改扩建隧道衬砌振速控制值的确定和爆破参数优化的方法

夏才初　刘志方　单光炎　沈世伟　刘宇鹏

(1.绍兴文理学院　土木工程学院，浙江　绍兴312000；2.同济大学　岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；3.浙江省交通工程建设集团有限公司　二分公司，浙江　杭州310000)



改扩建隧道衬砌振速控制值的确定和爆破参数优化的方法

夏才初1, 2刘志方2单光炎3沈世伟2刘宇鹏2

(1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；3.浙江省交通工程建设集团有限公司二分公司，浙江杭州310000)

摘要：通过现场试验和理论分析研究交通管制对隧道改扩建工程爆破施工进度与交通运营的影响.通过现场监测、数值模拟和理论分析对确定既有隧道衬砌振速控制值的方法进行分析.基于既有隧道衬砌振速控制值对新建隧道爆破参数的优化方法进行分析.对新岭隧道扩建工程的爆破施工关键技术研究表明：(1)改扩建隧道爆破施工时，为了保证爆破施工进度和高速公路的正常营运，既有隧道应采取不实行交通管制的措施；(2)可根据既有隧道的动态监测、健康诊断以及隧道改扩建工程数值模拟来确定既有隧道的爆破振速控制值；(3)提出了基于新建隧道爆破效果与既有隧道安全运营的双目标爆破施工控制措施，给出了基于爆破振速控制值优化新建隧道爆破参数的方法.

关键词：隧道改扩建;爆破施工;交通管制;振速控制值;爆破参数优化

为了避免爆破振动对周围设施及人员造成危害，通过设立相应的安全标准来控制爆破振动的危害.大量的现场试验和观测表明，爆破振动破坏程度与质点峰值振速相关性较好，且当装药量、爆心距、最小抵抗线等相同时振速较其他物理量与岩石性质有较稳定关系，此外，采用质点振速作为安全判据能使爆炸地震波所携带的能量与所产生的地应力相联系，并能和结构中产生的动能和内应力建立联系[1].

Hulshizer和Worsey等[2-3]通过数值模拟和试验对临近地下工程及其衬砌的爆破振动安全判据进行研究，根据衬砌的龄期给出了相应安全判别标准的推荐值.陈明等[4]推导了Rayleigh面波作用下新浇筑大坝基础混凝土安全振速计算的理论公式，并定量分析了影响爆破振动控制标准的主要因素.李云鹏等[5]利用数值模拟手段，研究了地下构筑物的质点振速、衬砌结构最大主应力的时间历程与空间传播等问题.我国的《爆破安全规程》[6]将爆破地震波的频带划分为若干段，提出了各频率范围中的允许振动速度，交通隧道的最小安全振速值为10cm/s.

受爆破施工进度与交通运营的制约，隧道改扩建爆破施工时，既有隧道采取不实行交通管制的措施.基于既有隧道不实行交通管制的安全运营考虑，通常将隧道的爆破振速控制值降低.受此要求限制，导致改扩建隧道施工进度减缓.因此，应对既有隧道衬砌振速的合理控制值进行研究.基于爆破振速控制值对改扩建隧道的爆破参数进行优化，以保障爆破施工进度.

Carlsson等[7]利用摄影和图像分析技术来优化爆破设计.Singh等[8]采用多元统计方法和主成分分析方法研究影响爆破块度的主要因素.Shim等[9]基于岩石因素的三维分布对大型采石场进行了爆破优化.潭章禄等[10]利用BP神经网络，通过构造评价函数，建立了基于ANN模型的爆破参数优化模型.付少君等[11]利用多目标多参数的模糊优化的方法，建立了符合工程要求和尽可能降低爆破成本的爆破参数优化模型.现阶段的爆破参数优化主要集中于矿山爆破和基于爆破块度等爆破效果进行的爆破参数优化.基于周围环境和建筑物影响的爆破参数优化较少，这正制约着钻爆法在山岭隧道施工中的进度，因此，有必要在满足既有隧道衬砌振速控制值前提下，对改扩建隧道爆破参数的优化进行研究，以保证钻爆法的施工进度.

本文依托新岭隧道扩建工程项目，对既有隧道衬砌合理爆破振速控制值的确定方法和基于振速控制值对新建隧道爆破参数优化的方法进行介绍.

1新岭隧道扩建工程概况和施工交通组织

1.1工程概况

图1　新建隧道与既有隧道位置关系示意图

新岭隧道位于浙江省杭金衢高速公路次坞出口以南3.6公里的萧山与诸暨交界处的直埠镇.为解决近年来由于杭金衢高速公路车流量显著增加而导致新岭隧道交通拥堵的问题，在新岭隧道两侧各新建一座三车道隧道.新建隧道与既有隧道在纵向上为平行关系，净距控制在20～40m之间.左右两侧的新建隧道和既有隧道之间各有3条横通道，其中各有两条人形横通道和一条车行横通道，平面位置关系见图1.新岭隧道扩建工程采用钻爆法开挖.为保证既有隧道正常安全运营，通过监测既有隧道衬砌表面的爆破振速变化来指导扩建工程的施工.采取一炮一封一监测，既有隧道衬砌表面的爆破振速控制值为10cm/s.

1.2爆破施工的交通组织方案

保证既有隧道的交通正常运营是隧道改扩建工程的关键技术之一.新建隧道爆破施工不可避免地会对邻近既有隧道造成扰动等影响，因此隧道爆破施工时会采取现场交通管制，即封闭既有隧道的交通.

实行交通管制的交通组织方案每天需由施工项目部向相关单位上报次日准确爆破计划，而隧道为地下工程，其施工不可控因素较多，因此爆破准确时间点无法把握.如非要按计划准点爆破，将会出现停工等待爆破或因赶不上爆破点而停工一天的局面.

新岭隧道扩建工程前期爆破施工时采用交通管制时，各次爆破从实施卡口到解除交通管制最短时间为6分钟，最长时间为13分钟，以10分钟左右居多；从解除交通管制到交通恢复正常最短时间为4分钟，最长时间为42分钟，以20～30分钟居多，单次交通管制对既有高速正常营运的影响时间约30分钟左右.

按照《实施性施工组织设计》安排，新建隧道安排四个工作面(洞口)同时施工.每个工作面进入正常循环作业后每天的爆破次数将不少于2次.每个洞口的围岩状况和施工工艺可能不同，将会造成四个洞口施工进度无法一致，很难达到在同一时段爆破.如按每天8次交通管制考虑，则影响时间累计到240分钟，这还不包括8次爆破中可能还需要补炮.

新岭隧道普通情况下日均流量就已超5万辆，如果每天再有超过4个小时以上的时间不能正常通行，很可能将造成交通瘫痪.作为浙江省内的交通要道，新岭隧道的交通瘫痪将对当地的经济效益造成难以估量的损失，同时也会引起巨大的负面社会效益.

鉴于上述情况，新岭隧道扩建工程爆破时组织方案调整为不实行交通管制.

不实行交通管制时，V级围岩振速控制值为3.5cm/s，IV级围岩振速控制值为4cm/s，III级围振速控制值为5cm/s.但在此方案下，在IV和III级围岩区段时，既有隧道衬砌峰值振速监测值屡次超出上述控制值，受此影响将会减缓目前的施工进度.

2改扩建隧道衬砌爆破振速控制值的确定方法

2.1根据既有隧道动态监测确定爆破振速控制值

隧道改扩建爆破施工时，对邻近既有隧道进行实时动态监测，并及时反馈监测过程中出现的危及既有隧道安全运营的异常情况.统计和分析这些异常情况所对应断面的峰值爆破振速.根据统计分析的结果确定既有隧道衬砌的爆破振速控制值.

新岭隧道扩建工程爆破施工时，对既有隧道进行实时动态监测的内容包括如下：

(1)既有隧道洞内观测：既有隧道二次衬砌表面的观测及裂缝状况的描述和记录，掌握裂缝开展情况，有无延展、错台、掉块等；有无新生裂缝；隧道内风机、灯具等机电设备有无松动和掉落现象.

(2)既有隧道重点裂缝监测：已有重点裂缝监测；新出现的裂缝监测.

(3)既有隧道振速监测：在爆破掌子面对应既有隧道断面前后共3～5个断面上，布设爆破振速测振仪，爆破完成后自动记录三维空间方向上的爆破振动速度.

新岭隧道扩建工程的每个爆破循环都对既有隧道衬砌表面开展峰值振速监测，监测点布置如图2所示.在既有隧道中，新建隧道掌子面对应位置前后约20m范围内，分别布设3～5处振速监测点.同样横通道开挖施工时沿横通道的掘进方向的中轴线约20m范围内，分别布设3～5处振速监测点.具体的位置是在隧道迎爆侧拱腰处.

图2　既有隧道监测点布置示意图

新岭隧道扩建工程动态监测过程中出现的危及既有隧道安全运营的异常情况包括既有隧道内粉渣掉落和瓷砖脱落.粉渣掉落会导致隧道的能见度降低，进而引起车速变化，容易引发交通事故.瓷砖从高处脱落容易溅飞到行车道上，由于瓷砖碎块坚硬锋利，加之隧道内的光线相对昏暗，不易被发现，高速行驶的汽车在碾压到瓷砖时，很容易发生爆胎抛锚，引发交通事故.

根据对粉渣掉落和瓷砖脱落所对断面的峰值爆破振速进行统计分析可得：既有隧道衬砌振速控制值为10cm/s.

2.2根据数值计算确定爆破振速控制值

采用有限元软件对改扩建隧道工程的爆破过程进行数值模拟.以衬砌应力作为控制指标，将衬砌的抗拉(压)设计值作为既有隧道运营安全的控制标准.因此可将数值计算的主拉(压)应力达到衬砌抗拉(压)强度设计值时所对应的衬砌表面峰值振速作为爆破振速的控制值.

新岭隧道扩建工程的开挖方式是根据围岩等级而采用不同的开挖方法，既有隧道的结构形式也是根据围岩的等级进行设计，因此根据围岩的等级对新建新岭隧道数值模型的计算工况进行分类，然后选取每种工况下具有代表性的断面进行建模计算.

采用Ansys-ls/dyna数值软件对新岭隧道扩建工程的数值工况进行计算.根据既有隧道动态监测确定的振速控制值为10cm/s，因此，可对峰值振速为10cm/s所对应的衬砌主(拉)应力进行分析.

根据对数值计算结果分析可知，当峰值振速为10cm/s时，衬砌的主拉(压)应力均小于衬砌抗拉(压)强度设计值，因此，既有隧道衬砌的振速控制值为10cm/s.

2.3根据既有隧道健康诊断确定既有隧道衬砌爆破振速控制值

为保证既有隧道的安全运营，应对隧道进行定期的深度健康状况检测，及时发现安全隐患，采取有效预防和整治措施.在改扩建工程爆破施工前应对既有隧道进行健康检测一次.对健康检测中出现的问题进行重点动态监测.

根据既有隧道健康监测的结果对既有隧道进行健康等级划分.对不同健康等级所对应的爆破振速进行统计分析.以此确定既有隧道衬砌的爆破振速控制值.

新岭隧道扩建工程施工过程中共对既有隧道进行了两次健康检测.健康监测的主要内容包括：裂缝长度、宽度及深度；灯具、风机等机电设施；衬砌厚度及脱空检测等.

在新岭既有隧道第一次健康诊断中，既有隧道内存在衬砌裂缝、机电设施故障和二衬背后脱空区的情况.在第二次健康诊断中出现了新增衬砌裂缝、新增机电设施故障和已有衬砌裂缝发生变化的情况.结合既有隧道的动态监测情况，分析上述健康诊断中出现的异常情况是否由爆破振动造成.对上述由爆破振动引起异常情况的断面所对应的峰值振速进行统计分析，由此确定既有隧道衬砌的爆破振速控制值.

按上述方法分析可知，当既有隧道衬砌无裂缝时，隧道衬砌表面的峰值爆破振速控制值为10cm/s；当既有隧道衬砌裂缝等级不差于1A[12]时，隧道衬砌表面的爆破振速控制值为5cm/s；当既有隧道衬砌裂缝等级差于1A时，爆破施工时，应当封闭既有隧道交通，维修之后才可继续通车.

3隧道改扩建工程爆破参数的优化方法

隧道开挖过程中的爆破参数应首先根据围岩的级别进行确定.对于软弱围岩，开挖后围岩的自稳能力差，爆破掘进稍有不当，就可能造成大面积的失稳坍方，给施工质量、施工进度和造价带来很大的损失.对于坚硬完整的围岩，由于围岩的自稳能力较强，爆破参数主要取决于施工进度要求、开挖断面大小等[13].所以要针对不同的围岩，选择不同的爆破参数.

3.1双目标爆破施工控制措施

对于控制爆破施工，还应根据工程要求和爆破环境、规模、对象等特定条件，优化爆破参数，对爆区内敏感构筑物采用各种施工与防护等技术措施，严格地控制爆炸能的释放过程和介质破碎过程，既要达到预期的爆破破碎效果，又要将爆破范围内的危害控制在规定的限度之内.此时，爆破工程的目的不仅局限于取得良好的爆破效果，同时要保证爆区内需要保护的构筑物的安全.

新岭隧道扩建工程将控制爆破的基本理念引入新建隧道的爆破参数中，达到既要保持在建隧道较快的施工进度，又要确保既有隧道正常运营的双重目的.基于此，提出“双目标爆破”概念，即新建隧道的爆破设计不再只考虑对岩体的爆破效果上，还必须兼顾爆破对既有隧道的振动控制在允许范围之内.双目标爆破施工控制措施：

(1)保证新建隧道爆破效果

1)周边孔应严格控制外插量，以保证爆破后不产生欠挖，同时避免补炮施工对新建隧道施工速度的影响；

2)周边孔间距应小于周边孔与最外侧辅助孔的垂直距离，以保证炮眼密集系数小于1，提高隧道光爆效果.

新岭隧道扩建工程的周边孔开孔位置在设计轮廓线以内5～10cm，孔底位置落在设计轮廓线以外5～10cm，使之形成大约2-3°的外插角，如图3所示.

图3　周边孔内插示意图

为保证隧道的光面爆破效果，应尽量避免周边孔爆破对周围岩体的扰动，因此周边孔应采取小药量间隔装药结构，如图4所示.

图4

注：图中1为炸药；2为雷管；3为空气或水；4为导爆索；5为炮泥.

最外层辅助孔与周边孔距离比相应的周边孔间距稍大.Ⅳ级围岩上台阶开挖时约为0.5～0.6m，Ⅲ级围岩全断面开挖时为0.6～0.7m，保证炮眼密集系数控制在0.8～1.0之间.

(2)保证既有隧道振速的控制方法

1)连接起爆网络时，尽量增加雷管区段数，以避免一次爆破药量过大引起既有隧道超限振动；

2)掏槽孔应采取复合式掏槽，同时在保证爆破能量的前提下，尽量减小掏槽孔单孔装药量；

3)每个爆破孔都应采取不耦合装药结构，同时在炮孔内充填耦合剂，以降低炸药对围岩的振动.

新岭隧道扩建工程爆破中掏槽孔装药量最大，对既有隧道衬砌振动速度的影响也最大.可通过降低掏槽孔单响药量来减小既有隧道衬砌振速.将掏槽孔的形式由单段雷管同时起爆优化为复合式掏槽分步起爆，以此增加雷管段数，并减小单响药量.掏槽孔优化布设形式如图5所示.

图5　掏槽孔布孔优化形式示意图

掏槽孔采用连续装药、孔底起爆、孔口炮泥堵塞的装药结构，如图6所示.

图6　掏槽孔装药结构优化形式示意图

注：图中1为炸药；2为雷管；3为空气或水；4为导爆索；5为炮泥.

3.2爆破振速衰减规律的研究

爆破振动衰减规律是有效控制爆破振动危害的前提，同时也是爆破参数设计的理论依据.通过对现场监测的爆破振速等数据进行理论分析和爆破数值模拟，获得爆破振速的衰减规律.根据爆破振速衰减规律对爆破参数的优化提供指导.

按照爆破振速衰减快慢的程度对新岭隧道扩建工程监测的数据进行分类，然后根据萨道夫斯基公式对各类数据进行最小二乘法回归，以此获得爆破振速的衰减公式.

根据上述数值计算结果分析隧道整个断面的衬砌峰值振速，补充现场仅对迎爆侧单一位置监测的数据，进而对隧道整个断面衬砌峰值振动速度的衰减规律进行研究.

3.3爆破参数的优化

通过理论分析和数值模拟研究爆破参数对于既有隧道衬砌振速影响的规律.在满足爆破参数设计原则情况下，根据爆破参数对衬砌振速影响的规律对相应的爆破参数进行优化.

新岭隧道扩建工程采用萨道夫斯基公式作为爆破振速衰减规律的表达式，既有隧道衬砌质点振速由爆破药量和爆心距决定.因此，可根据上述的爆破振速衰减规律和爆破振速控制可对爆破药量进行优化，避免出现振速超过控制值和振速过小而导致过分保守使得施工进度减缓的情况.

基于有限元数值模拟采用单一变量控制法模拟炮孔数量、单循环进尺和微差起爆时差对爆破振速衰减规律的影响.根据影响程度对上述的爆破参数进行优化研究，基于振速控制值确定爆破参数的优化方案.采用数值计算模拟优化方案的可行性.

新岭隧道扩建工程各级围岩爆破参数的优化方案如下：

(1)Ⅲ级围岩全断面开挖炮孔设计图如图7所示，各炮孔药量一览表如表1所示.

图7　Ⅲ级围岩全断面开挖炮孔优化设计

表1Ⅲ级围岩全断面开挖爆破药量汇总表

雷管段数炮孔数量单孔药卷数量一层二层三层四层一层二层三层四层分段药量(kg)3-44--1212-19.25-66--1515-36.07466-101010-32.097663888835.211146--97--33.6136449666627.61586619444431.2总药量(kg)214.8单响最大药量(kg)36.0单循环进尺(m)3.0

(2)Ⅳ级围岩上台阶开挖炮孔设计图如图8所示，各炮孔药量一览表如表2所示.

图8　Ⅳ级围岩上台阶开挖炮孔优化设计

表2Ⅳ级围岩上台阶开挖爆破药量汇总表

雷管段数炮孔数量单孔药卷数量一层二层三层一层二层三层分段药量(kg)344-1010-16.0566-1212-28.8744-99-14.494637-79.81113--8--20.81364955519.015861933319.8总药量(kg)128.6单响最大药量(kg)28.8单循环进尺(m)2.0

4结论

(1)改扩建隧道爆破施工时，为了保证爆破施工进度和高速公路的正常营运，既有隧道应采取不实行交通管制.

(2)可根据既有隧道的动态监测、健康诊断以及隧道改扩建工程数值模拟来确定既有隧道的爆破振速控制值.

(3)提出基于新建隧道爆破效果与既有隧道安全运营的双目标爆破施工控制措施.给出了基于爆破振速控制值优化新建隧道爆破参数的方法.

致谢：本文新岭隧道扩建工程的交通组织方案的测试数据由浙江省交通工程建设集团有限公司提供，在此表示诚挚的感谢！

参考文献:

[1]赵京林,李永刚.爆破振动的危害性及防治措施[J].现代矿业,2010,26(2):40-42.

[2]Hulshizer, Allen J. Acceptable shock and vibration limits for freshly placed and maturing concrete[J]. ACI Materials Journal, 1996, 93(6): 524-533.

[3]Worsey P, Giltner S G, Drechsler T, et al. Formulation of production blasting criteria for the construction of a lime plant at a major crushed stone operation[J]. Fragblast, 1998, 2(2): 181-194.

[4]陈明,卢文波.新浇大坝基础混凝土爆破安全震动速度研究[J].武汉大学学报(工学版),2004,37(1):6-10.

[5]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):75-81.

[6]GB6722-2014,爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社,2014.

[7]Carlsson O, Nyberg L. A method for estimation of fragmentation size distribution with automatic image processing[C]//Proceedings of the First International Symposium on Rock Fragmentation by Blasting-Fragblast. 1983: 333-345.

[8]Singh A, Scoble M, Lizotte Y, et al. Characterization of underground rock fragmentation[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 1991, 9(2): 93-107.

[9]Shim H J, Ryu D W, Chung S K, et al. Optimized blasting design for large-scale quarrying based on a 3-d spatial distribution of rock factor[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2009, 46(2): 326-332.

[10]谭章禄,桑卉.基于ANN的矿业组合优化方法研究与应用[J].中国矿业,1999(6):83-86.

[11]付少君,王常红，张辛穗.FMODM法在梯段爆破参数优化中的应用研究[J].武汉水利电力大学(宜昌)学报,1999(4):302-305.

[12]JTGH12-2015,公路隧道养护技术规范[S].北京:人民交通出版社,2015.

[13]黄福波.不同围岩条件下隧道施工的合理循环进尺研究与实践[J].安徽建筑,2006,13(1):38-39+44.

(责任编辑鲁越青)

Methods of Determining Control Value of Vibration Velocity and Optimization of Blasting Parameters during Reconstruction of Tunnel Lining

Xia Caichu1, 2Liu Zhifang2Shan Guangyan3Shen Shiwei2Liu Yupeng2

(1. School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092;3. Second Branch, Zhejiang Transportation Engineering Construction Group Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310000)

Abstract：Based on field test and theoretical analysis, the effects of traffic control on blasting construction process and traffic operation during the reconstruction of tunnel were studied. The method of determining the control value of vibration velocity of the existing tunnel was analyzed by field test, numerical simulation and theoretical analysis, and then the optimization method of blasting parameters of a new tunnel was analyzed based on the control value of vibration velocity of the existing tunnel. The research of key technology of blasting construction shows that (1) measures should be taken to free the existing tunnel from traffic control in order to make sure the blasting construction process and normal operation of the highway during the blasting construction of tunnel reconstruction; (2) the control value of vibration velocity of the existing tunnel can be determined by dynamic monitoring, health diagnosis of the existing tunnel and numerical simulation of tunnel reconstruction; (3) control measures of double objectives concerning the blasting effect of the new tunnel and normal operation of the existing tunnel are proposed and the optimization method of blasting parameters of new tunnel based on the control value of vibration velocity is given.

Key words：tunnel reconstruction; blasting construction; traffic control; control value of vibration velocity; optimization of blasting parameters

收稿日期：2016-04-14

作者简介：夏才初(1963-)，男，浙江杭州人，教授，博士，主要研究方向：岩石力学、隧道与地下建筑工程。

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.07.01

中图分类号：TU47

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2016)07-0001-07