隧道掘进爆破的振动监测与控制技术研究

袁　东，高景明，张向荣，乔　雄

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南　洛阳　471013；2.台州市黄岩区公路管理局，浙江　台州　318020；3.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州　730050）

隧道掘进爆破的振动监测与控制技术研究

袁东1，高景明1，张向荣2，乔雄3

（1.中交二公局第四工程有限公司，河南洛阳471013；2.台州市黄岩区公路管理局，浙江台州318020；3.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州730050）

通过爆破振动监测发现在临近隧道爆破施工中通常掏槽爆破引起既有隧道的振动最为强烈，并且掏槽爆破效果的好坏直接影响整体的爆破效果。针对这个问题设计了掏槽分段的爆破方案，并进行了爆破对比试验，试验结果证明，分段掏槽技术的采用使得爆破振动效应明显降低，可为类似工程的建设提供参考与借鉴。

隧道爆破施工；分段掏槽爆破；实验探究

临近隧道施工中，爆源与既有隧道间距很小，爆破振动对既有隧道结构的危害性明显。爆破振动荷载的反复作用，容易引起围岩和衬砌结构的损伤，弱化结构强度，使结构可能产生塑性变形，引起部分区域裂缝发展甚至隧道整体变形、结构失稳坍塌［1］。施工中应当采用控制爆破技术，并采取适应的安全控制标准，利用爆破振动测试测的反馈信息来合理设计或者优化爆破参数，使爆破振动强度不至于危及既有隧道的安全，最终减少爆破振动产生的危害［2］。

基于上述原因，通过隧道掘进爆破的振动监测与控制技术研究可以在保证隧道结构安全的基础上，寻求经济合理的爆破掘进方案，对促进控制爆破技术的发展具有重要的理论和实用价值［3］。

1　依托工程概况

新建隧道下部的既有隧道为分离式双向4车道，隧道长445m，隧道净距约为28m，新建隧道为双向四车道的连拱山岭隧道，新建隧道平面线位于既有隧道的内侧，且底部高于既有隧道。

新建隧道围岩基本质量级别为V级，稳定性较低，宜采用复合式衬砌。新建隧道第四系厚度不大，岩石属较硬岩-坚硬岩，施工中要充分考虑开挖难度。新建雅山隧道与既有雅山隧道净距较小，最小净距约12.5m，新建隧道位于既有隧道之上，如图1所示。既有雅山隧道采用复合式衬砌，初期支护为型钢支护，二次衬砌为素混凝土和钢筋混凝土衬砌，影响范围内的隧道衬砌为素混凝土衬砌，抗震等级为八度，如图1所示。

图1　新建隧道与即有隧道的位置关系

2　试验方案设计

由于掏槽爆破时，仅有一个自由面，爆破时夹制作用很大，若要取得好的掏槽效果需要加大掏槽爆破的单孔药量［4］。通过对主洞试验段爆破开挖的监测，发现尽管掏槽爆破的单段药量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振动强度最大，若要降低爆破施工中的振动效应，则需要控制掏槽爆破的单段药量。但是降低了掏槽爆破的单段药量又会影响到掏槽爆破的效果，使得整体爆破效果不佳［5-6］。

针对这种情况，在优化方案中通过在掏槽孔形式不变的情况下对装药结构进行改而解决了掏槽效果与爆破振动效应之间的矛盾，即采用掏槽孔孔内分段的方式起爆，将掏槽孔内的药包分成两段起爆，四对掏槽孔的外侧采用1段雷管起爆，四对掏槽孔的内侧采用3段雷管起爆。这样在不降低掏槽爆破药量的前提下，降低了掏槽爆破的单段药量，进而降低了掏槽爆破的振动效应。

为此，设计了现场对比试验。对比试验中，在保证装药量和布孔形式和尺寸相同的情况下采取掏槽孔孔内分段起爆（简称分段掏槽方案）和掏槽孔内采用单一段位起爆（简称单段掏槽）两种方案，进行爆破振动效应的对比测试，对其结果进行分析，从而检验爆破优化的效果，以新建隧道左洞K0+ 970-K0+982段为试验段。在新建隧道爆破断面的中隔墙处布置2台仪器，在同一断面的既有隧道边墙处也布设测2台测试仪器，共进行了3次（6个炮次）爆破对比试验，对比两种装药方案下在中隔墙和既有隧道边墙处的爆破振动强度。

试验中的炮孔布置以及装药结构如图2所示。各孔装药参数见表1。

表1　主洞爆破对比试验参数表

图2　炮孔布置及装药结构

3　试验结果及分析

3.1振速监测结果及分析

爆破对比试验监测结果见表2。

由表2可见，虽然在两种爆破方案中仅仅是掏槽段的起爆方式不同 （单段掏槽方案中孔内药包全部用1段雷管起爆；分段掏槽方案中孔内药包分为1段与3段两段起爆），但是优化方案中采用掏槽孔孔内分段的装药方式降振效果明显，在不分段方案下测得的中隔墙处的平均振速为12.537cm/s，既有隧道边墙处测得的平均振速为4.383cm/s；采用优化方案后测得的振速结果明显降低，中隔墙处测得的振速平均值为7.019cm/s，既有隧道处测得的振速平均值为3.109cm/s。最终采用优化方案后在中隔墙处的降振效果达到43.44%；在既有隧道边墙处的降振效果达到29.07%。由此可见，掏槽分段技术的采用使得爆破振动效应明显降低。

表2　爆破对比试验测试结果统计

3.2波形分析

3.2.1掏槽不分段方案下爆破振动测试结果

掏槽不分段方案下隧道墙体爆破振动测试结果如图3、图4所示，见表3、表4。

1）新建隧道中隔墙。

图3　K0+970断面爆破振动z向波形图

表3　测试结果

2）既有隧道边墙。

图4　K0+950断面爆破振动z向波形图

表4　测试结果

由波形图可见，在单段方案下，掏槽孔采用1段起爆，装药量为8.4kg；周边孔采用15段起爆，装药18.75kg为最大单段装药量。虽然掏槽爆破的单段装药不是最大，但由测得振动波形图可见，在z方向上在第5.3ms波速迅速达到最大值13.575cm/s，为掏槽爆破引起的振动结果。爆源处的纵波、横波和面波同时生成，在爆破近区的中隔墙的质点上，3种波几乎同时到达，相互重叠，各类波的初至时刻难于区分，无法辨别初振相与主振相。如图4所示在既有隧道中测得波速在z方向上在第2.9ms迅速达到最大值3.958cm/s，这也是掏槽爆破作用的结果。在既有隧道边墙处与中隔墙处测的趋势一致，均为在掏槽爆破中，波形前沿上升较快、较陡，测点振动速度很快达到峰值在隧道掘进爆破技术中，控制爆破振动效应的一个关键技术就是掏槽爆破。

3.2.2掏槽分段爆破振动测试结果

掏槽分段方案下隧道墙体爆破振动测试结果如图5、图6所示，见表5、表6。

1）新建隧道中隔墙。

图5　K0+972断面爆破振动z向波形图

表5　测试结果

2）既有隧道边墙。

图6　K0+972断面爆破振动x向波形图

表6　测试结果

由波形图可见，掏槽孔1、3段爆破的振动波形的主振相在时间轴上分离，波形未明显叠加。但掏槽孔内分段装药，有效减小了掏槽爆破的单段药量，减小了掏槽爆破的主振动强度，使得中隔墙上测得的最大振动波速未出现在掏槽爆破中，而既有隧道中测的掏槽爆破引起的振动强度也明显降低。试验证明掏槽分段的方案能够明显地降低了掏槽爆破的振动效应，并且未减少掏槽爆破的总药量与掏槽孔的单孔药量，有效地保证了掏槽爆破的效果。

装药结构中周边孔采用15段起爆，装药18.75kg，为最大单段装药量；内圈孔采用13段起爆，装药12kg。周边孔爆破与内圈孔爆破的单段药量最大，然而最大振动波速却出现在周边孔与内圈孔爆破中，其原因为爆破振动效应的强弱不仅与单段药量有关，而且与装药的分散程度和临空面有关，周边孔或内圈孔爆破时临空面相对较好；同时周边孔与内圈孔安排了高段位的雷管，高段位雷管起爆延时分散性大，误差叠加，使得各炮孔内炸药起爆时刻分散，设计中适当增加同段爆破炮眼数不会明显加大爆破振动值，同时可以起到改善爆破效果、简化爆破施工的作用。

4　结论

1）掏槽爆破是隧道掘进爆破技术中的主要难点和关键，掏槽的好坏直接影响其他炮孔的爆破效果。因此必须选择合理的掏槽孔布置方式和装药方式。因此在爆破生产中，需要对爆破的振动效应跟踪测量，不断优化爆破参数。

2）通过爆破振动监测发现尽管掏槽爆破的单段药量不是最大，但往往掏槽爆破引起既有隧道中的振动强度最大，若要降低爆破施工中的振动效应，则需要控制掏槽爆破单段药量。

3）针对掏槽振动最大的现象，在优化方案中采用掏槽孔孔内分段的方式起爆，将掏槽孔内的药包分成两段起爆，这样在不降低掏槽爆破药量的前提下，降低了掏槽爆破的单段药量，进而降低了掏槽爆破的振动效应。

4）通过爆破对比试验得出结论：采用分段掏槽方案后测得的振速结果明显降低，中隔墙处的降振效果达到43.44%；在既有隧道边墙处的降振效果达到29.07%。由此可见，掏槽分段技术的采用使得爆破振动效应明显降低。

5）周边孔以及内圈孔爆破时有较好临空面，并且高段位雷管延时分散性大，所以引起的振动较小，可适当增加炮眼数和药量。

［1］ 龚伦，仇文革，曹义.下穿楼房隧道近接施工爆破控制技术研究［J］.铁道标准设计，2006（01）：86-88.（GongLun，Qiu Wenge，Cao Yi.Proximity tunnel beneath the building Con struction Blasting Control Technology［J］.Railway Standard Design，2006（01）：86-88.）

［2］ 申玉生，高波，王志杰，等.复线隧道施工爆破对既有隧道结构的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2009（05）：980-984.（Shen Yu-shen，Gao Bo，Wang Zhijie.Effect of blasting in double line tunnel on existing tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering，2009（05）：980-984.）

［3］ 张志呈.定向断裂控制爆破［M］.重庆出版社，2000.（Zhang Zhi-cheng.Directional fracture controlled blasting［M］. Chongqing Publishing House，2000.）

［4］ New B M.Ground vibration caused by construction works［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1990，5（3）：179-190.

［5］ 杨军，陈鹏万，胡刚.现代爆破技术［M］.北京理工大学出版社，2004.（Yang Jun，Chen Peng-wan，Hu Gang.Modern blasting technology［M］.Beijing Institute of Technology Press，2004.）

［6］ 言志信，王后裕.爆破振动效应及安全［M］.科学出版社，2011.（ZengZhi-xin，WangHou-yu.Blast vibrationeffect and safety［M］.Science Press，2011.）

U45