基于振动监测的水压爆破降振技术及其应用

司小东， 聂祝宝， 李宏哲， 张建国

（1.山东正元建设工程有限责任公司，济南 250001；2.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266100；3.中交公路规划设计院有限公司,北京 100000）

随着国民经济的发展，地下空间利用率越来越高，地铁工程迅速发展.对于岩石地区新建地铁区间一般会采用钻爆法进行施工，而爆破施工往往会导致周围构筑物产生振动危害.因此，如何保证施工的顺利进行以及减小对既有构筑物的影响一直是爆破界的研究热点[1].在城市隧道施工爆破时，通常采用实时监测对周围建（构）筑物的地面振动进行监测[2-6].

与常规爆破相比，水压爆破在降尘和防岩爆方面具有显著优势，近年来在公路隧道及城市地铁中得到应用.王威对重庆轨道交通五号线5107标石桥铺站—石新路站区间的水压爆破施工技术方法进行了论述[7].孙西濛等以密兴路火郎峪隧道工程为背景进行了爆破振动监测及振动特征相关研究，得出了隧道施工爆破对浅埋侧地表环境影响更大[8].Fekete S等采用三维激光扫描技术，在钻爆隧道中进行了应用[9].管晓明等以成渝客运专线新红岩隧道为工程背景，测试了隧道近距下穿山坡楼房爆破时引起的地面振动[10].乔树伟对常规爆破和掘进水压爆破技术的爆破参数以及两种爆破方法的技术指标及经济指标进行了对比分析[11].陈斌等对水压爆破设计和施工工艺进行了介绍，并通过与常规爆破技术进行对比分析，得到了水压爆破技术的效果和经济效益[12].

在分析青岛花岗岩地区常规爆破特性基础上，以青岛地铁1号线起-峨区间及峨-石区间两个暗挖区间隧道工程为背景，通过分析爆破振动对周边建筑物稳定性的影响，提出水压爆破技术，为类似工程提供借鉴.

1 青岛花岗岩地层常规爆破振动特性

青岛城区地层的强度与变形参数呈明显的“上软下硬”特性[13-14]（图1），土岩两层界限较为明显，花岗岩地质岩质坚硬，对于强风化岩层以上通常采用机械开挖，对于中风化及微风化花岗岩主要采用爆破施工.采用钻爆法施工不仅对周边环境有影响，也可能影响暗挖区间影响范围内周边的软弱地层，必须采取控制措施.通过现场实测，收集青岛地铁1号线多个工点的现场常规爆破实测数据，研究爆破引起的地表振动速度变化规律、频率特性，探讨地表质点最大振速、主振频率与爆心距、药量之间的关系，分析爆破振动波的传播特点.

1）最大振速在各矢量方向的分布

对青岛地铁1号线多个车站的最大振速分别在垂向、径向和切向3个方向进行统计（如图2），由图2可知：大振速更多的出现在垂向，对地层的压密作用最大，应该优先选取垂向振速作为研究和控制对象.

2）振速主频频带分析

在结构体系的动力响应分析中，振动主频与结构的自振特性息息相关，青岛地区典型站点结构主频在各频带上的分布和主频最大值在不同方向上的分布如图3、图4所示.

由图3和图4可知：爆破引起的地表振动主频分布范围很广，主要集中在20～70 Hz范围内；主频的最大值出现在垂向的次数多于出现在其他两矢量方向的次数，较最大振速在三矢量方向分布差异较小.

3）建筑物振速监测

图1 青岛花岗岩地层施工

图2 最大振速分布在各矢量方向的统计直方图

图3 主频在频带上的分布直方图

图4 主频最大值在各矢量方向的分布直方图

在实际施工过程中爆破对周边建筑结构产生的振动响应控制十分严格，通过对典型工程爆破周边建筑物的振速监测分析（图5）可知，随着建筑物楼层的增高，三个矢量方向上的最大振速都有一定程度的增大趋势；建筑物中的最大振速普遍小于建筑物外部地表振速；建筑物在对爆破振动的响应中，切向、径向的振速并没有表现出明显的大于垂直振速的特征，需做好建筑物水平方向、垂直方向的抗振设防.

通过分析青岛地铁土岩组合地层中爆破测试数据可知，常规爆破引起的地表振动主频多在20～70 Hz范围内，容易超标且难以控制.

图5 建筑物不同楼层振速监测最大值对比

2 地铁隧道水压爆破施工技术

面对常规爆破引起问题，以青岛地铁1号线某暗挖区间为例，通过常规爆破与水压爆破现场实测，分析水压爆破在滨海城市地铁适用性.水压爆破设计与传统的隧道光面爆破主要区别在于装药结构和炮孔堵塞上.隧道掘进水压爆破在炮眼分布、掏槽形式、炮眼数量、炮眼深度、起爆顺序和起爆时间间隔六方面和常规爆破 （炮眼无回填堵塞）相同，相比较而言，仅是水压爆破炮眼中增添了水袋和炮泥.该工艺对改善现场施工作业环境，提高炸药有效能量利用率，减弱爆破振速和减少对周边建筑物及居民的扰动起到显著作用.此次将其应用于青岛滨海地区软弱沉积层爆破开挖工程，无论从技术上还是科学研究上都是一次大胆的尝试.

2.1 工程概况

青岛地铁1号线起点～峨眉山路站区间为站后折返线，全长约280 m，区间起止点里程为YCK10+0.000～YCK10+280.000；区间线路为直线，线间距5 m；线路最大纵坡3‰，区间结构拱顶埋深15～22 m；区间沿线环境复杂，其中34.25 m深施工竖井邻近周边民房，距离最近仅3.7 m（见图6），爆破作业产生粉尘量较大，对爆破振动的控制要求较高.

图6 起峨区间施工竖井周边环境位置关系

2.2 水压爆破施工流程

项目中水压爆破技术工艺流程如图7所示.

图7 水压爆破施工工艺流程

竖井爆破掏槽眼装药按照图8布置，其爆破掏眼槽布置平面图如图9所示.

图8 竖井爆破掏槽眼装药布置图

图9 竖井爆破掏槽眼布置平面图

炮泥由黏土、细砂和水三种成分组成，其成分的重量比为 0.75∶0.09∶0.16，如图 10、图 11 所示.

图10 炮泥制作过程

图11 炮泥成品展示

水袋的原材料为水和聚乙烯塑料袋，袋长为200 mm，直径为 35 mm，厚约为 0.8 mm（图 12）.

图12 水袋制作过程

3 水压爆破与常规爆破效果分析

1）振速控制效果分析

青岛地铁1号线工程起-峨区间竖井西侧紧临大山物流，水平最小距离为3.7 m，爆破振速控制要求为1.5 cm/s，2016年7月12日至7月20日合计爆破8次，爆破方量22～26 m3，采用常规爆破方法进行爆破，其中4次超预警值，2次临近预警值.

研讨决定，施工现场采用水压爆破施工.7月23日至8月18日采用水压爆破后再无超振速预警值情况.随着施工进度压力变大，竖井台阶法施工已经不能满足施工进度要求，决定采用全断面水压爆破施工.7月29号开始实行全断面爆破试验，爆破方量44 m3，炸药量15.15 kg，其中最大一段/次起爆药量（微差雷管段数及间隔）、距离等相同，第三方爆破振速联测值0.4 cm/s（见图13、图14），满足施工现场进度需求及爆破振速要求.之后，在试验经验值基础上不断优化，爆破振速全部满足要求，爆破振速平均值0.23 cm/s，耗药量为0.43 kg/m3.通过水压爆破施工，信访、超振速等隐患得以解决.

图13 爆破振速三方联测

图14 水压爆破实施前后振速控制对比

2）技术效果对比分析

水压爆破与常规爆破装药结构的周边眼一样，其余炮眼每孔减少1节炸药（0.2 kg），爆破进尺提高30 cm，水压爆破与常规爆破单耗药量的对比情况如表1所示.

表1 水压爆破与常规爆破单耗药量对比表

3）经济指标对比分析

水压爆破在青岛地铁1号线工程起-峨区间应用过程中，现场造价统计得到如下结论：采用水压爆破，每循环能够节约炸药20.6 kg、雷管15发、导爆索23 m，节约成本900元；通风时间每循环减少20 min，节约电费50元；每循环节约管理费、开挖工费费用、电费、发电机、空压机、通风机、挖掘机、装载机和汽车等费用共计1.85万元.

采用水压爆破，每循环需购买水袋50元，购买沙、土10元；加工炮泥、水袋工费60元、电费20元；炮泥、水袋运输费300元.合计每循环增加费用440元.

综合考虑（暂不考虑初期投入的炮泥机器等机器购买费用），采用水压爆破后，每循环节约金额1.8万元.

4 结 论

文中对青岛地铁土岩组合地层爆破施工的振速监测数据进行分析，分析水压爆破法在青岛滨海地层适用性，得出以下结论：

1）青岛地铁土岩组合地层垂向出现大振速的可能性较大，对地层的压密作用最大，应优先选取垂向振速作为研究和控制对象.爆破引起的地表振动主频分布范围很广，主要集中在20～70 Hz范围内，爆破振速具有容易超标且难以控制

2）通过对振速控制效果、技术效果、经济指标三方面进行分析，说明水压爆破方法对青岛地铁1号线起-峨区间振速超标的问题实现了成功的控制，且具有较明显的技术指标价值以及经济价值.

[1]于建新，陈卫忠，杨建平，等.上下交叉隧道爆破振动控制技术研究[J].岩土力学，2014，35(增刊 2):445-452.

[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(增刊2):4153－4157.

[3]付志华.特长铁路隧道软弱围岩破碎带试验段的现场试验[J].江西理工大学学报，2017，38(3):20-29.

[4]Tiwari R，Chakraborty T，Matsagar V.Dynamic analysis of a twin tunnelinsoilsubjectedtointernalblast loading[J].Indian Geotechnical Journal，2016，56:1-12.

[5]张迪.地铁隧道精确延时爆破振动传播规律与控制试验研究[D].北京:中国矿业大学，2016.

[6]李玉民，倪芝芳.地下工程开挖爆破的地面振动特征[J].岩石力学与工程学报，1997，16(3):274－278.

[7]王威.地铁隧道节能环保水压爆破施工技术[J].隧道建设，2015，35(增刊 2):143-146.

[8]孙西濛，高文学，李志星，等.浅埋偏压隧道开挖爆破振动与控制技术[J].施工技术，2011，40(3):51－53.

[9]Fekete S,Diederichs M,Lato M.Geotechnical and operational applications for 3-dimensional laser scanning in drill and blast tunnels[J].Tunnelling&Underground Space Technology,2010,25(5):614-628.

[10]管晓明，傅洪贤，王梦恕.隧道近距下穿山坡楼房爆破振动测试研究[J].岩土力学，2014(7):1995-2003.

[11]乔树伟.隧道掘进水压爆破施工技术[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2016，15(1):25-30.

[12]陈斌，黄嫚，史宝童，等.水压爆破技术在六盘山隧道施工中的应用研究[J].公路与汽运，2017(1):188-190.

[13]刘涛，黄永亮，雷刚.土岩复合地层浅埋暗挖车站拆撑方案优选分析[J].现代隧道技术，2015，52(5):131-137.

[14]刘涛，赵松壮，孙付峰.上软下硬地层浅埋大跨度车站拆撑安全性分析[J].岩土力学，2014(增刊1):306-310.