复杂环境下的隧道爆破振动控制研究*

2019-10-14肖文芳薛东杰郝延周

城市轨道交通研究 2019年9期

肖文芳薛东杰郝延周韩英

(1.贵阳学院城乡规划与建筑工程学院，550005，贵阳； 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，100083，北京；3.西安建筑科技大学土木工程学院，710055，西安；4.贵州省土木工程省级实验教学示范中心，550005，贵阳//第一作者，讲师)

在地铁隧道施工中，钻爆法因经济与技术效果明显而得到广泛应用。由于城市环境的特殊性以及地质条件的复杂性，爆破施工开挖难度增大，爆破地震波对周边建筑设施的破坏作用也经常引发民事纠纷。如何降低爆破施工振动效应对地铁隧道开挖工程的顺利实施显得尤为重要[1-2]。

目前，国内外学者对露天爆破地震波的传播规律进行了大量研究，并提出了相应的减震措施。但地铁隧道周边环境复杂，建筑设施众多，如果采取过于保守的施工方案，虽能降低振动效应，保障周边建筑设施的安全，却不能满足施工进度和施工效益的要求。因此，对复杂环境下的爆破施工方案进行研究，寻求经济合理又安全的爆破设计方法具有重要的理论价值和实践意义[3-4]。

本文以贵阳地铁2号线龙洞堡机场隧道爆破开挖为依托，通过理论计算确定合理的施工开挖方案，在现场实测的基础上进行爆破方案设计，确保隧道爆破施工顺利进行。

1 工程概况及施工难点

1.1 工程概况

贵阳地铁2号线龙洞堡机场隧道南端区间为龙洞堡机场站至小碧站。区间内岩层呈单斜构造，未见较大发育。暗挖段洞身位于强风化和中风化岩层中，岩体破碎，围岩等级为Ⅴ级。区间的YDK44+960—YDK45+090段与ZDK44+969—ZDK45+090段为明挖段，其余为暗挖段，暗挖段采用爆破施工。爆源周边建筑设施平面布置情况如图1所示。

图1 暗挖区间与周边建(构)筑物平面示意图

开挖面标高与机场现有路面标高差距16 m左右，周边环境复杂。往小里程方向下穿机场消防站及砖混结构的机场医院，往大里程方向下穿油小公路及高架桥，主要影响油小公路附属的部分管线及高架桥的桥墩孔桩。受到爆破施工影响的还有消防站、小碧立交桥台以及各种地下管线。

1.2 工程难点

由于地铁隧道周边环境复杂，故对爆破振动要求较高。根据GB 6722—2014《爆破安全规程》对结构物及管线安全距离的要求，核算得到爆破振动对周边建筑设施及管线的影响如表1和表2所示。

表1 爆破施工对周边建筑设施影响统计

2 爆破施工方案及爆破技术设计

2.1 施工方案的选择

为了降低爆破振动，暗挖区间隧道Ⅴ级围岩段采用短台阶法施工[5]。施工时，上台阶与下台阶钻眼完成后同步装药连线，同步起爆。平均每日进尺1.2 m。隧道的台阶法施工如图2所示。

表2 爆破施工对周边地下管线影响统计

图2 台阶法施工示意图

2.2 爆破方案设计

台阶法爆破施工中，在下穿消防站段及油小线既有管线段采用微差雷管控制爆破。选用2#岩石乳化炸药，并采用导爆索间隔装药结构。在隧道拱部，周边眼间距控制在55 cm以内，并均匀布置，具体布置见图3。

图3 隧道炮眼布置图

2.3 爆破孔网参数设计

2.3.1 炮眼深度

隧道所处的Ⅴ级围岩属于软弱围岩，故炮眼不宜过深。设计循环进尺为1.2 m，有效进尺约为75%。掏槽眼垂直深度为1.5 m，其他眼深度均为1.3 m。并采用YT-28型风钻钻孔。

2.3.2 光面爆破

周边眼间距E一般为8～15倍炮眼直径，即336～660 mm，按经验取值400 mm；周边眼眼深小于2.0 m，故不考虑外插斜率。最小抵抗线W取较小值450 mm，则周边眼密集系数K=E/W=0.88。光面爆破装填系数β和单孔装药量Qk为：

(1)

(2)

式中：

τ——岩石抗剪强度,取1.10 MPa;

σe——岩石抗拉强度,取1.05 MPa;

σc——岩石抗压强度,取35.80 MPa;

L——炮眼深度, 取130 cm;

dk——炮眼直径,取4.2 cm;

dt——药包直径,取计算值2.0 cm;

ρ——炸药密度,取1.0 g/m3。

计算得到，β=0.30，Qk=122 g。

2.3.3 掏槽眼参数布设

本工程隧道断面为中小断面，为减少掏槽难度及掏槽爆破对围岩的振动，保证掏槽效果，设计采用楔形掏槽技术。掏槽眼水平间距按1.3～1.4 m进行控制。左右炮眼的眼底间距a、上下排炮眼间距b以及掏槽炮眼与开挖面的夹角γ是影响掏槽效果的重要因素。参数值选用参考表3。

根据经验值，本工程γ取70°,a取23.5 cm，b取55 cm，则掏槽孔布置如图4所示。

由于暗挖段大都处于中强风化型岩层中，围岩整体性较差，最小抵抗线取保守值为550～650 mm；扩槽眼、内圈眼及掘进眼间距按抵抗线关系、岩石整体性程度、岩石爆破时互相夹制影响及爆破减少抛掷等要求确定。

图4 掏槽孔布置

2.3.4 爆破参数的确定及装药量计算

根据初期支护间距要求，设定隧道爆破掘进进尺为1.2 m，炮眼装药量、装药结构及其他钻爆参数设计如表4所示。由表4可知,上台阶爆破方量为19.632 m3，下台阶爆破方量为25.632 m3,炮眼合计94或95个,药量合计37.16或37.56 kg。

2.4 爆破的安全检算

2.4.1 建筑设施安全验算

根据表1，距爆源最近的小碧立交桥台为钢筋混凝土结构，其稳定性远高于砖混结构[6]。其他地表建筑大都为砖混结构，有极少数砖房。消防站为距爆源最近的砖混结构地表建筑，受爆破振动影响最大，距围岩正洞最小距离约18.25 m。

根据GB 6722—2014《爆破安全规程》的隧道爆破振动安全标准要求[7]，周边砖混结构房屋振速需控制在2.0 cm/s以内。采用萨道夫斯基预测公式来验算爆破振动速度,有:

Qm=R3(νk/k)(3/α)

(3)

式中：

Qm——最大段安全药量；

vk——建筑物允许的最大振动速度；

R——爆心距；

k——与爆破场地条件有关的衰减系数；

α——与地质条件有关的衰减指数。

爆区不同岩性的k、α值如表5所示。本工程k取250，α取2.0。经计算，爆破施工时，Qm=4.35 kg>3.60 kg(最大一段设计用药量)。爆破药量均较小，符合爆破安全要求，安全验算通过。

2.4.2 地下管线安全验算

由于地下管线在正线上部，故只需验证埋深最近段地下管线的振动速度是否在安全允许范围之内即可[8]。根据测量结果，机场至扩建指挥部的供水管、排污管及煤气管虽距正线爆破中心最近，但该段管线均需进行迁改；而距爆源最近的不迁改管线为航站楼强弱电管沟。根据表2，地下管线距正线爆源最小距离为16.71 m。根据安全规范，地下管线振动速度需控制在2.5 cm/s以内。将相关数据代入式(3)，计算可得最大段安全药量Qm=4.67 kg>3.60 kg(最大一段设计用药量)。因此，地下管线安全验算通过。

表4 台阶法钻爆设计

表5 爆区不同岩性k、α值

由此可见，设计方案符合爆破安全要求。

3 爆破振动监测及结果分析

3.1 测试方法及测点布置

本次测试采用TC-4850爆破振动仪，将仪器分别布设在消防站、机场油站、小碧立交桥台及航站楼强弱电管沟等受爆破振动影响较大的地方。每台仪器将在每次爆破时记录3个不同方向的振动速度和主频。

3.2 测试结果及分析

由于受爆破振动影响较大的建筑设施均位于爆破点的上方，因此主要对垂直振动速度进行分析[9-10]。图5为爆破开挖时掌子面附近测取的爆破振动时程曲线。

选取有代表性的点，并剔除所测数据中部分离散性较大者，通过最小二乘法对监测数据进行回归分析，得出掌子面上方地表振速回归直线如图6所示。

图5 掌子面附近的爆破振动时程曲线

图6 掌子面上方地表振速回归直线

拟合得到垂直方向测线的k=174.48，α=1.886；线性回归决定系数R为0.94。因此，本测试条件下该区域爆破中的垂直方向地震波传播规律可表示为：

(4)

由此可知，在岩石性质与地质条件相同的条件下，当爆心距确定后，υ的大小主要取决于最大段起爆药量Q。

根据GB 6722—2014《爆破安全规程》的规定，附近建筑设施的安全振速不超过2.0 cm/s，由式(3)可得垂直方向质点振速控制的最大段起爆药量。

隧道爆破开挖时，不同υ峰值下的最大单响允许药量与爆心距的关系见图7。

图7 不同υ峰值下爆心距与最大段允许药量的关系

为了保证周边建筑设施的安全，在后续的爆破施工中，将被保护对象爆心距代入式(3)进行验算，得出的最大单响药量均满足工程要求。为了验证试验设计的可靠性，对爆破振动进行了实时监测，实测振速峰值相对理论计算值均较小，但计算振速与实测振速的误差均在工程要求允许范围之内，由此说明此次爆破设计是合理的，能够有效控制爆破振动对周边建筑设施的影响。