深埋软岩紧急救援站爆破安全距离的研究

2020-07-20刘航雨陈寿根

四川建筑 2020年2期

刘航雨，陈寿根

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

既有隧道附近修建隧道，在其爆破开挖过程中，其爆破产生的地震波或者由于围岩的开挖引起的围岩扰动会对既有隧道的安全和稳定产生一定程度的影响。如果新建隧道与既有隧道的空间位置(平行、重叠或交叉)较近，那么新建隧道的施工会对既有隧道产生较大影响：该影响具体表现在近区围岩破损、远区围岩振动，这会对围岩及临近隧道的安全稳定造成威胁。因此，如何尽最大的努力去减小由于隧道的施工对既有隧道产生的影响，保证隧道的安全是施工的难点[1-3]。

目前，钻爆法是隧道开挖的主要技术手段。钻爆法对各种复杂地质适应性强、经济效益高，适合于坚硬、破碎岩石隧道及长度较短隧道的施工。然而，因爆破施工会引起围岩内部及地表产生强烈的震动，尤其在软弱围岩地段甚至会产生破坏的现象，不必要的过大的震动可能导致围岩塑性区的大范围扩张或岩体坍塌，这点应值得注意[4-5]。

云屯堡救援站地处碳质千枚岩，富含地下水且高地应力的环境，且救援站区段洞室多，交叉口多，网络复杂，结构复杂，特殊结构多，近接隧道多，因此需要对救援站爆破施工进行控制(图1)。

图1 云屯堡防灾救援站布置示意

1 关于爆破振动安全距离的计算

爆破的衰减规律在国内乃至世界各国都是最重要的理论设计基础，在爆破过程中首先要解决的问题就是振动衰减规律，目前主流的研究衰减规律的办法有：波动理论法，数值研究法，萨道夫斯基和数据拟合的方法。本文主要是基于萨道夫斯基方法来研究衰减系数的规律。

通过对爆心距，炸药量，地形地质条件，围岩级别，振动速度之间的关系从而得到v=KmQnRp，不同的国家给出了不同的经验公式。美国等国家采用v=K(R/Q0.5)-α，欧洲、日本等国家采用了v=(KQ/R2)α。而在我国GB 6722-2014《爆破安全规程》中采用萨道夫斯基公式：

(1)

式中：V为爆破振动峰值速度；Q为单段爆破的最大炸药量；R为爆炸点到测点的距离；K为介质类型及爆破类型有关的系数；α为地质地形等岩石类型性质。

式中系数K、α可以通过现场实测或地质地勘表给出。因此想要得到R的取值则需要求出单段爆破的最大炸药量和爆破振动峰值速度。

国内通常对岩石类型K,α数值分成三类，坚硬岩石K在50～150，α在1.3～1.5；中硬岩石K在150～250，α在1.5-1.8；软岩石K在250～350，α在1.8～2.0；土壤K在150～220，α在1.5～2.0。

2 单段爆破最大炸药量

隧道爆破炮眼包括掏槽眼，辅助眼，周边眼和底板眼。大量统计数据表明，掏槽处通常爆破的振速最大。根据相关的爆破原理，为了获得满意的爆破效果，掏槽眼常采用如下形式。

通常采用斜眼掏槽(水平V型)，同时因进尺不大，四对单重掏槽就能够完全实现。根据不同的围岩级别，V级掏槽夹角宜控制在40 °以内，层间距离控制在70 cm以内;Ⅳ级围岩掏槽夹角宜控制在46 °以内，层间距离控制在60 °以内(图2、图3)。

单孔装药量:经验值法——按孔长计算，Ⅴ级围岩45 %，Ⅳ级50 %，则分别为:0.58 kg/孔、1.2 kg/孔。根据掏槽设计，通常最先起爆的孔要共同作用才能够达到有效的掏槽效果，故必须保证4孔在同一时刻起爆，如图所示产生最大的爆破振动通常发生在首先起爆的掏槽孔上，为此齐爆最大装药量以掏槽2对孔即4孔的合计装药量进行工况分析。炸药装药量必须满足起到爆破的作用又不引起对临近围岩和结构的过分扰动。

图2 V级围岩掏槽眼断面(单位：cm)

图3 Ⅳ级围岩掏槽眼断面(单位：cm)

Ⅴ级围岩允许装药量为4×0.58=2.31kg

Ⅳ围岩允许装药量为4×1.2=4.8kg

工况分析药量(2#岩石炸药e=1)为QV=2.5kg、QIV=5kg。

3 爆破振动控制速度预测

本文主要就远区应力波和地震波的传播规律以及岩体对其的动力相应和爆破震动效应控制进行了研究。从这一角度看，在爆炸应力波作用下，岩石往往表现为强脆性，因此，在爆炸应力波作用下的岩石损伤断裂准则可以采用纯脆性损伤断裂准则。从Lemaitre等效应力的概念出发，认为当等效应力达到岩石的动态断裂应力时损伤达临界值，材料发生断裂。如表达式(2)：

(2)

式中：σ为岩石中的应力；σc为微裂纹发生扩展的临界应力；a为微裂纹的初始半径，对于坚硬完整硬岩a取值为0.01 m，中硬岩a取值为0.04 m，软岩a取值为0.16 m。KIC为应力强度因子。

根据岩石波速传递原理可得：

σ=KρCV

(3)

式中：ρ为岩石密度；C为岩石纵波速度；V为振动速度；K为安全系数，取0.8。

根据长安大学的包含，伍法权等[6]的研究结果，其断裂韧度Kic和围岩单轴饱和抗压极限强度的关系为：

σc=83.41KIC

(4)

式中：σc为围岩单轴饱和抗压极限强度。

其相关计算参数如表1所示。

表1 爆破计算参数

其爆破质点控制速度计算结果如表2所示。

表2 爆破质点控制速度

考虑云屯堡救援站的高地应力，软岩和地层富水的影响的特殊地形的影响，且质点振速控制标准高，有利于降低爆破对围岩的扰动，有利于保障先建结构的安全。即得出结论，取四级围岩的爆破质点控制振动速度为5 cm/s，五级围岩的爆破质点控制振动速度为3 cm/s。

4 爆破振动安全距离确定

考虑以上的爆破因素α值在1.8～2.0，K值在300～350。该段隧道拟合α值为2.0，K值取350。现采用我国的爆破公式v=K(Q1/3/R)α对爆破段进行分析，分别讨论炸药量在2.5 kg和5 kg时爆破振动的安全距离.在考虑高程差的情况下，分别讨论正高差和负高差的影响下不同距离的爆破振动速度，其公式为：

(5)

式中：H为测点与爆心之问的相对高差(m)；β为与高差有关的系数，一般取0.25～0.28，正高差时β取正，反之取负;硬岩中取大值，软岩中取最小值。

考虑最危险的情况，取K为300，α为2。根据上述公式。隧底联络通道下穿主洞和左侧平导为工况1，隧底联络通道与四号横洞交叉处为工况2，联络排烟道与主洞左侧平导为工况3，竖井与四号横洞交叉处为工况4。防灾救援站各部位的计算参数和计算结果如表3所示。

表3 各部位计算参数和计算结果表

5 结束语

隧底联络通道与主洞、左侧平导段竖向距离小于爆破安全距离各为11.67 m和15.80 m，采用非钻爆开挖；联络排烟道与主洞、左侧平导的竖向距离小于爆破安全距离为10.26 m，采用非钻爆开挖；竖井与主洞交叉口位置13.57 m之内为安全距离，且为了施工方便，这里推荐竖井采用非钻爆开挖，隧底联络通道与4号横洞交叉点13.57 m内也考虑采用非钻爆开挖。其非钻爆区域如图4所示。