隧道控制爆破深大减振孔减振效果对比

李克先，赵继增，雷 刚

(1.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266000;2.北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100000)

0 引言

在硬质岩层中，钻爆法由于开挖成本较低，对地质条件适应性强等特点在隧道施工中得以广泛应用。随着科技不断进步，国内外隧道爆破技术逐渐向自动化、数字化、机械化和专业化方向发展［1］。以地铁施工为例，由于线路多位于既有道路下方，在爆破施工过程中不可避免地产生爆破振动效应，对周边建(构)筑物造成安全隐患。

为保证建(构)筑物的安全，必须将爆破振动控制在允许范围之内。对此，国内外进行了大量的研究。爆破振动衰减规律主要通过介质质点振动速度幅值与装药量和爆心距的变化来反映，通常振动速度幅值随炸药量增加而增加，随爆心距离增加而减少［2－4］，工程中经常用萨道夫斯基公式来描述其规律［5－6］。目前对于隧道爆破中控制爆破振动的方法主要有干扰降振法、控制最大段药量法、预裂隔振带降振法、不耦合装药结构或低爆速炸药降振法以及增加临空面降振法等［7－9］。日本学者研究表明，采用不耦合装药结构可有效降低爆破产生的振动，如在日本新狩胜隧道爆破振动测试结果显示，低振速炸药产生的振动能量比2号 Dynamite炸 药 降 低 20% ～60%［10］。印度 的P.K.Singh等对比了有自由面的炮孔爆破和离自由面较远的夹制爆破的峰值速度，研究表明，改善临空面条件能有效控制振动速度［11］。国内学者丁松波等［12］以长沙地铁汽车北站为例，在强风化板岩和中风化板岩中对现场有无减振孔爆破进行振动测试并对采集数据进行拟合分析，得到该工程减振孔的减振规律。郭涛等［13］、方向等［14］以实际工程为例，通过减振沟开挖前后2个阶段爆破振动速度对比，得到减振沟的减振规律。由于地振波在经过减振孔或减振沟时发生反射、绕射等，对减振效果没有明确定量的认识。

目前研究的热点主要是根据爆破安全相关规程对爆破允许振速的规定，采取一定减振措施以降低爆破对周边的影响，但对于一些加油站、燃气管线等高危险建(构)筑物，未有相关规范对爆破安全进行详细说明。如何保证这些具有高爆炸隐患工程的安全成为一个较困难的课题。本文以青岛地铁3号线某浅埋暗挖车站为例进行爆破振动实测，对现场数据进行总结，研究高爆炸隐患工程周边减振孔的减振规律及效果。本文采用的深大减振孔减振效果优于类似减振孔工程，减振效果虽不及减振沟，但由于其施工工艺简单，对隧道周边高爆炸隐患工程的保护效果较好。

1 工程概况

该车站为双层单拱大跨大断面矿山法车站，开挖跨度达22.8 m，埋深11～13 m，位于夏庄路正下方，通过李村断裂带，洞身穿越地层以中风化花岗岩、中风化碎裂岩、微风化花岗岩、微风化细粒花岗岩等为主。地下水主要为基岩风化裂隙水，水量贫，富水性差。车站地质断面图见图1。

图1 车站地质断面图Fig.1 Geological profile of the Metro station

车站主体结构采用双侧壁导坑法(先拱墙后仰拱)施工，施工期间按“短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测”的方针进行施作，超前支护措施采用在临时横通道内向主体方向打设超前大管棚及超前注浆小导管注浆加固围岩;及时施作初期支护，充分发挥围岩自身承载力，初期支护采用350 mm厚喷射混凝土+格栅钢架间距0.5 m。

车站主体及B出入口临近中国石油加油站，经调查，该加油站建于1998年，为埋地油罐，3个汽油罐，2个柴油罐，共计5个储油罐，各30 m3，共存油可达150 m3，油库埋深4.3 m。该加油站主要服务于公交停车场600多辆公交车的加油工作。车站B出入口开挖边线距加油站办公用房约2.2 m，距加油机约15 m，风险等级为Ⅱ级。B出入口开挖边线距加油站更近。车站与加油站位置关系见图2和图3。

综合以上情况，经专家对临近加油站专项设计进行评审，形成评审意见:1)为保证加油机正常运行及油库安全，建议油库区爆破振动速度控制在0.5 cm/s之内;2)加油站区域最大沉降值控制在10 mm之内。

掏槽眼和辅助眼采用不耦合连续装药，周边眼采用不耦合间隔装药，不耦合系数不小于2.0。炮孔的填塞长度为30 cm。先起爆掏槽眼，增加临空面，而后按顺序起爆辅助眼和周边眼。采用激发针起爆方式，掏槽钻2个120 mm大中空孔，中空孔周边42 mm掏槽孔呈环形布置，两中空孔之间布置1个42 mm孔。对于车站主体，加油站距车站最近处水平距离取26 m，爆破深度距离地面最小距离11 m，根据萨道夫斯基公式［5］得到最大分段装药量为1.03 kg。对于靠近加油站的B出入口，采用打φ120中空孔，创造临空面，周边布置φ42孔。掏槽采用直眼掏槽，最大分段装药量为0.637 kg。

图2 车站与加油站位置关系平面图(单位:mm)Fig.2 Plan showing relationship between the Metro station and the gas station(mm)

图3 车站与加油站位置关系剖面图(单位:mm)Fig.3 Profile showing relationship between the Metro station and the gas station(mm)

2 地面减振孔设计及施工

2.1 设计目的

在爆破施工前，在破碎区和保护区之间打一定直径和深度的炮孔，以阻隔和干扰爆破产生的地振波向受保护的加油站的传播，加快地振波的衰减，降低其对加油站的振动效应，加强对加油站的保护。

2.2 设计方案

地面减振孔打设范围为B出入口暗挖段以东，靠近加油站一层办公楼区域，减振孔布置见图4。减振孔共286个，钻孔直径110 mm，钻孔深度30.8 m，钻孔孔心间距0.3 m，排距0.3m，梅花形布置。钻孔内插外径90 mm的PE聚乙烯管，此管为两端封闭的中空管，管长30 m，插管后管顶上方0.8 m的钻孔需封堵密实。待车站主体及B出入口施工完毕后，抽出PE聚乙烯管，同时在钻孔内注入水泥砂浆，将孔回填密实，恢复原地面。

由于减振孔钻孔深度较深，需设置导向墙导向管保证钻孔施工精度，导向墙采用C20素混凝土，截面尺寸为0.8 m×0.8 m。导向墙内预埋内径为φ140 mm的导向管。导向墙大样见图4。

图4 导向墙平面示意图(单位:mm)Fig.4 Plan of guide wall(mm)

2.3 施工注意事项

1)开工前应对坐标进行复核测量，准确放线，校核结构与楼房的关系是否与提供的地形吻合。

2)开挖前详细探明是否存在尚未明确的管线，对影响施工的管线及时和有关部门沟通协商，采取措施，保证管线安全和施工进度。

3)为保证精度，应注意运用测斜仪，进行钻孔偏斜度测量，严格控制打设精度。

4)作好钻机和钻具的选型工作，钻机首先应适合钻孔深度和孔径的要求，钻机要求平稳灵活。

5)减振孔为减小加油站振动的辅助措施，施工单位施工时，除减振孔之外的其他减振措施不得削减;根本上，还需在爆破时优化爆破参数设计、精心施工，避免振动速度较大或速度离散较大，并加强监测等。

6)B出入口暗挖段结构目前考虑仅在拱部设置φ42超前小导管(L=3.5 m，t=3.5 mm，倾角7°～15°，环距0.4 m，纵距1.5 m)。出入口施工时，需严格控制小导管的打设精度，防止与减振孔发生碰撞而对其造成破坏。

3 爆破振动监测方案

3.1 监测目的

通过对受减振孔保护区和非保护区的监测点进行同时监测，对比分析2组监测数据的差异量，从而获得减振孔措施对爆破振速的消减量，验证减振孔措施对降低爆破施工对周边环境影响的有效性和可行性。

3.2 监测实施

3.2.1 监测仪器

采用中科测控TC－4850型振动监测仪进行监测。每台测振仪有3个通道，可同时记录3个测点的单向爆破振动或1个测点的三分量振动，其记录精度为 0.01 cm/s，读数精度为 1‰［15］。

3.2.2 监测点布设

1)监测点分别对称布设在加油站位置(监测点1处，导向墙内侧)和相对位置(监测点2处，与监测点1相对称处)。监测点布设如图5所示。

图5 监测点布设图Fig.5 Layout of monitoring points

2)为保证监测数据具有可比性，监测过程根据爆心的里程与相对于轴线的位置，采用丈量法保证2监测点与爆心的的距离相等，即L1=L2。

3)随着掌子面开挖推进，两侧监测点也相应推进，保证L1在爆心与地下油库的最短连线上。

3.2.3 监测注意事项

1)传感器的测量方向必须准确，安装时应使用水平尺及罗盘，确保三维测量方向准确。

2)传感器必须与被监测物可靠粘结，粘结剂可选择石膏粉、AB胶，也可以选择以夹具或磁座方式，与被测物形成刚性联接。

3)传感器与仪器的连接必须可靠，连接完成后，可轻拽线缆，确认线缆已接好;仪器进入信号等待状态后，轻轻用手指敲击传感器，观察仪器是否记录，以确保传感器及仪器的正常工作。

4 实测结果分析

4.1 实测数据对比

自2014年4月2日起，先后对15次爆破进行了振动监测，采用爆破方式相同、用药量相同，共获得监测数据15组。将15组监测数据中选取振动的峰值速度来评估同等距离下打设减振孔对爆破产生的影响，进而评估减振效果。爆破振速监测数据见表1。加油站爆破振速对比见图6。振速衰减比例见图7。

表1 爆破振速监测数据表Table 1 Blasting vibration velocity monitoring data

由表1、图6和图7可知:

1)采取减振孔措施处，爆破振速均控制在0.5 cm/s，符合设计要求;未采取减振孔措施处，爆破振速大部分超过设计控制值(0.5 cm/s)。

2)通过打设减振孔能使爆破振动速度明显衰减，衰减比例平均约为35.4%，有效降低了振动强度，减少了爆破对周边环境的影响。

图6 加油站爆破振速对比Fig.6 Blasting vibration velocity measured at gas station

图7 振速衰减比例Fig.7 Vibration velocity attenuation ratio

4.2 与其他工程对比分析

对比类似爆破情况下减振孔的应用效果，文献［12］针对强风化板岩和中风化板岩，采用不规则的深孔台阶爆破，孔径90 mm，孔深不同条件为5～6 m，孔距2.0～3.0 m，通过现场测试及分析拟合得到最大减振率为22.4%。与减振孔相比较，文献［13］采用减振沟，即在爆破区和受保护区之间形成一条一定宽度和长度的沟，对地振波造成一定程度的干扰和阻隔，加快地振波衰减，降低其破坏作用。当与爆心距较小时，减振沟的减振率几乎达到50%，减振效果明显。但从减振孔与减振沟的形成条件来看，减振孔的优势是由钻孔成孔，减振孔的施钻对近距离构筑物的影响可以忽略，孔距越小减振效果越好，而且可以根据需要精确设计，工艺相对简单;而由单排孔预裂形成的减振沟，其预裂爆破对近距离的构筑物会造成一定程度的损伤，不适合在加油站等高爆破隐患工程周边应用。因此，本地铁工程根据地质条件和周边实际，采用的深孔减振孔达到了保护高爆破隐患工程的目的。爆破振动减振效果对比见图8。

图8 爆破振动减振效果对比Fig.8 Comparison of blasting vibration damping effect

5 结论与建议

结合青岛某浅埋暗挖车站中岩石爆破对周边加油站的影响，进行了地面减振试验，并布设爆破振动监测点，对减振孔布设前后爆破振动值进行对比，研究得到以下结论:在爆破区和受保护区打一定数量的深大减振孔，减振效果较好，能有效控制爆破振速，爆破振速平均衰减比例约35.4%;减振效果优于长沙地铁采用的无振减振孔;效果虽不及减振沟，但深大减振孔施工工艺简单，在城市爆破开挖施工中，对高风险建(构)筑物的保护有良好效果，具有实用和推广价值。

目前对于高爆炸隐患工程还没有爆破振速控制标准及要求，减振孔需达到的效果也没有定性要求，可在将来的研究中进一步考虑。

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