复线隧道施工爆破对既有隧道安全性影响的技术研究

钱 勇，秦 亮

（1.遵义市建设工程质量安全服务站，贵州 遵义 563000；2.中铁隧道集团一处有限公司，陕西 渭南 715300）

0 引 言

复线修建过程中产生的爆破振动对既有隧道的影响一般都比较大，有可能造成既有隧道结构的损伤或破坏，特别是净距越小时影响越大。因此新建隧道控制爆破对既有隧道的影响监测显得尤为重要。日本获津隧道、初狩隧道，国内大理—丽江高速龙翔隧道等都因隧道间距较小需控制爆破振动安全，均在施工过程中进行爆破监测并采用分析软件进行三维数值模拟［1］，研究新建隧道爆破施工对既有隧道的影响。

总之，国内外先后对因爆破振动影响既有隧道结构安全性进行了诸多研究，虽然都取得了一定的成果［2，3］，但仍需要不断地去摸索和寻求更多更好办法来实现减振防灾，将爆破振动影响降至最低。现结合遵义市官井隧道复线的修建，研究爆破振动对既有隧道结构安全性的影响。

1 工程概况

遵义市官井隧道复线1#隧道位于贵州省遵义市老城区西北部城郊，与原既有官井南隧道并行，两隧道间净距仅为 20～55 m，全长 371 m（其中 V 级围岩占到 63.1 %，IV 级围岩占 35.9 %），揭示围岩主要以泥岩、泥灰岩、灰岩和砂岩为主，围岩整体较破碎且存在不同程度的风化。隧道进口段最大埋深为 7 m，出口段最大埋深为 3 m。全隧不良地质主要有岩溶，隧道出口仰坡顺层。

2 爆破振动监测准备工作

2.1 监测仪器的选择

根据 GB 6722-2003《爆破安全规程》规定，交通隧道安全振速一般控制在 10 cm/s 以内，才能确保既有隧道的结构安全不受影响。因此，为确保监测数据的可靠性及精确性，现场采用成都科技测控有限公司研制的IDTS3850爆破振动记录仪进行监测（见图1）。IDTS3850 爆破振动记录仪体积小，便于携带，分辨率高。

图1 爆破监测仪器

2.2 监测点位的选定

为全面监测官井 1# 隧道爆破引起的既有隧道振动效应，考虑不同开挖方法，不同净距的情况下，来对既有隧道的爆破振速进行数据分析和评估。现场以掘进掌子面为中心，在对应既有隧道沿线每隔 20 m 布设 1 个监测断面，每个断面在靠既有隧道侧沿拱腰部位向下每隔 1.2 m布设 1 个振动测点，共 4 个，具体如图2、3 所示。

图2 监测断面测点平面布置示意图

图3 监测断面测点断面布置图

3 爆破监测方案

官井 1 # 隧道进、出口刚进洞内时，在侧壁导坑内进行了 6 次爆破振动监测试验，监测点以爆破点为中心，共得到 24 组数据，利用萨道夫斯基经验公式（见式 1），获得该爆破区域爆破场地条件有关参数K、地质条件有关参数α，经爆破试验测得K=129.753、α=1.722，因此为避免爆破对既有隧道造成过大影响及破坏，需对单次齐发爆破药量进行控制，V级（按最小爆心距至测点间距 26 m 计算）围岩单次齐发药量为 7.5 kg，IV 级（按最小爆心距至测点间距 46 m 计算）围岩单次齐发药量为 41.1 kg。

式中：R为测点至爆源中心安全允许距离，m；Q为炸药量（齐发爆破为总药量，延时爆破为最大段位的用药量），kg；v为保护对象所在地质点振动安全允许速度，10cm/s；K、α为与爆破点到计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

施工过程中现场通过采用CD法及三台阶两种施工方法去实现创造多个临空面，而断面中的每个分部在爆破时又采用多段位、长时差的方式来实现控制质点振动速度，控制一次爆破影响范围和减少对周围结构物的影响和破坏。

3.1 V级围岩侧壁导坑法开挖爆破参数

循环进尺 0.65 m，上台阶开挖断面宽 14.7 m、高 4.1 m，侧壁导坑采用楔形掏槽，主洞采用复式楔形掏槽，掏槽眼深度为 1.42 m，布置在断面中下部。周边眼：周边眼间距为 50 cm，深度 0.77 m，采用间隔装药，最小抵抗线：m=a/W，0.6～0.8。辅助眼：间距取 1.0 m～1.3 m，深度 0.77 m。底板眼：间距取 0.80 m，深度 0.77 m。具体如表1、2 及图4所示。

表1 侧壁导坑上台阶爆破参数

表2 主洞上台阶爆破参数

图4 V 级围岩炮孔布置图（单位：cm）

3.2 IV级围岩台阶法开挖爆破参数

循环进尺在 2.4 m内，上台阶开挖断面宽 14.5 m、高 3.9 m，采用复式楔形掏槽，掏槽眼深度为 3.07 m、3.15 m，布置在断面中下部，以方便施工。周边眼：间距为 45 cm、深度 2.80 m，采用间隔装药，最小抵抗线：m=a/W，0.6～0.8。辅助眼：间距取 1.0～1.3 m，深度 2.80 m。底板眼：间距取 0.80 m、深度 2.80 m。具体如表3及图5所示。

表3 上台阶爆破参数

图5 Ⅳ 级围岩炮孔布置图（单位：cm）

4 既有隧道爆破振动影响监测结果分析

4.1 监测数据收集

监测中为了解爆破点由远及近，以及同一个断面不同部位的振速情况，针对某一岩性及开挖方法的围岩采用不同的监测方式进行监测，具体监测数据如表4～7 所示。

表4 V 级围岩主洞（CD 法）监测数据对比

表5 IV 级围岩主洞（三台阶法）监测数据对比

表6 同一个里程部位多个开挖爆破监测数据对比

表7 以振动最大质点为准围岩开挖爆破监测数据对比

4.2 爆破监测数据分析

1）炸药用量一致同一断面上多个测点对既有隧道的影响。

结合图6（数据来源于表4、5）可以看出，不论是 CD 法还是三台阶法，暂时不考虑爆心距和单循环炸药用量多少，仅从测点和振速来分析，新建隧道爆破时对既有隧道一般影响最大的点为测点 B 点和 C 点（主因是 B、C 点距爆源水平距离最小且位于隧道直墙部位），其次分别为测点 A 和 D。因此可以分析得出离爆心越接近的部位影响越大，振速也就越大，反之离爆心越远影响越小，振速也就越小，可见在施工过程中只要能控制住拱腰部位（即 B 点和 C 点部位）的爆破振速，即可达到控制或降低其它部位的影响。

施工过程中根据现场情况也做了多余的爆破监测试验，试验结果表明当爆心距为 135 m 以上且装药量控制在 50 kg 以内时，爆破振速监测结果为 0，即对既有隧道或附近建筑物无任何影响。

图6 断面质点最大振速图

2）爆心距一致同一测点炸药用量多少对既有隧道的影响。

结合图7（数据来源于表6）分析得出，当爆心距一致，无论单循环总药量使用多少、变化多大，对质点的振速无太大影响，而影响测点振速的因素是单次同时爆破的药量多少，当单次同时爆破的药量增加时，则质点的振速也相应增加，反之则减弱，因此，在施工过程中，若要控制或降低爆破振动对既有隧道和附近建筑物的影响，只能从严格控制单次爆破药量下手，可以通过以下三种方式来控制爆破振速：

①将一次爆破的所有炮孔分成多段顺序起爆；

②加大相邻的段位差，适当减小炮孔内线装药密度，采用周边预裂爆破技术阻隔爆破地震波向外传播；

③若采用空孔直眼掏槽爆破方案，应增加空孔数量或增大空孔直径。

本隧道在刚进洞时曾经尝试着通过将雷管段位拉大（采用 1、5、9、13 段）的方式进行过试验，监测的爆破振速均有明显下降，但由于一些段位的雷管存在质量问题，经综合考虑，为方便施工，仍然使用 1、3、5、7、9 段雷管，过程中严格控制循环单次爆破炸药用量来实现既有隧道结构安全，监测结果依然在规范允许范围以内。

图7 最大振速与装药量关系图

3）同一测点上爆心距对既有隧道不同测点的影响。

针对施工过程随着隧道的掘进，围岩情况的陆续变好及两隧道次间距的不断增大，在严格控制每循环单次爆破炸药用量的前题下通过对数据的拉通分析（图8数据来源于表7），最终结论与 2）相同，总药量的多少与爆心距的长短对质点振动速度的变化影响较小。或者说是当随着总装药量的增加，对既有隧道相应位置的测点影响理论上也有所上升，但影响极为小，可简略不计；但对于爆心距增加时，则测点的振速随着减少，增加至一定距离后则无数据测出。

4）不同围岩级别爆破对既有隧道影响。

岩体地质条件对爆破振动的影响，主要表现在振动波的传播衰减指数上。根据以往隧道爆破开挖过程中的监测结果以及查阅其它相邻近距离隧道爆破的有关资料，不同地质条件下，岩体越坚硬完整，振速越大，振波衰减越慢；而振波通过软弱破碎岩体时，振波衰减较快。

图8 爆破振速与爆心距、装药量关系图

5 有效减振降灾措施

为了保证新建隧道周围既有结构和人员安全，须将爆破振动危害控制到最小范围之内。因此爆破设计时常用的减振措施主要包括以下几个方面。

1）选择合理的开挖工法。复线隧道在洞口段一般净距都最小，且洞口段围岩条件也相对较差，为了保证新建隧道施工与既有隧道结构的安全，除了采取超前支护、边仰坡防护等措施外，还需要尽量减少开挖断面面积。因此洞口段一般采用分步开挖法、超前大管棚施工，本工程进口端采用侧壁导坑法施工，减小开挖断积，降低装药量，也能减少对既有隧道结构安全的影响。

2）分段起爆及严格控制单段装药量。隧道爆破单段装药量同次爆破对振动有很大影响，因此对于分段位起爆或控制单段同次爆破装药量是有效降低爆破振速的基础。大量实践证明爆破振动速度主要与单段装药量、爆心距及介质条件有关，在爆心距及介质无法改变条件下，认为控制最为有效的方法就是分段起爆和最大段药量的控制。一般将一次爆破药量分为多段毫秒延期起爆，可以使得爆破振动峰值减小为仅受单段最大药量控制，这样一次爆破规模可以得到扩大但是不会产生超强振动。因此爆破中可采用增加雷管的段别，减少同段雷管起爆药量来减小爆破振动。

3）选择合理的掏槽形式。掏槽是隧道爆破成败的关键，同样也是产生最大爆破振动速度的主要影响因素。为了达到减震的目的，根据岩石的性质，选择合理的掏槽形式。如斜眼掏槽、中空直眼掏槽等。但一般情况下均选用楔形掏槽，可以充分利用楔形掏槽的易抛掷和多余的临空面来最大限度减小振动。

4）选择合适的爆破材料。通过以往经验，控制爆破法与普通爆破法相比可以起到保护围岩、减小爆破振动的效果，质点振速可大大减小。此外，采用低爆速炸药、开挖面增打减震孔、采用控制爆破、非电毫秒不对称起爆网络技术等综合减震措施，以减轻爆破振动。

5）根据本次研究并结合施工经验，控制爆破振动的方法有以下几种：干扰降振法、控制单响最大段药量降振法、预裂隔振带降振法、不偶合装药结构与低爆速炸药降振法、增加临空面（减小爆破夹制力）降振法等。

6 结 语

本次通过对新建隧道爆破振动速率及爆破振动影响范围的数据监测、分析及总结，及时对每循环爆破炸药用量的调整及控制，以达到减震防灾的效果，为以后类似隧道爆破施工，提供可靠的经验保障。在以后的检测中，如有必要，可对既有隧道受爆破振动的衬砌混凝土开裂情况以及由于爆破而导致的破坏范围大小加以深入的研究，取得不同围岩、不同药量下将影响降至最低的极限距离。