城市隧道开挖钻爆施工围岩控制爆破技术

■曹　锋（广东省地质局第五地质大队广东肇庆广地爆破工程公司广东肇庆526020）

城市隧道开挖钻爆施工围岩控制爆破技术

■曹锋
（广东省地质局第五地质大队广东肇庆广地爆破工程公司广东肇庆526020）

针对城市隧道开挖爆破对周围围岩体及建筑的扰动影响，基于强反射原理和损耗原理提出一种城市隧道开挖钻爆施工围岩控制爆破技术，并提出此技术的适用条件、设计步骤以及施工过程，可为控制爆破工程设计施工提供支撑理论。

城市隧道控制爆破技术施工开挖围岩

1　常用的控制爆破技术

1.1减少药量

通过减少爆破炸药药量,降低爆破产生的峰值压力,从而降低对岩土体的破坏。但药量较少会致使岩体难以开裂破碎，因此需要多次爆破，增大了施工工期。

1.2打孔

在隧洞周围打入钻孔，使其形成一个由空气组成的封闭圈，一是起到一定的反射作用；二是空气与岩体波阻抗相差较大，可在钻孔内发生多次反射，从而达到降低爆破能量的作用。

1.3改变炮孔间距

通过改变炮孔间距，使每个药包作用的范围增大，从而消耗药包传播能量，炮孔间距足够大时，可以有效减少对周围岩体的扰动。

1.4局部爆破

局部爆破在爆破开挖工程中应用较少，局部爆破技术可以有效减少对周围岩体的扰动，但一次爆破开挖量较小，需对每次爆破进行设计，从而延误施工工期。

1.5微差爆破

微差爆破也叫微差控制爆破，国际上惯称为毫秒延期爆破，即在掌子面上首先添加浅直眼炮孔，直孔较浅，且单响药量较小，其产生的振动不会很大，但可以在中间先炸出锥形的漏斗或破裂面，为后起爆炸药提供了有利爆破条件，降低了爆破对周围岩体产生的振动。

2　爆破控制技术原理——屏蔽原理

2.1强反射原理

根据能量守恒定律，反射系数R与透射系数T存在能量消长关系，即T=1-R，因此，反射系数值越大，透射能量越弱，界面的能量屏蔽作用越强。此外，当入射角超过临界角后发生完全反射，成为应力波透射的盲区，发生路径屏蔽作用。

2.2损耗型原理

当地下存在一个强黏滞层或塑性层，应力波在此间大部分能量被快速吸收损耗，转化为塑性应变能和介质热能，从而耗散带之下应力波能流密度急剧减小，达到屏蔽爆破能量的效果。

2.3散射型原理

散射由介质的粗糙性和介质的不均匀性引起。从物理角度来说，如果界面凹凸不平，但凹凸部分的尺寸相对于波长很小的入射波，界面将发生波的反射，若相对于波长较大的入射波则发生散射。介质内物质结构、成分不均匀引起传播路径随机偏转和改向，或在粗糙面引起反射聚集和发散，都会引起应力波向不同方向无序散射，不能按正常路径透射往返，进而对下伏层产生路径屏蔽。

3　一种新型城市隧道爆破开挖围岩控制技术

3.1爆破控制构造模型

此技术由以下几部分组成。

图1　隧洞爆破控制技术纵截面示意图

图2　隧洞爆破控制技术横截面图

图3　隧洞爆破控制技术纵截面图

3.1.1超前孔

如图1所示，超前孔直径80-180mm，长3-6m，间距30-50cm，倾斜角度10o-30o沿隧洞周围打设，可多排打入。

3.1.2超前孔填塞材料

超前孔填塞材料为轻质、粘滞性较大的材料，如空气、泡沫混凝土、橡胶、聚乙烯发泡、聚氨酯泡沫等都具有良好地粘滞性，吸收能量的性能较好。

3.1.3具有一定倾斜角度的柱状药包

如图1所示，药包参数满足相关爆破安全规程，角度由式（3）确定。

3.2爆破控制原理

3.2.1完全反射作用

如图3所示，在掌子面外围打入超前孔，超前孔角度为θ，并打设一定角度的小孔以塞入药包，药柱角度为β，洞室高程为h，一次爆破前进距离为l，将超前孔看成一个封闭圈，如图2所示，由波振面上的能量守恒[8]得从一种介质传播到另一种介质发生完全反射的入射临界角为

完全反射时α2=90°，故

式中，α1为入射临界角；α2为反射角；ρ1C1为围岩的波阻抗；ρ2C2为超前空中介质波阻抗。

则从图3中几何关系知药柱倾斜角度β与超前空角度θ以及入射角度α1的关系式为

故只需β<=90°-α1+θ即可满足全反射条件。

3.2.2能量损耗作用

冲击波振幅随穿过耗散带距离的增大而呈指数衰减[1]，即

由一维简谐波可知地震波的能量与振幅的二次方呈正比，即

式中，A为冲击波衰减振幅；A0为初始振幅；β为衰减系数，由介质决定；r为爆心距；k为能量系数，由介质决定；

由式（5）可计算不同介质的在超前孔中的衰减能量。

3.3适用条件

（1）钻爆法施工；

（2）浅埋隧道上覆有建筑物、岩体较坚硬或有相临隧道的隧道开挖；

（3）爆破炸药采用柱形药包。

3.4设计步骤

（1）对岩体进行分级或进行上覆建筑物评价；

（2）确定是否需要控制爆破；

（3）若需要控制爆破，再进行以下设计；

（4）对药量、药柱角度、炮孔间距、单次爆破深度等进行设计，药量、炮孔间距、单次爆破深度可根据相关爆破安全规程实施设计，药柱角度由式（3）确定；

（5）超前孔直径、超前孔角度、超前孔间距满足4.1.1所述，超前孔内介质由能量耗损确定，参照4.1.2与4.2.1；

3.5施工工艺

打入超前孔、超前孔内塞入粘滞性较大的介质、打炮眼、装入药柱、爆破、清理岩体碎石、进行下一次爆破开挖。

（1）打入超前孔，打入超前孔是孔内一定要平直光滑，满足角度、间距、深度要求，并需吹风清孔，便于后续介质的塞入；

（2）超前孔内塞入粘滞性较大的介质，塞入的介质长度一定要大于单次爆破深度，尽量填充整个超前孔；

（3）打炮眼，炮眼不是水平打入的，需满足设计要求；

（4）装入药柱，倾斜药柱装入时具有一定的难度，需谨慎进行；

（5）爆破，施工开挖前应进行预爆破试验，验证控制技术的可行性,以满足工程需要；

（6）清理岩体碎石，当爆破完成岩体完全稳定后再进行清理，清理岩体碎石时尽量减少对周围岩体的扰动。

4　结论

针对城市隧道开挖爆破对周围围岩体及建筑的扰动影响，基于能量屏蔽原理和损耗原理提出一种城市隧道开挖钻爆施工围岩控制爆破技术，并提出此技术的适用条件、设计步骤以及施工工艺，可为控制爆破工程提供支撑理论。

[1]兰朝荣,邱琼.综合减震控制技术在隧道下穿高危建筑物过程中的应用[J].工程建设,2012,44（3）:46-48.

[2]陈海平.隧道爆破施工减震措施分析[J].城市建设理论研究,2011(9):1-4.

[3]唐润婷,李鹏飞,苏华友等.邻近埋地天然气管道线桥梁桩基爆破施工减震方法的实践讨论[J].福建建设科技,2011,NO.1:38-40.

P634[文献码]B

1000-405X（2016）-1-391-2