月亮山隧道爆破减震试验研究

张维明，肖　柳,卜俊锐,于大伟,陈姿霖,陈先锋

(1.中铁十一局集团 第三工程有限公司，十堰 442012;2.武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 430070)



月亮山隧道爆破减震试验研究

张维明1，肖柳2,卜俊锐1,于大伟2,陈姿霖2,陈先锋2

(1.中铁十一局集团 第三工程有限公司，十堰 442012;2.武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 430070)

摘要:黄石月亮山隧道是典型的城市浅埋大跨度隧道。为了控制隧道开挖中的爆破震动效应，减少下穿隧道对居民区、房屋建筑结构的影响，在隧道掏槽爆破过程中，采取电子雷管逐孔孔间微差起爆技术进行爆破作业。考虑到微差时间对爆破震动和爆破效果的影响，分别选取5 ms、6 ms、7 ms、8 ms和10 ms逐孔微差时间进行试验，得出不同孔间微差时间下爆破效果，进而优选方案。结合震速、震动频率和爆破效果的优选结果表明:选取孔间微差时间为7 ms时，测点最大震动速度小于1.5 cm/s，控制在震动安全标准之内；最低震动频率高于30 Hz，与房屋结构发生共振几率较小；且岩石破碎效果较好。

关键词:隧道掘进；电子雷管；逐孔爆破；微差时间；减震效果

钻爆法是中国目前应用最广、最成熟的隧道开挖方法，它具有施工快，适应能力强，施工成本低廉的优点，但是，在钻爆施工过程中产生的爆破地震效应会对围岩以及周围的建(构)筑物造成不同程度的影响，特别是在城市隧道爆破过程中，隧道穿过闹市、居民区，爆破震动会对居民的生活和安全造成隐患。爆破震动危害控制的方法大致有三种[1，2]:一是针对爆源所采取的控制措施;二是针对受控对象所采取的措施;三是针对爆破地震波在传播过程中所采取的措施。目前使用和研究的重点是控制爆源降震，干扰降震法、控制最大段药量、改变爆破参数等方法。非电导爆管分段毫秒爆破过程中，从监测的波形图可以看出，掏槽孔爆破震动引起的地表震动最强烈，这是因为掏槽孔的轴线与爆破自由面的夹角较大,使岩体爆破的夹制作用增大[3]。掏槽孔爆破的震动效应控制是降低或消除浅埋隧道爆破震害的关键,研究其地表震动的变化特征尤为重要。毫秒延时雷管时间控制精度很不足,常用的前15段雷管延时误差范围在10～120 ms，要达到理想的微差干扰降震目的，雷管的时间精度误差应该控制在1 ms以内，这便需要具有依靠高精度延时控制技术的数码电子雷管[4]。在采取降震措施时可采用电子雷管单孔连续起爆技术，与非电雷管爆破相比，爆破震动降低非常明显，采用隧道电子雷管单孔连续起爆时，掏槽眼间的延时间隔时间对降振效果和爆破进尺至关重要。如何合理的控制微差延期时间是微差爆破技术研究的核心和焦点[5]。叶海旺等在数码雷管减震爆破试验中[6]，分析了孔间、排间微差时间产生的不同爆破效果，张志呈等也对逐孔爆破微差时间做了研究[7]。沈晓松研究了微差时间对爆破块度的影响。微差时间间隔过短可能会出现效果不明显或分段震波出现叠加，增强震动效应；时间间隔过长，可能影响岩石破碎效果。

在黄石月亮山浅埋隧道爆破掘进过程中，掏槽爆破采用逐孔微差起爆。考虑到孔间微差时间可能对爆破震速、频率以及爆破效果产生影响，进行了电子雷管减震试验，选取不同的微差时间对电子雷管逐孔微差爆破效果进行比较，选取一定范围内最为理想的微差时间，在后续爆破施工中实现了较好的爆破效果，且爆破震动效应控制在安全标准范围内。

1试验背景

1.1工程概况

黄石市月亮山隧道工程位于黄石市老城区端，该工程为分离式隧道设计，两洞间距11.5～33 m。左线隧道起讫桩号ZK3+585～ZK6+700，全长3115 m；右线隧道起讫桩号ZK3+585～ZK6+701，全长3116 m。隧洞围岩构造及岩层走向复杂、稳定性差，且属于典型浅埋隧道(地表最小垂直距离为20 m，最小水平距离为23 m)。隧道北端围岩主要为中风化灰岩，少量中风化泥灰岩，岩体较破碎，自稳能力较差。跨度大，存在Ⅴ级围岩的净宽为13.5 m的三车道和Ⅳ级围岩净宽为5.75 m的双车道隧道，隧道穿越多个居民区。

隧道下穿居民区，房屋建筑年限较长，且大多为砖混结构，故要求所测得测点的最大震动速度不能超过1.5 cm/s。

1.2开挖方案

月亮山隧道北端暗洞洞口部位，为小净距Ⅴ级较差围岩段，开挖方式主要采用上台阶开挖法。

隧道开挖采用光面爆破，选取Ⅴ级围岩净宽为13.5 m隧道断面掏槽爆破时，减震电子雷管试验进行研究。采用斜眼掏槽，循环进尺为2 m，炮孔孔径为42 mm，药卷直径32 mm的岩石膨化炸药。

电子雷管逐孔微差爆破时，共36个炮孔。炮孔对称排布，采用连续装药，炮孔堵塞长度30 cm,掏槽孔爆破从内圈炮孔向外圈延伸。试验采用逐孔起爆，实施了5种不同的微差延时方案，分别为5 ms、6 ms、7 ms、8 ms和10 ms。电子雷管逐孔微差爆破炮孔布置及参数见图1(注：数字表示起爆顺序)。

2减震试验

2.1试验方案

爆破掌子面的电子雷管延时顺序见图1。电子雷管爆破试验主要采取逐孔起爆方法，孔间时差分别设置为5 ms、6 ms、7 ms、8 ms、10 ms，每次爆破试验的总药量为56 kg，单响最大药量为1.6 kg，相同微差时间各进行3组测试。每次试验前在测点位置提前布设传感器，记录爆破震动数据，根据震动监测结果分析以及每次试验后的爆破效果，最终确认最佳孔间时差，从而实现爆破效果优化。

2.2测点布设

从掘进掌子面的正上方地表，沿隧道掘进方向敷设2个测点(间隔20 m),考虑到隧道的空洞放大效应,在隧道掘进的反方向也布置2个测点，同时垂直于隧道的方向沿着掌子面也布置两个点。测点布设图见图2。

3不同微差时间爆破震动监测及波形分析

对数据分析时发现，相同微差时间进行的3次爆破试验中对应的各测点的震动数据相差不大，比较3组数据，选取爆破震动最大值处测点的震速、频率和波形图作为参考数据。不同微差时间时震动数值的选取均以相同的方法进行，监测数据见表1。同时获取不同微差时间时最大震速时的波形图(见图3)。

表1　不同孔间微差下的震动数据

结合波形图和掌子面测点监测数据来看，孔间微差时间为5 ms时，震源位置(掌子面)正上方震动峰值达到4 cm/s，房屋结构震感强烈，其它测点震动值较小，垂直方向频率较低，爆破效果较好；但震源正上部震动仍偏大，远远超过安全标准。波形图中，后半段震速明显增加，降震效果不好可能是因为单孔产生的地震波的主震相叠加，使地表质点速度幅值变大。爆破后掏槽效果欠佳，岩体破碎效果不好，挖掘清渣困难，可能的原因是孔间微差较小，自由面未充分形成时，临近炮孔即被引爆。

采用孔间微差6 ms电子雷管起爆时，爆破震动峰值较微差时间为5 ms时降低约42%左右，且只有掌子面正上方处震动值略偏大，其他测点震动均较小，震动控制较好，但是径向和切向震动频率均在10 Hz左右，与房屋极易发生共振，破坏房屋结构。从波形图看，0.1 s左右出现震速叠加。且爆破后掏槽效果欠佳，岩体破碎效果不好，挖土机清渣困难，分析因为是孔间微差偏小，自由面未完全形成的时候，临近炮孔起爆。

孔间微差为7 ms的电子雷管起爆，爆破震动峰值有明显降低，且掌子面正上方处震动值为1.33 cm/s，降低了约70%，波形图出现削波现象，其他测点震动均较小完全符合《爆破安全规程》中普通房屋安全振速应小于1.5 cm/s的规定，震动控制较好；震动频率均大于30 Hz，出现共振几率不大，故共振对结构破坏的可能性不大；本微差实验中，大块率较低，破碎效果很好。

孔间微差为8 ms的电子雷管起爆，爆破震动峰值较5 ms时虽有明显降低，但掌子面正上方处震动值略大，在0.2 s左右出现震速叠加增大；且径向频率仅为20 Hz，有可能使房屋结构发生共振破坏；掏槽效果欠佳，岩体破碎效果不好，爆破效果不理想。

孔间微差为10 ms时,电子雷管爆破过程中监测得到了理想的波形，距离掌子面最近建筑物处地表质点最大振速仅为 1.55 cm/s，基本符合安全标准。各个测点测得的震动频率最低为42 Hz,爆破频率较高,与房屋结构自振频率相差大，出现共振几率小。由最大震速测点的波形图看出，最大震速出现在后段，可能是选取的微差时间不合适，不同段别的地震波波头与波尾出现相互叠加；且微差时间为10 ms时，掏槽效果不好，产生了明显大块,主要是炮孔较密集,孔间微差时间较长，相邻岩体相互作用时间较短导致。

4结论

通过对不同孔间微差时间效果和数据分析得出以下结论:

(1)隧道掘进过程中爆破地震波垂直分量震动振幅高，是引起房屋破坏的重要因素。采用电子雷管逐孔起爆可以控制最大起爆药量，降低震速；但是爆破震动与逐孔微差时间的关系并不呈现单调性，并不是简单地随时间增加或减小。

(2)在本次直孔掏槽爆破试验中，试验效果最佳出现在孔间7 ms微差延时的工况。孔间微差为7 ms的电子雷管起爆，显著降低了隧道爆破震动效应，震动速度控制在国家标准1.5 cm/s以内，震动频率较高且爆破效果最佳；因此,从震动速度、频率和爆破效果三个角度来考虑,月亮山隧道开挖中采用孔间7 ms微差延时对楼房的影响最小。

综合分析来看，月亮山隧道爆破掏槽爆破的最优方案为逐孔爆破且微差时间为7 ms，为了控制爆破震动效应及改善爆破效果，最终选取此方案；且后续爆破实践中均获得较好的效果。

参考文献(References)

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[2]凌同华,李夕兵,王桂尧，等.爆破震动灾害主动控制方法研究[J].岩土力学,2007,28(7):1339-1443.

[2]LING Tong-hua,LI Xi-bing,WANG Gui-yao，et al.Method of active control of blasting vibration Disaster[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(7):1339-1443.(in Chinese)

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[3]ZHANG Ji-chun,CAO Xiao-jun,ZHENG Shuang-ying，et al.Experimental research on effect of surface in shallow tunneling blasting vibration[J].Chinese Journal Rock Mechanics and Engineering,2005，24(22)：4158-4163.(in Chinese)

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[5]MENG Xiao-wei.Research on the blasting shock absorption technology in shallow-buried tunnel under-traversing the dense residences[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2011.(in Chinese)

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[6]YE Hai-wang,WANG Liang,ZHANG Yan-ji,et al.Damping blasting field experiment with digital detonator in Jinduicheng open-pit mine[J].China Mining Magazine,2014,23(12)：136-146.(in Chinese)

[7]张志呈，熊文，吝曼卿.浅谈逐孔起爆技术时间间隔的选取[J].爆破，2011，28(2)：45-48.

[7]ZHANG Zhi-cheng,XIONG Wen,LIN Man-qing.Discussion of delay interval election of hole by hole initiation[J].Blasting，2011，28(2)：45-48.(in Chinese)

Damping Blasting Field Experiment in Yueliangshan Tunnel

ZHANGWei-ming1,XIAOLiu2,BUJun-rui1,YUDa-wei2,CHENZi-lin2,CHENXian-feng2

(1.No.3 Engineering Co Ltd of CR11BG,Shiyan 442012,China;2.School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070，China)

Abstract:Yellowstone Moon Mountain Tunnel is a typical shallow urban tunnel with large span.In order to control the blasting vibration effect in the tunnel blasting process,and to reduce the impact of blasting on resident and building structure,the millisecond blasting method by using electronic detonators was performed.Considering the impact of time delay on the blasting vibration and effects,the different time delay tests in holes were carried on with 5 ms,6 ms,7 ms,8 ms and 10 ms.Based on the blasting results and vibration data,the optimized time delay was obtained,where the shock speed,vibration frequency and blasting effect were taken into consideration.When the time delay was designed as 7 ms,the maximum vibration speed was less than 1.5 cm/s,which was in the control of safety standards.The vibration frequency was higher than 30 Hz and made no resonance hazard on building structures.Meanwhile,the rock fragmentation also got improved.

Key words:tunnel excavation；electronic detonator；blasting-by-bore; millisecond time; damping effect

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.005

收稿日期:2016-04-06

作者简介:张维明(1974-)，男，高级工程师，从事工程施工项目，(E-mail)zhangweiming741@163.com。 通讯作者:肖柳(1992-)，女，硕士研究生，(E-mail)xiaoliu112@whut.edu.cn。

中图分类号:U455.6

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0023-05