浅埋隧道下穿高压给水管道微振动控制研究

王晓鹏，王海亮

(1.中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110000;2.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

浅埋隧道下穿高压给水管道微振动控制研究

王晓鹏1，王海亮2

(1.中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110000;2.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

摘要：为减小区间隧道爆破作业对地下高压给水管道的扰动，需对其进行微振动控制。针对青岛地铁某区间隧道下穿DN1200高压给水管道，最近距离仅为8.9 m、围岩Ⅳ～Ⅴ级的特点，结合爆破施工经验，进行了微振动爆破控制专项设计。通过选用大直径中空孔直眼掏槽、合理选择爆破参数，对爆破振动进行有效控制。同时，对爆破振动进行动态监测，分析爆破振动影响。结果表明：在进尺为750 mm时，选用150 mm直径中空孔，环形布置掏槽眼，分炮次起爆的情况下，可将振速控制在1 cm/s以下，达到良好的减振效果，为类似工程提供了参考。

关键词：爆破;直眼掏槽;微振动控制;高压管道;近距离

在城市轨道交通工程中，因隧道与地下管线交叉重叠，不可避免要考虑其施工对市政管网的影响。若隧道工程措施不当，极易造成管线开裂，诱发煤气泄漏、水患、停电、通讯中断等安全事故，造成不必要的经济损失及社会影响[1]。隧道近距离下穿管线是浅埋暗挖施工的主要难题和风险之一，越来越受到重视。

国内外学者已对隧道穿越管线控制措施做了相关研究：李军省[2]利用Midas GTS软件及现场监测数据，分析了隧道施工对管线的影响，确定了包括注浆加固、分台阶控制爆破等下穿给水管线的技术措施；杨选择等[3]针对隧道穿越有压管道情况，上半断面帷幕注浆，对富水砂层进行止水加固，并提出短进尺、弱爆破、加强超前支护的技术措施，顺利通过管道；王凯[4]通过现场监控量测、数值模拟等分析了钻爆法施工对邻近腐蚀管线的影响，并提出优化的爆破参数及安全防护控制措施；Anirban等[5]针对地表爆破情况，开展了管线、隧洞等地下结构物离心模型试验。

上述研究中，针对穿越大直径高压给水管道的爆破微振动控制研究较少。青岛地铁3号线某区间隧道上方管线对爆破振动速度控制要求为在1.0 cm/s范围内。根据前期非下穿管线段爆破施工经验，通过振动验算可知，下穿段若继续采用原爆破方案，不能满足振动控制要求，需进行专项设计，实现微振动控制。本研究主要结合现场工程实际，提出大直径中空孔直眼掏槽分部起爆微振动控制技术，从爆破开挖角度减少对有压给水管线的影响。

1工程概况及风险分析

青岛地铁岭清暗挖隧道施工地层主要为第四系(Q)，围岩等级为Ⅳ～Ⅴ，从地表起依次有素填土、强风化岩层、中风化岩层、微风化岩层，为上软下硬地层。工作区内的地下水类型主要为第四系松散堆积层孔隙水及基岩裂隙水，地下水补给来源主要为大气降水和河流上游的侧向径流补给。

如图1所示，该区间隧道下穿引黄入青的DN1200高压给水管道。管道直径达1 200 mm，与隧道最近距离仅为8.9 m。同时，DN1200给水管线与隧道走向一致，埋深为2.8 m，为混凝土承插式接头，水泥胶圈接口，脆性较大，水管下方无支撑墩，建设施工过程中多次爆破的振动累积可能导致该管线损坏。

图1　DN1200高压供水管线与暗挖隧道的位置关系

一方面，爆破振动会影响围岩的稳定，当爆破振动较大时，将会破坏围岩的完整性，诱发地层沉降，导致管线的破坏；另一方面，管内为高压给水、管线管径较大、无支撑墩，管线易于损坏且破坏后易发生水患。因此，控制爆破振动，减少区间隧道施工对管线及围岩影响，成为重点关注的难题。

2波传播机理及微振动控制技术

隧道掌子面爆破近区(即爆源区域)产生冲击波，爆破中区产生应力波，通过岩土介质进行传播，最终转换为相应的初级及次级地震波，对建(构)筑物造成一定的有害效应[6]。爆破波的传播形式如图2所示。在工程实践中，因岩土介质的不均匀及不连续性，相应波动也较为复杂。根据爆破的特点，现阶段爆破微振动控制措施主要从爆源、受保护构筑物及传播过程三方面进行[7]，施工中前两者较多。

图2　波的传播形式(R0为装药半径)

2.1爆源振动控制

在爆源、传播过程、受保护构筑物三方面振动控制中，针对爆源采取振动控制研究方法较多，应用也较为广泛。从爆源振动控制角度分析，包含了炸药的选取、药量的控制、爆破时差的选择、钻爆参数的制定等。

炸药爆速与质点的振动速度密切相关，呈现正比关系。为降低爆破振动影响，应尽量采用低爆速的炸药。在青岛爆破工程中常用的炸药有乳化炸药及水胶炸药两种。2号岩石乳化炸药爆速趋近于3 200 m/s，可有效减少因炸药爆速对质点振动速度的影响。表1为2号岩石乳化炸药的主要指标。

表1　2号岩石乳化炸药性能指标

爆破引起的质点振动速度的衰减规律一般用萨道夫斯基经验公式表示。根据式(1)可知，单段起爆药量Q越大，质点振动速度V也随之增大。在地质条件一定的情况下，为了降低爆破振动对地表建筑物的影响，较为有效的方式就是限制单段最大起爆药量。因此，爆破中应降低同段位起爆的雷管数目及单孔装药量。

(1)

式中：V是保护对象的质点振动速度，cm/s；Q是最大单段炸药量，kg；R是爆源与保护对象质点间的最短距离，m；K、α分别是与地质条件等相关的系数和衰减指数。

理想状况下，若微差爆破时间选择合理，则可以使得几个爆源在某个时刻实现波的反向叠加，即所谓的波峰和波峰相互叠加，降低波的振幅，实现爆破振动强度的削弱，避免受保护物的共振现象。一般而言，爆破时差Δt越大，减振效果越好。同时，考虑到振动持续时间因素，爆破的时差不宜取过大。根据相关研究，微差时间在50～200 ms范围内时，爆破震动效应可得到有效控制。

钻爆参数的制定包含了掏槽形式的选择、减排距及孔深的确定等。隧道爆破中，掏槽主要以楔形掏槽及直眼掏槽两种形式为主。直眼掏槽需在爆破前钻取中空孔增加自由面，使得爆炸能量得到有效释放，减少爆破振动向周围岩体的传播。炮孔间排距及孔深制定上，应遵循“多打眼、短进尺”的原则。

2.2传播过程控制

爆破传播过程中，若作为传播介质的围岩整体性好，爆破振动衰减较慢；当围岩自身整体性不好或人为破坏后，爆破振动衰减速率随之增加。所以改变传播过程条件可降低爆破振动的影响。现阶段，主要应用的技术手段包括了预裂爆破、隧道周边静态破碎、开挖隔振沟槽等方法。以预裂爆破及静态破碎为例，爆破时钻孔的数目增多，增加了施工作业时间及药剂成本，在本研究中未采用此种振动控制方式。

3爆破参数设计

本区间隧道分上下台阶施工，上台阶超前下台阶5 m。因上台阶紧靠管道且没有良好的自由面，为本次研究的重点控制对象。隧道上台阶开挖面积15.08 m2，循环进尺取0.75 m，采用大直径中空孔直眼掏槽爆破技术。上台阶炮眼共计89个，比钻眼数7.36个/m2，炸药总药量16.3 kg，单耗为1.44 kg/m3。爆破共分3次，按照顺序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ依次起爆。图3为隧道上台阶炮眼布置图，图中阿拉伯数字表示雷管段别，罗马数字表示开挖炮次。

3.1掏槽眼参数的确定

为充分利用辅助自由面及良好的空孔效应，采用的中空孔直径越大，掏槽效果愈好。根据现有的设备条件，中空孔孔径选择150 mm的大孔径。为提高施工效率及保证中空孔位置的准确性，水平布置的中空孔一次钻凿深度7～10 m。掏槽眼以中空孔为中心，四个掏槽眼及四个扩槽眼环形分布。

首响孔与中空孔距离决定着掏槽效果及爆破振动控制，其决定因素是药包爆炸能量能否有效破碎岩体、掏槽爆落区体积是否大于胀碎后的体积等因素。按照爆破作用指数理论，空孔与首响孔间距

(2)

图3　上台阶炮眼布置图

式中：a为首响孔与大直径空孔距离；R为空孔半径；n为爆炸作用指数，取值范围0.1～0.75，当空孔半径较小时n取小值[8]。当R取75 mm时，n取0.42。计算得最内侧掏槽眼距中空孔250 mm，掏槽眼间距向外逐步扩大[9]，见图4。

图4　掏槽眼布置示意图

掏槽眼炮孔孔深与循环进尺成正比关系。根据工程经验，循环进尺750 mm，掏槽眼孔深取900 mm。通过萨道夫斯基公式可知，单段最大起爆药量越大，其相应的振动影响也越明显。为减少对地面的扰动、同时达到良好的掏槽效果，掏槽单孔装药量取0.2 kg，单孔单响，即单段最大起爆药量为0.2 kg。

3.2周边眼参数

周边眼决定着隧道的成型效果。周边眼应沿开挖轮廓线布设，孔底位于同一平面上，同时保持有3%～5%的外插斜率。隧道上台阶主要处于中风化岩层中，围岩相对较软，参考表2炮眼间距E取350 mm。当周边眼密集系数K(炮眼间距E与光爆层厚度W的比值)接近0.8时，可达到良好的光面爆破效果，故W取450 mm。

表2　光面爆破参考数值

本设计中，根据炮眼间距E、光爆层厚度W等参数，确定周边眼的单孔装药量。由于隧道上台阶周边的围岩相对较软，装药集中度取0.15 kg/m，则0.8 m的炮孔长度单孔装药量为0.12 kg。

3.3辅助眼参数

直线形与弧线形是辅助眼的两种基本布置方式，本方案将两种方式充分结合。辅助眼间距a、排距b应大于周边眼的最小抵抗线W，而且a、b的取值与炮眼的单孔装药量有关。本设计取a=500～600 mm,b=500～600 mm。辅助眼的单孔装药量与炮眼的间排距及围岩硬度等紧密相关。循环进尺为0.75 m，取炮孔深度0.8 m，单孔装药量0.15 kg。

4振动控制与分析

为最大限度的监控隧道爆破对管线的振动影响，监测仪器均布置于爆破掌子面上方、给水管线轴线对应的地表位置，同时采集管线上方在垂直方向、水平轴向及水平切向三个方向的振动数据。所监测的数据与地下管线振动相应速度有所不同，但在工程实践中，因爆破监测条件限制，默认地表监测数据作为管线振速。爆破地震波特性参数包含了振幅、频率及持续时间[10-11]。现阶段，爆破振动广泛依据振动速度进行判断。

为有效证明方案的控制效果，对连续20个开挖循环炮次的3个方向峰值振动速度进行了统计，如表3所示。前20个开挖循环炮次的实测结果表明，最大振速出现在第6炮，振速0.917 cm/s，未发生超振。实测结果表明，全部振动速度均控制在1.0 cm/s，爆破的振动速度集中控制在0.25～0.75 cm/s，爆破振动控制效果良好。垂直方向平均最大振动速度为0.484 cm/s，水平轴向平均振动速度为0.356 cm/s，水平切向平均速度为0.346 cm/s，进一步说明采取大直径空孔直眼掏槽、严格控制单段最大药量微振动控制措施的可行性。

表3　开挖循环与各方向的振速峰值

5结论与建议

结合下穿高压给水管线隧道开挖施工对爆破振动的控制要求，通过爆破的微振动控制，提出可行的掏槽形式、控制炮孔的单孔装药量及单段最大药量、选择合理的间排距、分炮次开挖等一系列措施，并根据监控量测数据，得出主要结论如下：

1)采用150 mm大直径中空孔，掏槽孔及扩槽眼均采用单孔单响，首响孔与中空孔中心距离250 mm，可满足掏槽处微振动控制的要求，可将掏槽处振速控制在1.0 cm/s范围内。

2)辅助眼孔深0.8 m，辅助眼单孔装药量0.15 kg，间排距500～600 mm，可实现良好的爆破效果且满足微振动控制要求。

3)分炮次爆破可以保证形成良好自由面，规避大段别延期起爆复杂网路易出现的残管风险，有效控制振动速度。

本研究将设计与现场试验结合，实现了微振动控制的目标，针对下穿高压管线采用的爆破控制方法具有一定的实施性和指导意义。但是，微振动控制举措较多，针对受保护构筑物微振动控制措施还应进一步研究。同时，将地表监测数据作为管线振动速度的研究尚需探讨。

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(责任编辑：吕海亮)

Study on Micro-vibration Blasting Control for Shallow Tunnel Crossing Underneath High Pressure Water Supply Pipelines

WANG Xiaopeng1, WANG Hailiang2

(1. China Railway No. 9 Group Co. Ltd, Shenyang, Liaoning 110000, China 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Abstract:In order to reduce the disturbance of tunnel blasting to the underground high pressure water supply pipelines, it is necessary to carry out micro-vibration blasting control. Based on the tunnel of Qingdao metro crossing underneath high pressure water supply pipeline DN1200 with the nearest distance of only 8.9m and the surrounding rock of grade IV ～ V and combined with blasting construction experience, a special design of micro-vibration blasting control was carried out. The blasting vibration was effectively controlled by selecting the large diameter empty hole and blasting parameters reasonably. At the same time, dynamic monitoring of blasting vibration was conducted and the effect of blasting vibration was analyzed. The results show that with a footage rate of 750 mm, 150 mm diameter empty hole, annular arrangement of cut holes and sub shot blasting, the vibration velocity can be controlled within 1 cm/s and good damping effect can be achieved, which provides a reference for similar projects.

Key words:blasting; parallel cut; micro-vibration control; high pressure pipeline; near distance

收稿日期：2016-01-24

基金项目：国家自然科学基金项目(10672091)

作者简介：王晓鹏(1980—)，男，辽宁抚顺人，主要从事地铁隧道工程等方面的研究工作.E-mail:xwldzs_1456@163.com 王海亮(1963—),男,河北石家庄人,教授,博士生导师,主要从事工程爆破、地下工程、安全评价理论等方面的研究，本文通信作者.E-mail:tlgcbp@263.net

中图分类号：TB41

文献标志码：A

文章编号：1672-3767(2016)03-0061-06