小净距隧道施工中减振技术研究

赵禹锋

（中铁八局集团第一工程有限公司 重庆 400050）

张家山隧道位于重庆云阳县境内，设计为分离式隧道，穿越的地层是Ⅱ～Ⅳ类侏罗系中统上砂溪庙组砂岩、泥岩和砂质泥岩，该隧道左线长1386m，右线长1436m，最大埋深约为135m，其中隧道双线进口段K183+180～K183+600的420m区段内，左右线中夹岩柱厚度为由洞口的10.0m渐变至K183+600里程的28.8m。在这420m的小净距隧道区段中，K183+180～K183+220里程的40m段处在Ⅱ类浅埋偏压岩质地层中，K183+220～K183+600里程380m小净距段是处在Ⅲ类围岩地层中。其中K183+180～K183+300的120m区段中夹岩柱的厚度为10.0～18.8m渐变，是典型的小净距隧道。设计文件对120m典型小净距段提出了明确的要求，并重点强调了必须严格控制施工爆破。

1 小净距隧道爆破施工的难点

在小净距隧道的爆破施工中，先行洞开挖时其围岩出现了首次应力重分布，当后行洞爆破开挖时，先行洞围岩出现再次应力重分布，所以后行洞的爆破直接影响先行洞的围岩稳定。

在小净距隧道双洞开挖时，后行洞靠先行洞侧的中夹岩柱实际上是处于悬空状态，后行洞爆破时，可能对中夹岩柱造成严重的二次扰动，导致中夹岩柱破坏。

张家山隧道单洞最大开挖断面为102.93m3，毛洞最大跨度12.4m，大断面因素增加了施工中控制爆破的难度。

在小净距段，隧道处于浅埋偏压位置且隧道轴向与岩层产状小角度相交，这些地质方面的不利因素也增加了爆破施工的难度。

在保证施工安全的前提下，如何有效控制爆破，加快施工进度，确保先行隧道及中夹岩柱的稳定，就成为小净距隧道爆破施工控制的重点和难点。

2 影响爆破振动强度的因素

我国现行的《爆破安全规程》（GB6722-86）中用于计算爆破地震振动速度的公式[2]：

式中：V—振动速度，cm/s；K，α—场地系数；Q—单段起爆药量，kg；R—爆源到计算点的距离，m。

从定性的角度分析可以看出，决定振速V大小的主要因素有：由几何关系决定的爆心距R，由爆破条件决定的装药量Q和由地质条件决定的参数K，α，但爆破产生的振动是一个十分复杂的瞬间过程，相互独立地使用上述三个条件参数所得的结果与实际相差较大，实际上三者是耦合作用的。

2.1 几何距离的影响

根据大量的洞内爆破振动测试结果分析，爆破振速最大值与爆心距的关系基本上可回归成指数衰减函数关系，说明比例距离与振动速度有良好的对应关系，这与式（1）是一致的，是影响爆破振动强度的重要因素之一。

2.2 爆破条件的影响[3]

爆破条件包括炸药的重量、性能和装药结构以及爆破介质临空面的夹制条件等。在这些因素中，除考虑单段最大爆破药量Q外，爆破的夹制条件是影响爆破振动强度的另一重要因素。

炸药的种类：本工程中使用的是2号岩石硝铵炸药，其性能稳定。炮眼直径为40mm，装药结构参见《公路隧道施工技术规范》[5]（JTJ042-94）条文释义第5.4.9中图29。

当其他爆破条件相同时，爆破振动的最大峰值振速出现在掏槽爆破和底限爆破时。掏槽爆破时，只有一个临空面(掌子面)，因此掏槽爆破是在较大夹制作用下的强抛掷爆破。夹制爆破导致更多的爆炸波能向岩体内部传播，造成临近隧道的较强振动，如底眼一般要下倾，特别是两角的底眼，其临空面内折，爆破时夹制作用增大，所以底眼爆破时也引起较大振动。已有的资料显示，不同爆破条件下测得的爆破振动速度回归分析，爆破夹制作用与爆破振动速度衰减经验公式中K值有一定的对应关系。夹制力作用最大的掏槽爆破条件下，式（1）中K值最大；扩槽爆破时临空面增大，夹制作用减小，K值减小；周边爆破临空面最大，夹制作用最小，K值也最小。

2.3 地质条件的影响

对于小净距隧道爆破施工，隧道围岩类别，岩层的厚度、破碎程度、软弱夹层或断层，岩层走向与隧道轴线的夹角大小，洞顶覆盖土层的厚度以及地下水等内在因素，和先行洞的横断面形状、衬砌支护情况等，都是影响参数的条件。

3 后行洞开挖钻爆设计

小净距段隧道的先行洞施工与普通单行隧道一样，但后行洞必须落后先行洞一定的距离，其距离因围岩类别不同而不同，一般情况下，对Ⅱ类围岩先行洞开挖断面超前后行洞的开挖断面控制在35～45m，Ⅲ类围岩控制在35～45m，Ⅳ类围岩控制在35～45m[4]。在爆破施工中，对先行洞影响最大的爆破参数是最大段装药量和间隔时间，其次是掏槽形式、炮眼布置、炮眼深度及起爆网路等。下面介绍后行洞在不同类别围岩下的钻爆设计。

3.1 最大段装药量

如果采用的雷管不出现延时或窜段现象时，先行洞内最大振速出现在装药量最大段位。在小净距段要求光面爆破的张家山隧道，装药量段位布置等见表1、表2。

表1 Ⅱ类围岩钻爆设计参数

表2 Ⅲ类围岩钻爆设计参数

3.2 间隔时间

合适的间隔时间既可以避免爆破振动的叠加，也可以获得光面爆破的最好效果，这样一方面保证了先行洞的安全稳定，另外还可以取得最优的经济效果。以往的实践经验表明：普通毫秒雷管的振动波形叠加较多，特别在低段位时；25ms等间隔高精度毫秒雷管只在个别段位出现叠加，也是出现在低段位；50ms等间隔高精度毫秒雷管基本不叠加。因此，选用50ms等间隔高精度秒雷管，也就是说在后行洞爆破中，段间隔采用50ms较合适。

3.3 爆破参数

鉴于双线隧道间距较小，从振动安全角度考虑，爆破规模较大的全断面开挖显然不能有效控制爆破振动。所以，结合已有隧道施工的经验，对Ⅱ类围岩段采用台阶分部法、Ⅲ类围岩段采用短台阶上下断面法爆破掘进的方案[3]，如图1、图2。

图1 Ⅱ类围岩施工工序

图2 Ⅲ类围岩施工工序

（1）掏槽形式

在对隧道爆破振动的多次监测中发现，一般掏槽孔爆破在整个断面爆破中比相同装药量的其他炮孔爆破产生较大的振动速度，因此选择合理的掏槽形式及掏槽孔位置，是后行洞开挖中控制爆破振动的关键措施。楔形掏槽具有掏槽效果好、能为辅助眼爆破创造较好的临空面等特点，可以减少辅助眼爆破时的振动强度，在工程实际中得到了广泛的应用。

根据张家山隧道的地质条件、开挖方法以及机械设备和工人的技术水平，决定采用楔形掏槽。

（2）炮眼布置

根据《公路隧道施工技术规范》（JTJ042—94）第5.4.3条中(5)规定[5]：光面爆破各参数如周边眼间距（E）、最小抵抗线（E）、相对距（E/V）和装药集中度（q）等，可按照表5.4.3选用[2]，决定选用符合软岩（饱和单轴抗压强度Rb≤30MPa）的光面爆破参数：装药不偶合系数D=2.0(炮眼直径为40mm)，周边眼间距E=40cm，周边眼最小抵抗线V=50cm，相对距E/V=0.8，周边眼装药集中度q=0.15kg/m。小净距段后行洞炮眼布置如图3、图4，爆破参数如表1、表2。

图3 Ⅱ类围岩钻爆设计（单位：cm）

图4 Ⅲ类围岩钻爆设计（单位：cm）

3.4 减振措施

（1）采用小循环进尺，分区开挖。对小净距及振动要求较高的施工条件，进尺小则循环爆破方量小，一次爆破药量小，相对地爆破振动也小，分区开挖则也减小了一次起爆的药量，且为后续的区间爆破创造了更多临空面，也可以减小爆破振动。

（2）微差爆破。在选择雷管段数时，应加大相邻段的段位差。微差爆破是把一次起爆的许多炮孔分为若干组按先后顺序起爆，其实质一方面是减少一次起爆药量，另外是为避免微差爆破延时时间不够或延时误差造成应力波叠加。所以微差爆破既有利于相邻两段振动的主振相分开，避免振动叠加，也有利于为后排爆破创造更充分的临空面，减轻爆破夹制作用，因而能达到降低爆破振动的目的。

（3）加强炮孔堵塞。加强炮孔堵塞可以提高炸药能量利用率、有效地降低单位耗药量，减小爆破振动。

（4）光爆层[6]。对于光面爆破，一方面，在隧道断面主爆破孔爆破时，光爆层有效地保护了对设计轮廓线以外的岩石，使得主孔爆破对围岩的损伤明显降低，减小了主孔爆破对先行洞围岩的振动；另一方面，光爆层由于临空面条件较好，减少了岩石的夹制作用，所以减震效果也较为显著。

（5）炮孔侧向最小抵抗的大小对先行洞的振动影响很大，适当地缩小侧向最小抵抗线有利于减小既有隧道的振动强度。

4 振动监测

4.1 测点布置

在先行洞的Ⅱ类围岩段选取K183+203、Ⅲ类围岩段选取K183+245两个断面布设爆破振动观测点位，布置如图5。

图5 先行洞爆破振动观测点布置图（单位：cm）

4.2 监测结果分析

根据隧道的最大振速监测结果可以看出：先行洞迎爆侧边墙上的振速最大，其值为14.8cm/s，小于《安全爆破规程》的允许值[V]=15cm/s；迎爆侧拱肩处为第二峰值区，约为最大振速的92%；拱顶处为第三峰值区，约为最大振速的80%；迎爆侧底角和背爆侧拱肩处为第四峰值区，约为最大振速的65%；背爆侧边墙中部以下直到底角部位的振速最小，不到最大振速的10%。

（1）先行洞迎爆侧边墙上振速最大，此区正是爆炸波正入射作用点。迎爆侧底角虽然应力水平很高，但由于该部位受中夹岩柱和底板围岩的挤压作用较大，其振速相对较小，故迎爆侧底角不是最危险的振动破坏区。拱顶的最大振速接近《爆破安全规程》规定的交通隧道的允许振速[V]=15cm/s，其振动破坏的危险性也很大。背爆侧边墙中部以下区域的峰值振动速度小于最大振速10倍以上以及背爆侧拱肩振速不大，主要是由于已开挖完毕的先行洞起到了减震沟的作用，所以背爆侧墙的安全性大大提高。

（2）通过试验观测分析，在小净距隧道后行洞的开挖中，采用台阶分部法和上下台阶开挖，对降低爆破振动峰值速度较为有利。从实践结果来看，在相同药量、相同净距、相同支护条件下，上下台阶开挖最大振动速度比全断面明显开挖减小，而对软弱的Ⅱ类围岩段，宜采用台阶分部法开挖，能有效控制先行洞围岩的振速。

（3）对于先行洞迎爆侧边墙，爆破振动在掌子面前方测得的振动速度比后方要小，可能是在掌子面后方的双洞开挖形成中夹岩柱整体力学性能降低造成的。

5 结论

（1）通过对先行洞不利断面的爆破施工产生的振动监测，发现其最大振速小于相关规范的允许值，同时爆破过程中未出现支护结构开裂和大的变形，证明在张家山隧道小净距段采取的爆破控制技术是成功的。

（2）小净距段爆破产生的振动与掏槽形式、单段装药量的多少、起爆顺序、周边眼的爆破方式、段间隔时间和爆破的规模（一次爆破的总药量）等因素有关。采用爆破振动控制技术，可较大幅度降低爆破地震振速。

（3）在小净距隧道的施工中，后行洞爆破开挖将对先行洞产生极大的影响，影响最大的部位是先行洞的迎爆侧边墙，迎爆侧边墙峰值振速是远离爆破侧峰值速度的十倍以上，也说明在施工过程中，迎爆侧边墙是爆破开挖控制的薄弱部位，应重点对迎爆侧水平方向速度进行监控，了解结构的力学状态，为及时处理反馈信息。

（4）对净距较小及振动要求高的爆破施工，分区开挖、循环施工的方案是切实可行的，不仅可以减小爆破振动，还可以显著降低爆破炸药单耗。

（5）合理的爆破设计如采用合理的间隔时间、适当的光爆圈厚度等多项减振措施，可有效阻隔爆破能量的传递，显著降低爆破效应危害的范围及程度。

[1]JTJ026-90，中华人民共和国行业标准[S].

[2]GB6722-86，中华人民共和国标准[S].

[3]杨年华，刘慧.近距离爆破引起的隧道周边振动场[J].工程爆破，2000，6(2).

[4]杨转运，王羽，刘会.双洞小净距隧道施工控制要点[J].现代隧道技术，Vol42(2)，2005.

[5]JTJ042-94，中华人民共和国行业标准[S].

[6]张志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程师手册[M].北京:人民交通出版社，2002.