TBM导洞先行大断面地铁隧道爆破方案优化研究

王万仁， 王海亮， 肖业辉， 张 伟

(1.中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100043；2.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590)

在地铁隧道施工中，以钻爆法、TBM法、盾构法为代表的许多隧道掘进方法已得到广泛应用。为了充分发挥TBM法和钻爆法的优势，许多专家学者对“TBM法导洞+扩挖”法(即采用TBM法开挖导洞，然后采用钻爆法扩挖的方法)进行了深入的研究。国外对TBM导洞扩挖法已有成功案例并取得了一些经验[1]；国内虽有研究和设想，但缺乏现场应用和实际工程案例。由于城市环境的特殊性以及地质条件的复杂性，地铁隧道爆破施工开挖难度增大，爆破地震波对周边建筑设施的破坏作用也不容忽视，因此，如何降低爆破振动效应对地铁隧道开挖工程顺利实施的影响显得尤为重要[2]。但是，如果采取过于保守的爆破方案，虽然能够降低振动效应，保障周边建筑设施的安全，却不能满足施工进度和施工效益的要求。因此，对复杂环境下的爆破施工方案进行研究，寻求经济、合理又安全的爆破振动控制方法具有重要的理论价值和实践意义[3]。

1 工程概况及施工问题

1.1 工程概况

青岛地铁1号线贵州路站至西镇站区间隧道全长546.9 m。线路出贵州路站后沿台西五路向北敷设，下穿大量建筑物后在费县路与郓城北路交叉口处接入西镇站。根据运营需要西镇站站前设置双存车线，形成四线大断面隧道。四线大断面隧道采用TBM掘进后进行钻爆法扩挖施工，隧道长344.5 m，最大开挖跨度22.4 m。四线大断面隧道拱顶埋深16.9～28.7 m，地质为微风化花岗岩，力学性质好，围岩等级为Ⅱ～Ⅳ级。

四线大断面隧道周边环境复杂，隧道下穿和侧穿大量老式居民楼，其中下穿47栋，共计1 859户。楼房多为6～8层，主要为砖混结构。其中，有3栋Csu级建筑，爆破安全允许振速V不超过0.5 cm/s。其余建筑安全性评级为Bsu级，爆破安全允许振速V不超过1.0 cm/s。施工现场周围受到爆破影响的还有学校、养老院以及各种地下管线。

1.2 施工问题

由于四线大断面隧道周边环境复杂、工程工期紧张，在对四线大断面右线上台阶的爆破施工过程中出现许多亟待解决的问题。

1.2.1 盲炮率高

对16次爆破的情况进行统计分析，其中有13次爆破出现盲炮，盲炮发生概率为81%。盲炮处理时间为20～30 min，这严重影响了工程施工进度，增加了施工成本。在爆破施工过程中盲炮是十分常见的,是影响爆破安全与爆破效果的主要因素之一。若不能及时处理盲炮或在处理过程中方法不当，很可能造成人员伤亡和财产损失[4]，因此在爆破施工过程中对盲炮事故的预防尤为重要。

1.2.2 爆破振动速度过大

在爆心距最小的测点附近布置1台TC-4850爆破振动测试仪，对爆破施工进行16次振动监测，监测得到的振动数据见表1。由表1分析可知，其中7组振动数据超过1.0 cm/s，超过爆破安全允许振速。但是爆破中采用的单段最大药量过小，可能会影响掘进进尺和爆破效果。因此，需要确定一个合适的单段最大药量，并且提出爆破优化方案以满足施工进度和施工效益的要求。

表1 爆破振动数据

2 爆破优化方案

针对现场爆破施工出现的盲炮率高、振速过大等问题，提出右线上台阶爆破施工的优化方案，确定爆破参数、装药结构和连接网路。

2.1 右线上台阶爆破参数

确定炮孔直径为42 mm，炮孔深度为1.5 m，采用直径32 mm的2#岩石乳化炸药，孔内采用7～19段共12个段别的毫秒延期导爆管雷管进行起爆。爆破参数见表2。TBM掘进的先行导洞给爆破开挖创造很好的临空面，因此不设计掏槽眼。由图1所知，辅助眼单孔单响，单段最大药量0.45 kg；周边眼两孔一响，单段最大药量0.60 kg。

表2 四线大断面隧道右线上台阶爆破参数

图1 辅助眼和周边眼装药结构(单位：mm)

2.2 装药结构

装药结构采用不耦合、反向连续装药，在炮孔内使用长度200 mm的水袋。先在炮孔底部装水袋，再装炸药和雷管，最后依次用水袋和黏土炮泥进行填塞。水炮泥的使用可以降低爆破时的粉尘浓度，提高炸药爆炸能量利用率，增强爆破效果[5]。装药结构如图1所示。

2.3 起爆网路

起爆网路如图2所示。由靠近自由面一侧，辅助眼依次使用7～17段雷管，周边眼使用19段雷管；孔外采用7段双雷管进行传爆，提高可靠性。传爆顺序为自左下至右上。

图2 右线上台阶起爆网路

3 爆破振动监测及结果分析

3.1 测试方法及测点布置

本次爆破振动监测试验采用6台成都中科测控TC-4850爆破振动测试仪。根据爆破工程周围环境，在磁山路和台西五路交叉口公交站牌附近布置3个测点，每个测点2台仪器，传感器位置固定不变。现场仪器的布置如图3所示。

图3 爆破振动监测仪器布置

3.2 测试结果及分析

设测点到爆破中心的距离

(1)

式中:x为测点沿垂直隧道轴向方向到工作面的距离(m)；y为测点沿隧道轴向方向到工作面的距离(m)；z为测点距爆破中心的垂直距离(m)。爆破中心与测点的位置见表3。由于测点在隧道轴向方向的上方位置，测点沿垂直隧道轴向方向到工作面的距离x为0。

表3 爆破中心与测点的位置m

为验证爆破开挖方案的合理性与可行性，使用6台测振仪进行6次爆破振动监测，共得到36组爆破振动监测数据。地面各测点的峰值振速V和爆心距R见表4。

表4 地面测点的爆心距R及振速V的实测数据

为提高爆破振动预测的准确性，利用采集的36组爆破振动数据，采用MATLAB拟合萨道夫斯基公式：

(2)

式中：R为爆心距(m)；V为测点振动速度(cm/s)；Q为最大单段药量(kg)；K、α为与地形、地质条件有关的系数和衰减指数。爆区不同岩性的K、α值见表5。

表5 爆区不同岩性的K、α值

由于爆破地点地质为微风化花岗岩，岩性为坚硬岩石，故拟合时设定K=50～150，α=1.3 ～1.5。最后，得到爆破地震波衰减系数K=138.2，α=1.5，从而得到适合四线大断面爆破条件下的的萨道夫斯基预测公式：

(3)

由式(3)可知，在地质条件相同的情况下，当爆心距一定时，振动速度的大小主要取决于最大单段起爆药量。由于爆破周边建筑安全性评级均为Bsu级，根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)的隧道爆破振动安全标准要求，周边砖混结构楼房的安全振速不超过1.0 cm/s。测点与爆破中心的直线距离R最小值为27.63 m，最大单段起爆药量Q为0.6 kg。将R、Q值代入式(3)，得到振动速度为0.74 cm/s，符合安全规程允许的安全振速。不同振动速度峰值下的最大单段允许药量与爆心距的关系如图4所示。

图4 最大单段允许药量与爆心距的关系

为保障周边建筑设施的安全，在爆破施工之前，将被保护对象的爆心距代入式(3)进行验算，得到的最大单段起爆药量Q均满足工程要求。为了验证爆破开挖方案的可靠性，对爆破振动进行实时监测，最后得到实测振动速度峰值与理论计算值均较小，且两者误差均在工程要求允许范围之内。因此，本次爆破开挖方案是合理的，能够有效控制爆破地震波对周边建筑设施的影响，满足施工进度和施工效益的要求。四线大断面隧道右线上台阶爆破效果如图5所示。

图5 四线大断面右线施工现场

通过爆破振动跟踪监测，36组爆破振动速度都低于安全允许振动速度，盲炮率为0，光面爆破效果良好，超欠挖较少，大块率较低。在该技术指导下，爆破施工效果良好，有效的确保了隧道开挖顺利通过敏感区域。因此，本次爆破开挖方案是合理的，能够有效控制爆破地震波对周边建筑设施的影响，满足施工进度和施工效益的要求。

4 隧道爆破振动控制技术

(1)增加爆破自由面。四线大断面隧道充分利用TBM掘进的先行隧道作为爆破开挖的自由面，左右导洞台阶法交错开挖，降低爆破振动。

(2)选择合理的微差爆破间隔时间。在安全允许的最大单段起爆药量的范围内，适当增加同时起爆的辅助孔炮孔数目，减少毫秒延期雷管段别的使用，选择合理的延期时间，避免爆破过程中地震波的叠加效应。

(3)爆破振动速度现场监测与爆破参数优化。对隧道周围地面建(构)筑物的爆破振动速度峰值进行实时监测，根据实时监测结果研究爆破地震波传播衰减规律，及时调整爆破参数和爆破开挖方案，保证隧道周边建筑物的安全。

5 结论

(1)根据现场周围环境和地质条件，利用TBM先行导洞作为爆破开挖的自由面。采用分段装药、孔外延期并控制单段最大起爆药量，左右导洞台阶法交错开挖，可以有效降低爆破振动。

(2)通过回归分析，拟合出适合施工现场的爆破地震波衰减系数K和α值，得到爆破地震波传播衰减公式，可以有效预测爆破振动速度，指导隧道爆破施工。

(3)现场实测振动速度峰值与理论计算值均在工程安全允许振速范围内，能较好地指导施工，同时也验证了爆破开挖方案及爆破参数的可行性和合理性，能够有效控制爆破振动有害效应，保证周边建筑设施的安全。