临近既有线隧道开挖控制爆破试验与振动测试

黄　飞，阳生权,2，王哲宇

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201；2.土木施工过程与质量安全控制实验室，湘潭 411201)



临近既有线隧道开挖控制爆破试验与振动测试

黄飞1，阳生权1,2，王哲宇1

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201；2.土木施工过程与质量安全控制实验室，湘潭 411201)

依托南平-龙岩铁路线的斑竹垄隧道工程，通过现场控制爆破试验与振动测试及其结果分析,同时结合相关研究成果，通过类比分析爆破振动衰减规律，论述了斑竹垄隧道控制爆破钻爆参数选取与确定的合理性与可行性，相关研究成果应该可为类似工程控制爆破接近施工提供参考和借鉴.

既有隧道；控制爆破；振动测试；接近施工

0　引　言

近年来，由于地形条件、征地条件等因素的限制，隧道在施工过程中常会在既有线路附近新建线路，而新建线路与既有线路距离过小时，新建线路的爆破开挖则容易导致既有线路产生振动危害.如何保证既有线路的安全运营和结构上的不受或少受影响，一直是接近施工中的控制爆破技术难题，也一直行业内专家与学者重点关注的研究项目之一[1-2].

南平-龙岩铁路线(以下简称南龙铁路)斑竹垄隧道出口与既有线向莆铁路罗布隧道为并行状态，与三明北联络线琅口隧道为上跨交叉关系(斑竹垄隧道上跨琅口隧道).在临近既有线路爆破施工之前，拟采用同等条件下的斑竹垄隧道进口现场控制爆破试验并结合超近距离爆破振动测试，以便科学合理地选取与确定隧道出口接近控制爆破的相关钻爆参数.同时结合当前国内相关研究成果，通过类比分析爆破振动衰减规律，论述了斑竹垄隧道控制爆破钻爆参数的合理性与可行性，相关研究成果应该可为类似工程控制爆破施工提供参考和借鉴.

1　隧道开挖控制爆破试验

1.1工程概况

南龙铁路斑竹垄隧道位于福建省三明市沙县洋坊村，起讫里程为DK51+765～DK54+481，全长2716 m.隧道设计为单洞双线铁路隧道，平均开挖断面面积约125 m2.隧道穿越岩层主要包括花岗岩、花岗闪长岩、石英砂岩、粉质砂岩和凝灰岩等，岩层分布从上至下存在强风化、中风化、弱风化到微风化岩层.

斑竹垄隧道与三明北联络线琅口隧道呈上跨交叉关系，如图1所示前者位于后者上方，在DK54+052里程位置上跨琅口隧道，隧道施工上跨影响区段DK53+966～DK54+116，位于开挖隧道出口段，长度为150 m.交点对应琅口隧道里程LDK3+024.087，两隧道平面夹角25°57'40"，垂直净间距约6.4 m.

图1　斑竹垄隧道与邻近既有铁路平面关系示意图

1.2爆破设计

根据斑竹垄隧道与琅口隧道的上跨交叉关系，考虑同一工程同等试验条件，选择斑竹垄隧道进口DK54+265里程横洞位置进行控制爆破试验与超近距离爆破振动测试.测试仪器与测试点位置如图2所示，测点距离爆破装药中心约6.4 m.

现场爆破振动测试参数采用上跨影响段隧道洞身Ⅳ级围岩上台阶爆破参数，具体钻爆参数如下：

(1)钻爆参数与火工品的选取：结合现场实际，选用YT28气腿式凿岩机钻孔，炮眼直径38 mm.设计采用乳化炸药(φ32)，选用多段位电子雷管的起爆网络，起爆网络按掏槽孔、辅助孔、周边孔的顺序逐孔起爆，电子雷管标准延时时差为17 ms，掏槽孔孔底部预留30 cm空气间距.

(2)炮眼深度l：掏槽眼取l=0.7 m，辅助眼取l=0.55 m，周边眼取l=0.55 m.

(3) 炸药单耗q：光爆层单独爆落时，周边眼的线装药密度一般取0.15～0.25 kg/m.根据相关工程经验，对花岗岩来讲，周边光爆眼取q线=0.20 kg/m，单耗取0.85～1.50 kg/m3(视围岩级别进行适当调整).同时，辅助眼取q=1.00 kg/m3，掏槽眼取q=1.10 kg/m3.

(4)炮眼孔网参数：根据a/w=0.90～1.1原则确定，一般孔距a=45～60 cm，最小抵抗线w=50～80 cm.

①掏槽眼，八孔直眼掏槽，取a水平=40 cm，a垂直=50 cm炮眼数n=8.

②辅助眼，取a=50 cm，w=55 cm；炮眼数n=28.

③周边眼，取a=50 cm，w=60 cm；炮眼数n=23.

(5)单孔装药量Q单与总装药量Q总：周边眼装药按线装药密度q线进行计算；辅助眼与掏槽眼根据单孔装药量负担面积确定.

aw=S=Q单/(ql)

(1)

式中：Q单为单孔装药量(kg)；a为孔距(m)；w为最小抵抗线(m)；S为炮孔负担面积(m2).

那么，单孔装药量Q单分别为：

①周边眼：Q单=q线·l=0.20×0.5=0.10 kg，取Q单=0.10 kg；

②辅助眼：Q单=(a·w)×(q·l)=(0.50×0.55)×(1.00×0.55)=0.15 kg，取Q单=0.15 kg；

③掏槽眼：Q单=(a水平·a垂直)×(q·l)=(0.40×0.50)×(1.1×0.7)=0.22 kg，取Q单=0.20 kg.

总装药量为Q总：Q总=∑(Q单·n)=0.10×23+0.15×28+0.20×8=2.3+4.2+1.6=8.1 kg.

得到隧道上部导洞装药参数(见表1).

表1　隧道上部导洞装药参数表

炮孔布置与装药如图3所示.

图3　试验炮孔布置与装药量示意图

2　爆破振动测试与分析

2.1爆破振动测试系统

测试试验采用四川拓扑测控科技有限公司生产的UBOX-5016爆破测振仪，配备X、Y、Z三维一体速度传感器，并配套BM View爆破振动数据分析软件.爆破振动监测系统运行流程示意图如图4所示.

图4爆破振动监测系统

2.2爆破监测结果及分析

现场爆破振动测试结果如表2所示，典型的爆破地震波如图5所示.

表2　现场爆破振动测试结果

图5　典型的爆破地震波

从采集的爆破地震波分析可知，数码电子雷管逐孔起爆，超近距离条件下也可将各个炮孔对应产生的爆破地震波分隔开来，没有叠加现象，说明上述起爆方式对控制爆破振动是合理可行的.

如表2所示，通过现场爆破试验结果分析可知，常规的炮孔深度和装药和炮孔布置会造成超近距离爆破振动峰值过大，从而导致爆破振动超过规定的安全标准值(2 cm/s).同时，结合斑竹垄隧道的地质条件下的爆破振动衰减规律，不难发现，合理的掏槽方式，合理的爆破钻爆参数，可在很大程度上控制超近距离的爆破振动峰值，有效控制爆破地震.因此，严格控制装药和钻爆参数时，是可以将爆破振动速度控制在2 cm/s以内.

3　爆破振动影响因素分析与预测

3.1爆破振动衰减规律与影响因素分析

根据研究，爆破振动衰减规律[3-6]基本符合下列公式：

(2)

式中：V为最大爆破振动速度值(cm/s)；Q为最大段齐爆药量(kg)；R为爆心距，爆源至测点的距离(m)；K、α为与地形、地质条件相关的系数.

从经验公式不难看出，爆破振动主要与地形地层条件、距离以及爆破药量密切相关.

3.2爆破振动衰减规律类比分析

在武广高速铁路两座隧道爆破掘进过程中，测得50 m范围内围岩爆破振动衰减参数，回归结果如表3所示.

表3　武广高速铁路两座隧道爆破振动衰减参数

其中，天鹅岭隧道试验段处在石灰岩层中，属于Ⅳ级围岩，岩体节理很发育，有多处软弱夹层，且夹层内有煤质充填，爆破振动衰减较快；新南岭隧道试验段处在泥沙岩中，属于Ⅲ级围岩，虽然岩性较硬，但岩体整体性稍差，爆破振动衰减慢于Ⅳ级围岩段.根据不同爆破条件下测得的振动速度回归分析[7]，介质的夹制作用在掏槽爆破中最大，振动衰减式中的衰减系数K对应也最大，而相同地质条件下的衰减指数α值则比较接近.

根据深圳梧桐山等隧道爆破振动测试结果分析，得到相应的爆破振动衰减规律[8-11]如表4所示，其中，存在既有隧道的隧道接近施工所得到的监测结果应该更具有参考和借鉴价值.

表4　典型隧道爆破振动衰减规律对比表

3.3斑竹垄隧道超近距离爆破振动衰减规律预测

针对斑竹垄隧道爆破振动衰减规律预测，首先应分析该隧道地形地质条件.斑竹垄隧道出口区段围岩揭露为灰色弱风化花岗岩，花岗岩岩质坚硬，节理裂隙较发育，岩体较破碎.围岩自稳能力较差～一般.考虑隧道爆破开挖采用常规掏槽、周边光面爆破工艺，因此爆破振动安全中重点分析掏槽爆破振动影响，结合上述类似工程的爆破振动衰减情况，认为选取掏槽爆破的地层参数K=150，振动衰减指数α=1.80比较合适，但针对超近距离，在此宜取数K=160、α=2.15比较合适.

4　结论与建议

(1)数码电子雷管逐孔起爆是控制超近距离爆破振动的有效起爆方式，建议在斑竹垄出口上跨既有铁路隧道的爆破中采用，并采取有效措施保证起爆网络质量.

(2)采用合理的掏槽工艺、炮孔深度和炮孔布置方式以及控制爆破规模，可以有效控制爆破地震，并可将爆破振动控制在安全标准值(2 cm/s)以内.

(3)建议斑竹垄隧道上跨既有铁路隧道的爆破施工必须进行爆破振动跟踪监测，严格控制爆破规模和钻爆参数与工艺.

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Control Blasting Experiment and Vibration Test during Adjacent Tunneling Close to Exiting Tunnel

HUANG Fei1，YANG Sheng-quan1,2，WANG Zhe-yu1

(1.College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201， China;2.Key Laboratory of Construction Process，Quality and Safety of Civil Engineering,Xiangtan 411201, China)

Based on Banzhulong tunnel project of the Nanping-Longyan railway line, blasting vibration simulation test on site is analyzed in this paper. The procedure of analysis is combined with domestic existing research norms, results and the blasting vibration test. At the same time, compared with the attenuation law of blasting vibration on similar projects, blasting design parameters’ rationality of Banzhulong tunnel near the exiting railway are evaluated. The results of the analysis are used to guarantee the security when the Banzhulong tunnel is excavated. And it’s also can provide a useful reference for the similar project.

existing tunnel；control blasting；vibration test；adjacent construction

2016-03-09

2013年湖南省高校产业化培育资助项目(13CY013).

黄飞(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：隧道与地下工程.

TP391.41

A

1671-119X(2016)03-0081-05