浅埋偏压隧道开挖爆破振动与控制技术分析

张征亮

（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

公路隧道洞口段围岩破碎、风化严重，常伴随浅埋、偏压等现象，其力学特征复杂，稳定性差。当洞口段地形复杂且有偏压时，由于重应力场分布的影响，地面偏压会导致地层主应力方向发生倾斜，故在引起浅埋偏压隧道开挖后应力分布不均，导致支护结构的受力不均匀，而在爆破开挖的多次干扰下，如果不及时支护，很容易导致工程安全事故。因此，在开挖时必须将支护结构的设计与施工相结合，采用合理的爆破参数，最大限度地降低爆破振动对围岩的干扰及对衬砌结构的破坏。

1 爆破振动监测

1.1 测试设备选择

监测系统的优劣将会对监测结果的可靠性产生很大的影响，并对监测的成功与否产生重要的影响。所以，在选用试验设备时，要依据所测信号的幅度及频域来选用试验设备。该试验设备采用UBOX-5016型智能爆破振动检测装置，并采用配套的水平、垂直速度传感器。该测试系统量程大，通频带宽，采用电池供电，无须外部电源，与常规的测试方式相比，省去大量的布线、检查、回收等烦琐的工作，有效地解决了野外测试中对交流电的依赖性，提高了现场测试的方便和高效。另外，由于电脑功能强大，处理数据更加准确、方便，功能更加完备，可以大大提高工作效率。

1.2 爆破条件及测试方案

该隧道的行车速度为60km/h，建筑限界为10.5m，高度为5.0m。隧道进口拱顶埋深为9m，轮廓线右侧距地表最浅处不足4m，属于浅埋偏压的隧道。

隧道洞口表层为2.5m 厚的粉质黏土，下部为强-中风化（黑云母）片麻岩，节理裂缝发育，岩心为短圆柱形，局部破碎块，综合评价为V 型，具有良好的可爆性。考虑到洞口断面采用后压回填法，超前支护采用超前小导管，初期支护采用中空注浆锚杆+工字钢+8 钢筋网+C25 喷射混凝土支护形式；隧道采用上下台阶法进行开挖，上部为楔形掏槽，下部为水平孔，以减少上部混凝土衬砌和地面破坏。

现场爆破振动监测主要是对地面震动速度的采集，辅以隧道衬砌的振速监测，对地震波衰减规律进行全面的分析。下台阶开挖爆破振动主要发生在混凝土衬砌上，根据不同位置振动速度的变化，对其进行了相应的控制。在地面上，现有的试验结果显示，在深埋隧道施工过程中，岩体整体结构会发生变化，成洞区表面振速会被进一步扩大，即“空洞效应”。每个测量点的间距表示在图1 中，ABC 表示隧道的纵向（也就是挖孔的方向），bAc 是指爆破的剖面。

图1 振速测点布置（单位：m）

1.3 爆破测试系统及原理

该工程采用TC-4850、UBOX-5016 爆破振动记录仪、速度传感器对爆破振动进行监测。通过现场实测，估算出隧道爆破测点振速为30cm/s，振动时间约为1s。为了确保整个振速波形的录制，设定了5kHz的取样速率、2s 的取样时间、10V 的全范围、0.2V 的触发和上升边缘的触发方式。在工程实施期间，根据预先设计的监测方案，在监测点安装了测速传感器，再用数据线路将其与记录设备连接起来，并启动设备。在工作面引爆过程中，发生了爆炸，在岩层中形成了一种应力波，并在岩层中扩散，使测点附近的速度传感器发生了震动，并将其转化为电压，再用A/D 变换成数字信号，将其存储在设备内。通过分析软件对数据进行处理，如速度三向量叠加分析、频谱分析、萨道夫斯基衰减方程的回归分析，得出了爆破地震波的传播和衰减规律。

1.4 爆破监测点布置

按照相关部门对隧道施工过程的全过程监测，在现有隧道内每60m 设置一个测点（两个洞口间距），以准确评估爆破对现有隧道的影响。每一次在新的隧道掘进工作面前、后部设置两个测点，每个测点传感器设置在已建隧道的迎爆侧墙内。在每个点布置水平、径向和竖向三个传感器，可以对挖掘工作面前后的振动进行监测。

2 振动监测成果分析

此次爆破振动的监测重点是在隧道的明暗交界处，在地面上沿着隧道的纵向方向设置了测点，并与工作面一起向前推进。在穿越A 处时，根据地形的不同，在隧道横截面上增加了辅助测点b、c，并位于爆炸源的正上方。根据工程进度，逐项分析监测资料，为爆破施工方案的适时调整提供参考。根据隧道洞口段的深度和围岩的风化程度，根据支护结构的设计和施工进度，采取了上下台阶法，上台阶高6m，开挖面积55m；下台阶3.6m，开挖面积30m。采用楔形开孔法、周距无耦合装药工艺，循环进尺控制在1～2m以内。上阶梯段开挖段的地面振动速度测量结果见表1，典型的测量点振速曲线见图2。

在图2 中，垂直方向上的地势变化较小，测量点的高度基本一致；在隧道的横向上，由于地形的影响，各个测点的高程也有一定的差异。由表1 可知，在成洞区，D 点的振动速度最大，在非开挖区域B 点振速最小；在横截面上，c 点与隧道剖面的距离最接近，振动速度最大，b 点最远，振动速度最低。

图2 典型实测地表振速

表1 的监测结果显示：第一，在隧道工作面上测点A 处，隧道纵表面测点的振动速率反映出浅埋的特性，而隧道开挖会使上部浅层岩石的整体结构发生变化，从而使地表测点振速有区域性的变化，这就是从成洞区到非开挖区的振速逐渐减小。第二，在工作面正面的地面测量点A 处的振动速率，这一次的监测结果比邻近成洞区D 要小。第三，在偏压地形作用下，在隧道横向上，在偏压作用下，浅埋段的振动是最大的。第四，在浅埋偏压隧道施工中，爆破振动对开挖区上部、衬砌结构和偏压浅埋等方面的作用要加以控制。

表1 地表部分测点及振速数据

3 浅埋偏压隧道爆破振动控制技术

3.1 洞口小导管超前支护与反压回填

为增强隧道洞口段围岩的稳定，在开挖过程中采用双排注浆小导管进行超前支护，在洞口段2m 处铺设钢筋网，并进行锚喷；同时，通过采取“倒压回填”的技术措施，提高隧道右侧的土层厚度，以达到平衡由于左侧高差引起的横向压力。

3.2 选择合理的掏槽结构形式

通过对掏槽爆破的振动监测，发现在单洞爆破和外洞爆破中的单声药用量差别不大的情况下，掏槽爆破的振动明显增大，主要是由于掏槽爆破的临空面条件较差，岩体夹持的影响较大。因此，在减少或消除浅埋隧洞爆破的震害问题时，必须采取有效措施进行震害控制。因此，本文提出了多级复式楔形挖槽爆破方案，从大楔形掏槽改为多级小楔形掏槽，一方面减少了各级楔形掏槽的爆破药量，另一方面前一次掏槽为后一级掏槽提供了一个临空面，岩体的夹压作用减弱，爆破振动得到了有效控制，而且由于掏槽爆破效果的改善，循环掘进的进尺也增加了。

3.3 合理布置掏槽位置

由于地形的改变，隧道入口出现了偏压。为有效地控制浅埋地面的振动，减小爆破振动对隧道软弱部位的破坏（尤其是在地震作用下），在开挖时除了采用级小楔形掏槽形式外，还可以在开挖中线左边偏移0.6～1.0m，可以降低掏槽孔爆破对巷道偏压浅埋区域的震动效应。偏压巷道开挖部位的选取也应充分考虑其构造特点及赋存条件。

3.4 爆破器材选择

爆破设备如炸药、雷管等是影响爆破震动的重要因素。从理论上讲，采用低爆速、低猛度、小直径、高传爆性能、高精度延迟雷管来完成连续引爆，可获得较好的光面爆破效果，减小爆破震动。在实际工程中，由于设备种类、环境等因素的制约，可供选择的余地较小，所以在掘进时，应根据已有的爆破设备，对各个部位的炮眼作用进行细致的设计。对于扩沟孔，可以选用高段位的雷管进行爆破，在这个时候，爆炸面好，高段长的雷管有很大的延时散性，在设计中可以适当增大同段开孔数量，而不会使爆破振幅显著增大，而且可以简化爆破作业。在条件允许的情况下，可以选用高精度的数字电子雷管，实现任何延迟时间的设定，充分利用延时错峰技术的优点，使爆破震动减小，提高爆破效果。

3.5 预应力锚索框架梁施工

第一，放样，搭建脚手架。根据边坡的长度，精确地将锚杆定位，孔位误差不能大于50mm；脚手架由中48 钢管搭设，在每个立杆的底面都要有一个基座或垫片，支架的纵向和横向搭设。横杆与地板相距20～30cm，脚手架应设置适当且坚固的拉结点，并设有斜撑，以提高支撑的整体稳定性。脚手架外悬挂防护立网随着施工的进行而上升，并将脚手架展开，安装时应及时设置连接杆、剪刀撑，支架安装完成后应拉设四周缆风绳锚固，避免脚手架的变形、倾倒。

第二，钻机就位，钻孔。根据斜坡测量孔位，精确地固定和安装钻机，严格调整位置，保证锚杆开钻到位，钻孔必须干燥，严禁使用水钻，以保证边坡岩体性能被破坏。

第三，采用高压的通风方式。在达到设计孔深后，不得马上停止，需稳定钻孔1～2min，再用高压风管对钻孔进行清洞，通过验收后方可进行下一阶段的施工。

第四，锚索的制作，验收和安装。锚杆必须集中在钢筋预埋场集中处理，然后将其运送到工地储存。在安装锚杆之前，要保证钢筋的平直，除锈、除油污，并涂上防锈剂，仔细检查锚孔号码，确定正确后再用高压风洞进行清理，然后手工把锚杆缓缓插入孔中。

第五，制作泥浆和灌浆。采用M30 水泥砂浆填充锚杆，采用0.4～0.45的水灰比、1∶1 的灰砂比、30MPa 的混凝土强度。采用自孔底部向孔内灌浆的方法，灌浆压力不得小于0.3MPa，且与锚索拉伸试验结果相符；灌浆管在距离孔底300～500mm 的位置，由下往上不断注入泥浆，然后缓慢地将灌浆管抽出。

第六，框架梁挖槽。在此基础上，对卸载框架进行定位，进行人工开挖，并将地基中的土壤进行加固。采用手工搭设钢筋笼，并将其加固，在变形缝部位的拱形钢筋必须断裂。在钢筋安装完毕并通过验收后，才可以进行模板的安装。

第七，钢筋和模板的安装。模板安装完毕后，应重新核对框格尺寸，钢筋排列位置、数量和间距，钢筋绑扎是否牢固，并请监理工程师进行框格混凝土的浇筑。

第八，浇筑水泥。框架和斜支台应该同时浇筑，还要将锚杆和锚杆同时进行安装和浇筑。浇筑混凝土时必须连续进行，并在浇筑的同时进行振捣。

第九，混凝土的养护。每次施工完毕，在混凝土初凝后按时间进行覆盖，并进行浇灌养护。覆盖养护7 天，在框架钢筋混凝土强度大于80% 时，才能进行张拉。

4 结语

在爆破荷载作用下，侧向浅埋偏心段地面振动速度最大；自成洞区在掘进过程中，从开挖走向到非开挖区域，其表面振动速度有逐渐减小的趋势。隧道开挖爆破振动的变化与隧道断面尺寸、埋深、施工方法、地形地质等因素有很大关系。合理地选取挖沟的构造方式，由大楔形挖沟改为多级小楔形挖槽，降低了不同掏槽的药量和岩体的夹持力，提高了爆破的震动和掏槽的爆破效果。根据浅埋偏压巷道的特征及岩体的赋存情况，合理安排掏槽部位，能有效地降低开挖孔洞爆破对巷道偏压区的振动效应，并能控制围岩在薄弱部位的破坏。将振动监测、拱顶沉降、洞周收敛等技术相结合，并对隧道内不敏感地段进行实验研究、综合监测以及优化，使其在一定程度上减小了爆破振动，并确保了最大的循环进尺。