隧道爆破对小近距既有病害隧道的影响及控制＊

张优利 刘胜春 杨克文 周 朋 梁 顺

（1.象山县交通局 宁波 315700；2.北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心 北京 100044）

1 隧道工程对既有隧道的影响研究状况

我国交通事业迅速发展的同时，大量复线铁路和双向公路随之出现，突出问题之一是近距双线隧道间的相互影响，在复线建设中表现为新建线施工对近距既有线的影响，尤其是既有线存在较多病害问题时，对这种影响的分析及控制研究尤为必要。

国内学者针对大量双线近距隧道工程实例进行深入研究，主要研究方向为变形及爆破2个方面。王兴中等［1］根据广州地铁三号线岗石区间超小间距隧道的工程实例，对超小间距隧道施工中的偏压进行了研究，提出了“偏压系数”的概念，分析了超小间距隧道偏压的形态、量值及其变化过程。雷明峰等［2］根据小间距交通隧道的爆破安全现场监测结果，对天际岭隧道进行了安全性评价及地震波衰减规律分析，并通过萨式公式对监测数据进行回归分析，给出了测试条件下的场地系数K 和地震波衰减指数α 的值，由此反演出任意质点振速峰值预测公式和最大段允许装药量的控制公式。李云鹏等［3］对采用典型双侧导坑法的小间距隧道爆破施工动力效应进行了数值模拟，给出了爆破施工在已有洞室周边产生动力效应的一般规律和对既有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置，得到了爆破动荷载对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏的结论。

本文依托工程史家山2号隧道位于浙江宁波象山西部，隧道走向大致沿东西向展布，其左侧存在近距既有史家山隧道。2隧道设计线最小间距约15.8m，新建隧道全长995m，最大埋深约212 m，建成后与既有隧道构成上下行分离式双向4车道隧道，隧道净宽12.36m，净高10.03m。隧址区基岩岩性主要为含碎（砾）石粉质粘土和含粘性土碎（砾）石，晶屑玻屑熔结凝灰岩、流纹质玻屑凝灰岩和间夹含砾凝灰岩，以及闪长岩及凝灰岩。总体来讲，岩体呈碎裂～块状结构，岩石致密坚硬，属硬质岩，风化作用较强烈，存在多组风化层，节理发育，连续性比较差。

2 既有隧道的健全度评估

已建史家山隧道位于S311省道象西线K0＋230处，于2001年建成通车，运营至今已超过10年，已经出现渗水、衬砌开裂等病害，加之2线相距较近，受近距新建史家山2号隧道的施工影响，存在较大的安全隐患。

检测发现隧道衬砌表面局部开裂严重，两侧边墙开裂较少，但是拱顶开裂相对较多，有多条纵向、斜向和环向裂缝将衬砌切割，隧道存在的渗漏水区域不是很多，集中分布在进洞口和出洞口附近，但还是会对隧道衬砌结构的安全和耐久性产生不利的影响，隧道内装防火层脱落现象极为严重，局部区域（包括侧墙和拱顶）出现大面积的涂料脱落。

对于既有隧道，若不采取一定的保护和控制措施，近距新建隧道的爆破开挖施工必然会对上述病害位置造成进一步的损害，加速既有隧道现状健全度的下降，加大施工安全事故发生的可能性。因此，需要对新建隧道施工方案及爆破参数进行一定的调整，以减小对既有隧道的影响。

3 爆破方案及爆破参数设计

3.1 爆破方案

该新建隧道围岩大部分属于III～V 级，破碎带分布范围较广，多为张扭性断层，呈南北向展布，一定程度上加大了对新建隧道爆破危害的控制难度。为了降低施工引起的爆破响应，采用上下台阶施工方法，上台阶整体开挖，下台阶为了施工方便采用左右半幅分部开挖，见图1。

图1 新建隧道爆破开挖分区示意图（单位：cm）

3.2 爆破参数

该隧道下台阶高度较小，应力及能量释放大部分发生在上台阶爆破开挖瞬间，因此本文主要对上台阶爆破参数进行阐述和分析。该工程采用炮孔直径为40 mm，药卷规格为φ32 mm×200 mm，采用的炸药主要为岩石粉状乳化炸药。施工过程中对既有隧道的振动速度进行了大量现场监测，通过监测爆破振动速度的大小对掏槽形式、炮孔间距、炮孔深度和延时间隔等参数进行调整，以将既有隧道振动速度控制在10cm／s以内，上台阶炮孔布置见图2。同时各循环会根据具体岩石类别及爆破范围要求对爆破排距、装药量、炮孔深度及数量等进行适当调整。

图2 上台阶炮孔布置示意图（单位：cm）

上台阶开挖进尺为3m，开挖宽度12.36m，开挖高度为7.15m，采用斜孔掏槽光面爆破进行施工，表1所列为2011年11月18日采用的爆破参数设置，掏槽孔间距50～70cm，排距50cm，辅助孔间距100cm，周边孔间距50cm；下台阶采用浅孔排炮，雷管段别为9～11段，炸药量为15kg。

表1 2011年11月18日上台阶爆破参数

4 既有隧道爆破影响监测结果分析

根据一些学者对某些工程爆破近区影响进行的测试表明，上台阶爆破施工对既有隧道产生的最大振动速度出现在迎爆侧的拱肩和拱顶，但由于在既有运营隧道拱顶位置进行爆破监测存在较大难度，监测点一般设置在既有隧道迎爆侧的边墙和拱底。图3所示为2011年11月11，15，18和26日既有隧道监测点垂直振速。

图3 上台阶爆破引起的既有隧道监测点振动波形

从上述爆破振动监测结果可见，爆破引起的既有隧道振速基本处于10cm／s以内，满足《爆破安全规程》（GB722K－2003）中规定的交通隧道爆破安全允许振速，鉴于既有隧道已经存在较多的裂缝和渗水等病害现象，一般将新建隧道上台阶爆破对既有隧道的影响控制在8cm／s左右，图中11月11日主振频率为29.297 Hz，最大振速为9.536cm／s；11月15日主振频率91.553Hz，最大振速为6.665cm／s；11月18日 主振频率为100.098Hz，最大振速为7.689cm／s；11月26日主振频率109.863 Hz，最大振速为8.367cm／s，其中11日和26日的监测值均略大于控制标准，主要是由于11日两洞间距还处于较小的程度，26日掌子面位置围岩条件较差，而装药量、炮孔参数并未作相应的调整。

从上述监测结果可以看出，既有史家山隧道迎爆侧的振速明显大于另一侧的振速，而迎爆侧边墙位置和拱脚位置的振速并无太大差异，但主振频率的差别较大；此外爆破参数的变化尤其是装药量、开挖进尺以及临空面大小的改变对爆破响应的影响很大，说明根据现场施工监测的反馈对各爆破参数的设置进行调整是控制既有隧道爆破响应的有效手段。在史家山2号隧道的施工过程中，通过密集准确地监测作业和及时反馈及调整，逐步将既有史家山隧道的迎爆侧振速降低到控制标准以下，有效地控制了已有病害的发展和潜在病害的出现，防止了建设期间安全事故的发生，保证了史家山2 号隧道的施工安全和顺利掘进。

5 爆破安全控制技术

由于该工程具有长距离、小间距的特点，不仅要对爆破施工进行严格控制，还需兼顾施工单位。因此所增加的成本，爆破振动标准需要根据既有隧道健全度、施工进度、工程投入和地质情况等进行合理制定，既要确保既有隧道的运营安全和新建隧道的施工安全，又要降低施工成本，保证正常的施工进度。

爆破控制技术的着眼点主要在于装药量、爆破规模、引爆时间、装药结构等几个方面，由于不同里程位置的地质情况不同，两洞净距和地应力状态也存在很大差异，只进行单一的爆破参数设定显然是不科学也是不现实的。因此在整个隧道施工过程中需要不断地对爆破参数进行调整，这就为爆破控制技术的研究提供了可能。

装药量是隧道爆破施工响应的主要影响因素之一，其与质点振动速度的关系一般都是通过萨式公式建立起来的：

式中：V 为监测点振速，cm／s；Q 为单段最大起爆药量，kg；R 为爆源至被保护物的距离，m；K，a 为与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减指数；m 是药量指数，对于集中药包爆破，m＝1／3，对于延长药包爆破，m＝1／2。

根据所采集的监测数据对萨式公式进行回归分析，可得到适合该工程的K，a 值，再根据《爆破安全规程》（GB722－2003）中的交通隧道爆破安全允许振速应控制在10～20cm／s以内的规定，制定适当的振速控制标准，由这些参数即可通过萨式公式对装药量进行大概的估算，从而控制爆破安全。

施工中通常也会采用分次爆破和缩短进尺的方法来对爆破响应进行控制，当全断面开挖无法满足振速控制标准要求时，可采用台阶法等分布开挖方法，一方面减小了最大的单响药量，另一方面也减小了临空面的范围，同时可将掏槽眼布置在远离已建隧道的下侧，从而加大与爆源的距离，可使地震波从掏槽眼开始逐段自远及近地间隔起爆，以避免地震波的叠加，降低爆破振动效应。一般而言，开挖进尺大都通过炮孔深度进行控制，当采用台阶法施工时，上台阶的开挖进尺应严格控制，该工程每循环控制在3 m 以内，下台阶应力释放较小，地震波传播时空腔效应明显，可采用较大的进尺，但仍需根据振速标准进行调控［4－5］。

合理的段位设置和起爆时差，能够有效地控制围岩的爆破响应，在传播理论的基础上避免地震波的叠加，同时也可使主振频率保持与既有隧道自振频率的差异，防止共振现象的发生。此外，装药结构的不同也会导致爆破响应的巨大差异，耦合装药每米炮孔装药密度大，爆炸瞬间气体对孔壁产生的冲击作用较强，采用非耦合装药结构则能有效减弱这种冲击，如在炮眼不同深度装入水袋，后用炮泥回填炮眼［6－7］。

6 结语

（1）动态施工过程中对既有史家山隧道的振速监测结果表明，既有隧道结构受爆破施工影响最大部位在迎爆侧，拱脚和拱腰处的爆破振速响应相差不大，但主振频率差别较大；同时可以看到，实时监测工作对调整爆破参数方案及保证施工安全有着极其重要和有效的作用。

（2）该工程实例具有明显的长距离、小间距特点，施工中需要时刻关注新建隧道爆破施工对既有隧道安全的影响，但在爆破控制措施实施过程中，仍存在很多不足和限制，例如爆破施工对工人的操作工艺要求很高，有时由于工人操作不规范或经验不足，会使实际炮孔位置和形状与设计参数相差较远，所达到的效果也就不尽理想，因此在提高施工人员的专业素质的同时，可使爆破方案尽量简单易行，减小人为因素的影响。

（3）值得注意的是，对于病害隧道，爆破安全规程中并未作更为详细的振速标准限定。一般的近距爆破工程中，都是根据工程经验对振速限值进行适当折减，当施工单位的隧道爆破经验不足时，所制定的振速标准并没有充足的理论和现实依据，这就使得爆破工程存在较大的隐患。

［1］王兴中，杨新安，黄小平，等.超小间距隧道施工中的偏压研究［J］.地下空间与工程学报，2008（3）：528－532.

［2］雷明峰，张运良，彭立敏.城市小间距交通隧道爆破安全监测及结果分析［J］.现代隧道技术，2007，44（1）：61－64.

［3］李云鹏，艾传志，韩常领，等.小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究［J］.爆炸与冲击，2007，27（1）：75－80.

［4］毕继红，钟建辉.邻近隧道爆破振动对既有隧道影响的研究［J］.工程爆破，2004（4）：69－73.

［5］王明年，潘晓马，张成满，等.临近隧道爆破振动响应研究［J］.岩土力学，2004，25（3）：412－414.

［6］姚 勇，何 川.并设小净距隧道爆破振动响应分析及控爆措 施研究［J］.岩土力学，2009（9）：2815－2822.

［7］徐顺香.超小净距交叉隧道爆破与安全技术［J］.工业安全与环保，2010，36（12）：36－37.