爆破的数值分析

为了更好地对既有隧道进行稳定性控制，确保隧道的顺利施工和既有运营隧道的安全运行，采用ANSYS/LS－DYNA显式有限元程序建立三维数值模型模拟隧道爆破开挖中对临近隧道的影响情况。模拟过程中，选取埋设监测仪器的断面为研究对象，根据实际情况取隧道的埋深、围岩的力学参数和初始地应力参数，建立三维模型。以形象地得到既有隧道的峰值振速，并且可以绘出与该爆破点相对应的隧道断面振动速度随时间变化规律。

在同一次爆破振动中，同时监测掌子面前方和后方拱肩部位沿隧道传播的振动速度，并采用上述模型进行模拟，得到既有隧道左线迎爆侧拱肩振动速度计算值与实测值对比图(见图5)。

由(图5)可知，既有隧道断面处振速随时间推移越来越小，最大振速为16.99cm/s，与实测值相差不大，并小于临近振动速度。由(图5)还可以看出，数值计算值稍大于实测值，但比较接近实测值，误差较小，这样既保证了数值计算的安全性，又保证了准确性，故可以用数值计算值来分析隧道爆破对既有隧道的振动影响。优化后的爆破参数如(图6～11)所示。

图5 既有隧道左线迎爆侧拱肩振动速度计算值与实测值对比图

图6 各开挖区域

图7 实际KZ5－1炮孔布置图

图8 V级下导坑开挖顺序平面示意图

5 应用效果

(1)依据现场试验和监测分析结果，优化后的最大装药量等爆破参数设计合理。在本工程中既有左线隧道肩部振动速度最大，但均未超过20cm/s，均小于规定的允许值，满足工程要求，取得了较好的经济效益和社会效益。

图9 V级下导坑炮眼布置及装药参数一

图10 V级下导坑炮眼布置及装药参数二

图11 V级下导坑炮眼布置及装药参数三

(2)在大帽山隧道爆破掘进过程中，充分运用了现代化信息施工理论，把设计、施工和监测紧密结合起来是非常必要的。在大规模施工前，应进行小范围的爆破试验，应用监测结果数据对施工进行反馈设计，及时调整优化爆破参数，不同地段爆破的单段最大药量应根据测算的K、α值和周围建筑物的距离经过计算后做适当的调整，以保证隧道的顺利开挖和临近既有隧道的正常运行。

(3)在施工设计中，适当的应用回归分析和数值模拟等手段，可以得到隧道爆破振动峰值、中夹岩及断面振速随时间的衰减分布规律，更好地对隧道爆破进行稳定性控制，确保隧道的顺利施工和临近隧道的安全运行。

(4)在隧道洞口段爆破飞石防护中引进柔性防飞石技术，泉厦高速公路扩建工程实践应用证明，该技术是一项安全可靠、施工方便，具有良好技术经济效益的技术。由于爆破作业环境复杂，经常遇到石方开挖紧临既有建筑、铁路、公路、高压线和通讯线等重要设施。为确保建筑物安全，需要对飞石及爆破震动等危害进行严格控制。而爆破飞石影响因素多，控制难度大，需精心控制。深入研究爆破飞石机理及其控制技术具有重要的理论与工程意义。

[1]阳生权，周健，李雪健.小净距公路隧道爆破震动观测与分析[J].工程爆破，2002，21(2):21 －24，32.

[2]张云鹏，张荣，王中华.马兰庄铁矿爆破震动测试分析[J].金属矿山，2001，1:12 －13.

[3]史雅语，刘慧.招宝山超小净距隧道开挖爆破技术[J].工程爆破，1997(4):31－36.

[4]阳生权.小间距平行隧道爆破振动加速度测试[J].爆破，1997(4):38－40.

[5]本文参考《既有高速公路2扩4特大跨径超小净距隧道CD工法施工技术研究》课题(省科技进步二等奖，证书编号2013－J－006－5，本人排名第五)，文中图表引用自该课题。课题负责人林作雷，男，大普学历，教授级高工，13788886077.