隧道爆破减震技术研究

刘俊LIU Jun

（北京建工集团（广州）建设有限公司，广州 510000）

0 引言

隧道爆破施工是大型隧道工程中常用的方法之一，然而，爆破振动对周围环境和建筑物可能造成不可忽视的影响，甚至可能引发安全问题。因此，研究和开发有效的隧道爆破减震技术显得尤为重要。随着科技的发展和对工程安全性要求的提高，各种减震技术被提出并应用于实际工程中。本文将针对隧道爆破减震技术展开深入的研究，通过实验和数据分析，验证减震技术的有效性和可行性，为隧道施工提供更加安全、高效的爆破方案。

1 爆破与监测的工程背景和方案

1.1 工程背景

广州市轨道交通五号线东延段及同步实施工程双岗站～庙头路站暗挖区间隧道，为4 线折返，总长度为273.14m，区间埋深为16.5～35.3m 之间，穿越地层主要为中风化花岗岩、微风化花岗岩，地下水主要为第四系地层孔隙潜水、基岩裂隙水，局部分布第四系土层上层滞水。

1.2 爆破方案

爆破方案的制定是工程施工中至关重要的一环，它需要根据诸多因素如水文地质条件、围岩等级等来进行综合考虑。本工程选用了两步法进行施工，上段单循环进尺为2.4m，下段为3.0m。为了实现准确的岩石破碎，采用了直径为40mm 的YT-28 型凿岩机。为了保障爆破的效果，炸药选择了具备防水性能的RJ-2 型乳化炸药。在具体的爆破孔组设计中，上部爆破孔和凹槽的布置采用了图1 所示的方案。针对爆破孔的直径，周围爆破孔组的直径为25mm，而其他爆破孔组的直径为32mm。此外，为了保证爆破效果，爆破孔之间的距离也进行了精确的设计，包括爆破孔间距为50cm，内环爆破孔间距为120cm，垂直爆破孔间距为20cm，以及底板爆破孔间距为100cm。爆破过程中使用了普通毫秒起爆工业8 号雷管，采用了分段爆破的方式（图中1－15），共分为1 至15 节进行分段。为了实现爆破效果的控制，采用了光面爆破技术，同时外围爆破孔采用非耦合装药，间隔分量加载的策略也得以应用。

图1 上部爆破孔和凹槽的布置图

1.3 现场监控方案

现场监控方案在工程实施过程中具有至关重要的作用，尤其是在涉及爆破作业的情况下。合理布置测量点对于准确监测振动传播以及分析其规律至关重要。在进行隧道开挖工程至DK42+430 段的爆破试验区时，一个科学合理的监控方案得以制定并付诸实施，其中对于测量点的布置进行了特别的考虑。

针对爆破减振的要求，爆破方案需要在保证施工效果的前提下，尽可能减小振动对周围环境的影响。在实际操作中，单级大楔形切割爆破可以取得较好的效果，但同时也伴随着炸药使用量较大和夹岩效应较强的问题。为了减小振动强度，需要在设计过程中充分考虑减振措施，而这也需要对减振方案进行详细的设计与分析。

在减振方案设计中，采用多级切割方案以降低各级切割的装药量，同时上级切割的爆破可以为下级切割提供自由表面，从而减小夹岩效应。这种合理的减振方案设计有助于在爆破过程中减小振动对周围环境的影响。

同时，在实际监测中，测量点的布置也显得尤为重要。为了保证监测数据的准确性，将增强型TC-4850 爆破地震仪安装在工作面前方的中心线上方，分别距离工作面0m、15m、25m、45m 和60m 的位置。这样的布置方式能够捕捉到不同距离下振动传播过程的变化，提供更为全面的监测数据。

这些地震仪具备三个通道，分别为水平方向的x 和y通道，以及垂直方向的z 通道。这种多通道的设计使得地震仪能够同时收集来自不同方向的振动数据，包括粒子速度、主频率和持续时间等关键参数。这些数据的采集有助于更准确地分析爆破引发的地震波在多个方向上传播的规律，从而为工程实施提供更为可靠的数据支持。

综上所述，现场监控方案的制定和测量点的合理布置对于爆破工程的减振效果和环境影响有着重要的影响。通过科学的方案设计和仔细的测量点布置，可以更好地控制爆破引起的振动影响，保障施工的安全性和环境可持续性。

2 爆破减振方案设计与分析

单级大楔形切割爆破效果较好，但由于炸药数量较多，夹岩效应也较强，导致振动强度非常强。因此，为了达到爆破减震的目的，对爆破减振方案进行了设计与分析。

2.1 爆破减振方案

采用多级切割可以减少各级切割的装药量，且上级切割爆破可以为下级切割爆破提供自由表面，大大降低了夹岩效应。因此，爆破减振方案如表1 所示。

表1 爆破减振方案技术方案

多级复合楔形切割技术是一种在爆破领域广泛采用的方法，它以其出色的减振效果而闻名。然而，采用这种引人注目的方法可能会面临一些挑战。其中之一是在实际应用中，为了达到预期的减振效果，可能需要使用1-7 节雷管，这导致了一个问题：后续的孔雷管段可能会出现不足的情况。因此，在采用多级复合楔形切割技术时，需要仔细权衡减振效果和雷管使用量之间的平衡。

预设的隔振孔涉及围绕开挖边界或主爆炸区钻出的密集孔。每隔一个隔振孔就放进去一个钢管，并且管壁上没有开口。爆破地震波的传播特性主要取决于介质的波阻抗特性。当隧道开挖剖面设置阻尼孔时，爆破振动波到达阻尼孔时，由于波阻抗特性的差异，振动波会产生反射和透射。拉伸波将返回爆炸区，而一部分压缩波将被传输，传输波强度将减弱，从而减少了隔离带后面的振动。在切割爆破中，空孔可以为爆破提供自由表面，减少夹岩的产生，增加岩石破碎和膨胀的补偿空间，改变局部阻力线，有利于切割效果的实现。因此，隔振孔可以达到更好的减振效果。

通过引入这些爆破减振技术，将台阶上的爆破开挖区划分为6 个爆破区。每个爆破区均采用外空差速爆破技术，并采用成堆孔。使用不同的延迟雷管连接外部空气中的雷管。雷管在空气外延时间中的延迟时间应根据每个爆破区差速爆破的延迟时间计算确定，以避免重炮现象，导致爆破振动过大。根据隧道段大小和单循环穿透深度，划分了爆破区，能够进一步优化爆破方案，减少对周围环境和建筑物的影响，提高施工的安全性和可控性。同时，也可以针对不同情况采取相应的措施，以确保爆破施工过程中的振动和震动不会对周边建筑物和结构造成损害。

布孔减震技术能够在爆破施工过程中显著减少振动和震动的影响，有效保护周边环境和建筑物的安全，同时提高爆破施工的可控性和效率。这种技术在实际工程中的应用将为爆破施工提供更可靠的减震解决方案。

2.2 监控数据分析

采用隧道区爆破减振方案后，在爆破控制区内，1 栋建筑距离隧道拱门垂直方向约32m，距离隧道中线水平方向约47m。采用了TC-4850 监测仪器对该建筑基础的颗粒速度进行了9 次观测。爆破振动的时间历程曲线如图2所示。

图2 爆破振动的时间历程曲线

从监测结果可以看出，采用分区爆破阻尼模型能够较好地实现爆破的振动控制。最大垂直速度为1.12cm/s，低于振动速度控制标准值1.2cm/s，比振动控制理想值8.0cm/s低了9 倍。爆破最大粒子振动速度对应的频率主要集中在44.3-86.4Hz 的高频范围内，与建筑物的固有振动频率相差甚远。

从爆破振动的时间历程曲线可以看出，随着时间的变化，爆破振动存在许多峰值，但爆破振动强度明显降低。通过区域爆破技术减少各段炸药量，交错爆破峰值。隔振孔降低了爆破传播过程中爆破振动的强度。爆破的最大振动仍主要由切割喷砂引起，但由于多级复合切割喷砂，切割抛丸引起的振动峰值较多。同时可以看出，第一阶段没有出现最大峰值，主要是因为采用了中心浅孔领先技术。

2.3 减震模型爆破信号的频谱分析和时能分析

利用MATLAB 软件编写了傅里叶变换和功率谱密度程序，对振动信号进行了傅里叶变换并计算了其功率谱密度。同时，使用MATLAB 软件编译了分析程序，采用db8作为小波函数，将爆破信号分析为时间-能量分布图，如图3 所示。

图3 爆破振动信号时能分布图

从爆破振动信号的功率谱密度图可以看出，爆破振动信号在频域中分布广泛，但主要集中在45-70Hz 和110-120Hz 两个频域内。在主频域中出现了多个主频，其中在45-70Hz 频域中出现了一个非常明显的凸峰，该峰对应的频率为55Hz。因此，分区爆破减振技术产生的振动主要频率与建筑物的固有频率相去甚远，不会引起共振现象。

从时能关系图可以看出，采用分区爆破技术后爆破振动信号的能量值减小。虽然爆破能量主要来自切割爆破（0-120ms 周期），但后续爆破能量值非常小。在爆破能量随时间的变化中，有多个峰值，每个峰值都表示在炸药引爆的相应时刻能量的突然变化。与爆破延迟时间相比，可以发现能量峰值对应的时间与爆破雷管延迟时间一致，说明采用分区爆破技术可以有效实现爆破能量的延迟释放，从而减小爆破振动的峰值。

3 结束语

本研究通过对隧道爆破减震技术的探讨和实验验证，证明了多级复合楔块技术、隔振孔技术、隧道区爆破减振技术和布孔减震技术在减少爆破振动对周围环境的影响方面的有效性。通过频谱分析和时能分析，得出了减震方案对爆破振动能量和频率的有效控制，确保了爆破施工的安全性和高效性。然而，仍有一些挑战和改进空间，如减震技术在不同地质条件下的适用性、施工成本和实施难度等方面需要进一步研究和改进。未来，我们将继续致力于隧道爆破减震技术的研究，不断完善和优化减震方案，为大型隧道工程的安全施工贡献更多的科研成果。