超近距交叉隧洞弱振动爆破技术及振动特性分析

2016-03-26丁留涛杨成全陈明星杨丕承

中国农村水利水电 2016年5期

丁留涛，杨成全，陈明星，杨丕承

(1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 晋江市供水有限公司，福建晋江 362200)

0 引言

钻孔爆破是岩体开挖施工最重要的手段，也是目前隧洞开挖的主要方式。岩石爆破诱发的爆破地震负面效应，往往会对周围建(构)筑物和设施的安全形成威胁，越来越受到关注和重视。近年来，由于工程建设需要，出现较多隧洞上下近距离交叉布置的情况，存在施工洞对既有洞的振动影响问题，已成为一个得到广泛关注的工程难题和研究热点[1-5]。在福建晋江实施的第二通道引水隧洞工程就存在与既有洞超近距交叉现象，通过现场监控和施工实践，在弱振动爆破控制技术和隧洞振动特性方面取得了一定的经验和认识。

1 隧洞弱振动钻爆施工技术

1.1 工程概况

晋江第二通道引水隧洞是保障福建晋江市及后期台湾金门岛供水安全的重点项目。该引水隧洞全长1 277 m，断面为城门洞型，地处于残丘地貌，主要穿过的地层为黑云母花岗岩，80%围岩为IV级及V级，下穿既有石狮二期引水工程金鸡山隧洞(上洞)。下洞拱顶距离上洞底板仅6.4 m，属于超近距离范围，如图1所示。对于下洞与上洞交叉段及其边缘的下穿爆破施工，必然会引起上洞强烈震动，造成上洞底板、边墙及顶拱的开裂，严重危及上洞的安全。为此，在隧洞交叉段采用了弱振动爆破施工技术，结合爆破振动监测，依据监测信息反馈，调整爆破参数并制定相应的控制措施，既确保了上洞的安全，也实现了下洞的顺利下穿。

图1 两交叉隧洞空间关系示意图Fig.1 Schematic diagram of spatial relationship between two tunnels

1.2 钻爆施工方案

钻爆施工所引起爆破振动，对周围建筑的影响程度主要由振动荷载及特定建筑物抗振特性决定。振动荷载的大小由振幅、持续时间及频率等反映，主要取决于爆破参数、炮孔周边岩体受力状态及地层条件等因素。因此，对于下洞在交叉段的施工，分析隧洞特点并参考相关隧洞钻爆施工技术，尤其是前期上洞开挖经验[6,7]，主要采用的减弱爆破振动施工控制措施为：①将开挖断面进行分部施工，按上下两部分依次分序钻爆，如图2所示。考虑下台阶各炮孔与上洞的距离相对较大，首先进行下部台阶的爆破开挖。②尽量采用多时序微差起爆网路来控制最大单响药量，以减小总体爆破振动能量。③随着断面靠近隧洞交叉段，结合振动监测数据反馈，对开挖循环进尺进行调整，通过循环进尺的减小，控制地震能量向岩层中的传播。

图2 隧洞断面炮孔布置及起爆网路图(单位：m)Fig.2 Diagram of shothole layout and priming circuit

1.3 爆破振动监测

鉴于超近距上洞的存在及振动安全方面的严格要求，为及时掌握每次爆破震动影响程度，在爆破施工过程中采取紧密的爆破振动跟踪监测。针对上洞的结构特点及振动响应分布特征，将振动监测仪器分别布设于上洞底板、边墙底侧等部位，在施工中根据隧洞开挖断面的变动及时调整测点位置，确保涵盖振动响应最强烈的部位。

在施工中，以国家相关规范的建议值[8]为指导，结合类似工程施工经验及相关研究成果，将质点峰值振速[V]=7 cm/s作为爆破振动安全控制标准，即当实测振速接近或大于这一值时，按弱振动方案及时调整相关爆破参数与施工工艺。针对整个爆破施工过程进行动态跟踪，从而掌握隧洞振动响应特点，并对其振动安全作出评定。

2 爆破振动响应及特性分析

2.1 爆破振动响应

由于下洞爆源处和上洞测点位置之间所具有的特殊空间关系，爆破质点振动速度的衰减规律与自由场情况下差别较大。通过分析现场实测的爆破振动监测数据，由下洞爆破在上洞各特征处的爆破振动响应有如下特点：

(1)隧洞开挖断面距离交叉部位较远时，在金鸡山隧洞边墙及底板测得的各方向质点振速基本相同。如对距离隧洞交叉中心40 m处断面所进行下台阶爆破振动监测，得到水平径向、水平切向、竖直向振速分别为2.45、1.94、2.94 cm/s，主振频率分别为146、145、105 Hz。各方向最大振速均出现在第一起爆段，即振动峰值振速由掏槽孔段炮孔爆破引起。掏槽孔引起的爆破振动量稍微大于其他段别，但并未明显抬升，如图3所示。爆破产生的主振动频率为100～150 Hz，明显高于露天深孔爆破振动频率[9]。

图3 非交叉段断面爆破振动波形Fig.3 Vibration waveform outside cross section

(2)在隧洞开挖至交叉段边缘时，下台阶爆破采用斜孔掏槽，孔深为1.0 m，最大单响药量2.4 kg。在上洞底板迎爆侧测得3个方向质点振速分别为2.22、2.47、4.61 cm/s，主振频率分别为321、215、159 Hz。水平径向最大振速出现在第9起爆段，而另外两个方向的最大振速则出现在掏槽段，且前者最大振速持续时间明显大于后二者。更多的监测数据显示：随着开挖断面靠近交叉段中心区域，竖直向振速可达另二向振速的2～5倍，相对振动明显增强。爆破主振频率均呈现随振速增大而减小、爆心距减小而增大的特征。

(3)上台阶爆破时，孔深为1.0 m，最大单响药量1.8 kg，分9段微差起爆。在上洞底板与掏槽孔中心部位之间距离为8.4 m，至周边孔拱顶部位约为6.7 m时，监测结果显示，竖直向振速为12.29 cm/s，远超出控制标准，而水平径向及水平切向振速较小，如图4所示。竖直向振速约为水平切向振速7倍，为水平径向振速的3.6倍。对比各分段可知，由掏槽孔引起振速均明显高于其他段位。显然，只有通过更多的分段起爆及严格控制掏槽孔最大单响药量才可能将振动量控制下来。

图4 交叉段爆破振动典型波形Fig.4 Typical blasting vibration waveform in cross section

2.2 上洞爆破振动特性分析

分析爆破振动响应特点，上洞的质点振动特性与下洞开挖断面位置、爆破参数及工艺等有显著的关系。

(1)对比远区开挖断面及交叉段边缘爆破上洞振动响应可知，随着开挖断面逼近交叉中心，竖直向振速与另二向振速相差幅度逐渐增大，到交叉段边缘处上台阶爆破形成的这一现象更为明显，其主要原因在于上洞开挖后在山体内部形成了复杂的自由边界。当下部震动波传至隧洞边界时，入射角度逐渐变小，竖直向分量增大，其他方向分量明显减小[10]。而且，波在自由边界处的反射作用往往会加强相应区域的振动量[11]，尤其在底板下部爆破时震动波垂直入射所造成的反射作用更为明显，极易造成抗拉强度相对较弱的混凝土或岩石等材料的拉伸破坏，特别是对混凝土与岩石的结合部位破坏作用更为突出。

(2)对于相同的开挖断面，上、下台阶最大单响药量分别为1.8、2.4 kg，二者与上部隧洞底板距离分别为11.5、8.4 m，上台阶爆破引起的峰值振速远大于下台阶。可知，对于弱振动钻爆施工，在爆破近区振速受爆心距影响较大。分析远、近断面爆破振动实测数据，弱振动爆破开挖引起的地震波在爆源近区衰减较快，而在远处(爆心距大于15 m)相对较慢。在各向振速中，竖直向振速随距离减小增加较快。在上台阶爆破施工初期，就因为未掌握此规律并相应调整最大单响药量，出现过超标振速的情况。

(3)实测数据表明，主振频率随着最大振速增大而减小，但两者之间并没有必然的联系，主振频率主要与最大单响药量及爆心距等因素有关[12]，而且有随着爆心距增大呈现逐步减小的趋势。考虑到一般结构体固有频率远小于爆破主振频率，因此不会出现结构体共振现象。此外，分析各测次数据，在峰值持续时间方面，最大振速出现在中、后起爆段时较掏槽段更长，相同振速情况下带来的影响更大。

3 爆破施工方案优化

由于隧洞交叉段中心区域的上洞爆破振动安全问题突出，加上已开挖区域存在的空洞效应[13]，对钻爆施工的振动控制增加了难度。随着监测数据的反馈和对上洞振动响应及特性的了解，围绕如何将振动速度有效控制在安全允许范围内做了大量工作，为下洞爆破施工方案的优化提供了科学的依据。

(1)改善掏槽孔布孔及起爆方式。由监测成果可知，爆破振动强度主要受掏槽孔爆破的影响，掏槽孔爆破时仅一个临空面，岩石夹制作用明显，控制掏槽孔的爆破振动强度是关键。通过对爆破振动特性分析，将掏槽孔分成多段，进行微差起爆，对最大单响药量进行控制，如图5所示。此外，相关研究[14]表明对于掏槽孔在孔外分段基础上再进行孔内分段，由孔口向孔底依次起爆，可进一步分散爆破振动能量。同时，在掏槽孔间钻打辅助空孔以增加岩体膨胀空间，既有利于岩体破碎，还能减弱爆破振动强度。利用黏土等材料对炮孔进行适当堵塞，能够有效避免爆生气体过早逸出而岩体破碎不完全，造成高段位炮孔周边岩石夹制作用增大。

图5 隧洞断面优化分区开挖图(单位：m)Fig.5 Diagram of optimizing divisional excavation in tunnel section

(2)调整开挖断面单循环进尺。随着开挖断面逼近交叉段中心，上洞振动愈加强烈，对开挖进尺进行调整是控制爆破振动较为有效的措施。根据上洞相同地质条件下不同循环进尺实测数据，如表1所示，在采用相同炸药单耗的情况下将开挖进尺由1.5 m减少为1.2、1.0、0.8 m时，各峰值振速相对减小15%～30%、34%～51%、47%～61%，减振效果明显。为满足上洞振动安全要求，可将下洞的进尺由1.5 m调整为1.2、1.0 m等较小进尺。但进尺减小会导致施工效率降低、工期延长，以及钻爆施工成本增加。而且实测数据显示，单循环进尺越小，峰值振速随进尺缩短而减小比例明显下降。因此，在确保上洞安全的前提下，尚需依据进度要求和振动监测等方面对单循环进尺进行动态调整，确保钻爆施工技术的科学性。

表1 不同钻爆方案下实测峰值振速 cm/s

(3)控制开挖断面分区，合理选择起爆顺序。由表1及数值模拟[15]可知，随着断面分区增加，相应峰值振速明显减小。当断面分为两个台阶不能满足振动控制要求时，可将其分为上、中、下3部分如图5所示或更多进行爆破开挖。鉴于振动控制要求及现场施工的便捷性，对于3个及以上分区的断面，按照先中下部台阶，后上部台阶的爆破顺序，并随着断面与交叉中心之间距离改变，及时调整分区数。