土石交界地层隧道爆破振动控制技术研究

张 雄，孙梦青，张 扬

（1.延安大学 建筑工程学院，陕西 延安 716000；2.陕西交通建设集团 黄延分公司，陕西 延安 716000）

铁路隧道开挖以钻爆法和机械掘进法为主，其中钻爆法在经济性、安全性和效率上具有明显优势，在国内外硬质岩隧道施工中得到广泛应用。但是，爆破过程中产生的冲击波对隧道围岩、衬砌结构以及邻近建筑物可能造成损伤，例如引爆造成隧洞塌方、地表沉陷以及建筑物裂缝等灾害时有发生［1，2］。因此，开展隧道爆破震动规律及其控制研究，分析隧道爆破开挖与围岩地质条件的相互关系，避免产生次生地质灾害具有十分重要的意义［3］。目前，相关学者对于隧道爆破振动及施工方面的研究成果多集中在浅埋隧道、交叉隧道和小净距隧道等的爆破振动施工控制方面［4-7］，而土石交界地层隧道爆破控制方面的研究成果相对较少［8，9］。土石交界地层是我国西南地区经常遇到的一类特殊地层，该地区地形陡峭，岩石抗风化能力弱，覆盖层和全风化埋深无规律，钻爆法施工存在较大难度。

以空树河铁路隧道为研究对象，在分析地层地质条件的基础上，设计土石交界地层在隧洞掌子面或顶拱上方情况下的爆破方案、振动监测方案，并对结果进行分析，为该类型复杂地层隧道爆破振动控制技术提供参考。

1 隧道概况

空树河隧道位于云南省芒康市，隧道全长5.5 km，纵坡为0.8%上坡，直线布置。所处地貌类型为中切割陡坡地形，地表海拔高程一般为200～500 m，地形坡度一般为30°～50°，植被覆盖茂密。研究区地层出露单一，以燕山期和加里东期侵入花岗岩为主。其次为上古生界志留系 （S）页岩、泥质条带灰岩。表层为第三系 （N）花岗质砾岩、砂岩、粘土岩和第四系 （Q）粉质粘土层。隧道地区主要穿越地层有残坡积粉土夹碎石层、全风化岩浆岩以及强弱风化岩浆岩 （见图1）。残坡积层和全风化层岩土体结构松散，属于土层；强弱风化岩浆岩属于硬质岩层。

图1 空树河隧道土石交界地层典型纵剖面Figure 1 Typical vertical section of soil-rock boundary stratum in Kongshuhe Tunnel

对空树河隧道掌子面土石交界位置、地层分布特征和岩性差别进行分析，并在隧道内设置位移和钢拱架内力测试仪器，结果发现：

土石交界面初期变形量稍大于全风化层，小于硬质岩层；上部软弱土层开挖会导致洞内断面位移增大。

当土石交界面为水平分布时，中台阶和下台阶具有较为明显的应力集中现象，当仰拱部分开挖支护使得仰拱基础置于硬质岩体后，上部土层才可以确保变形稳定。土石交界面倾斜时，支护初期内力分布呈现明显的不对称分布，土层埋深较深一侧内力偏大。土石分界地层会改变隧道结构轴力和安全系数，但基本不影响弯矩。

2 隧道爆破方案与振动监测设计

2.1 土石分界地层隧道爆破方案

针对土石分界不良地质特征，及其所带来的应力位移变化规律，选用三台阶分段爆破设计方案，台阶长度设计为10 m，上下台阶间距设置3倍洞经，上台阶采用楔形掏槽法，下台阶采用水平孔拉法，循环进尺控制1.0～1.5 m。根据土石分界面相对隧洞位置和角度进行微调，开挖方法严格遵循“短进尺，弱爆破，勤量测，早封闭”原则［10］，进行了不同的爆破试验。隧道爆破施工流程见图2。

爆破所采用的炮眼间距根据位置不同一般为0.4～0.9 m，炮眼深度每个循环进尺0.1～0.2 m，掏槽位置最深约为0.5 m，炮眼数目设计为150～180个左右，具体设计参数见表1。

图2 土石分界地层隧道爆破施工工艺流程图Figure 2 Flow chart of blasting construction technology for tunnel in earth-rock boundary stratum

表1 土石分界地层爆破设计参数表Table 1 Design parameters table of blasting in soil-rock boundary stratum

2.2 爆破振动方案设计

振动爆破监测主要以爆破时隧道土层分界面、钢筋混凝土套拱和洞内衬砌部位的振动速度为主。选择TC-500爆破振动监测仪和速度接收器，记录不同部位的振动速度和应力，用于调整和优化爆破设计方案，监测点布置见图3。

当炸药爆破所产生的荷载作用于掌子面以及附属建筑物时，其冲击荷载通常为具有上升段和下降段的三角形荷载，具体表达如下：

上升／下降段作用时间T1按试 （1）求解。

图3 土石分界地层爆破振动监测点布置示意图Figure 3 Schematic layout of monitoring points for blasting vibration in soil-rock boundary stratum

其中，E代表岩土体的变形模量，MPa；μ为相应位置岩体的泊松比；R代表炮孔间距，m；Q代表装药量，g。

爆破荷载产生的应力最大值P根据公式（2）来推算。

式中：Z代表比例距离，m；R代表炮孔与载荷等效作用面之间的距离，m。

3 监测结果分析

为便于分析研究，将土石分界隧道监测实施在2种典型工况下：①是土石分界位于隧道掌子面内（中部），②是土石分界位于顶拱之上 （距离1.0 m）。

3.1 土石分界位于隧洞内

隧道内围岩各个监测点主应力分布情况，见表2，掌子面监测点C的实测地表振动速度波形，见图4。

从监测结果发现：沿隧道纵向测点的振动速度一般为5.1～6.0 cm／s，受到隧道埋深和掌子面与地层相交位置影响，自监测点向深部未开挖区域振动波速有递减趋势。沿着土石分界掌子面横断面方向，由于反射应力波遇到土石界限的反射作用，振动波对混凝土钢拱架影响较为明显，特别是在拱顶部位其振动速度达到最大值7.9 cm／s，各测点速度统计发现中间位置振动速度最小，一般为0.1～1.2 cm／s。应力分布情况标明顶拱以下6 m为可能的塑性破坏区，受拉破坏的区域最大深度为顶拱以下2.6 m，均匀分布于土石交界地层以上。该结果表明：在土石分界地层爆破施工过程中应重点关注顶拱中上部围岩稳定性情况，控制土层爆破用药量。

表2 爆破初期围岩主应力分布表Table 2 Distribution table of principal stress in surrounding rock at initial stage of blasting

图4 监测点C振动速度波形Figure 4 Monitoring point C vibration velocity waveform

3.2 土石分界面位于顶拱上方

隧道内围岩各个监测点主应力分布情况，见表3；掌子面监测点D的实测地表振动速度波形，见图5。

表3 爆破初期围岩主应力分布表Table 3 Distribution table of principal stress of surrounding rock at initial blasting stage

图5 监测点D振动速度波形Figure 5 Vibration velocity waveform of monitoring point D

从监测结果可以看出，掌子面振动速度自中心向未开挖区逐渐降低，由于土石分界层位于顶拱上方，导致上部和地表振动速度存在区域差异，土层区域振动速度小于岩石层振动速度，土石分界面处振动速度高达11.5 cm／s，大于开挖区；当冲击波穿过土石界限后振速衰减变快。应力分布监测结果显示，顶拱上部50°范围内发生一定程度塑性变形，受拉破坏最大深度为1.12 m，该区域发生失稳破坏的可能性最大，应在该区域减少装药量或者采取机械掘进方式，并及时来取支护措施。

4 结论

以空树河隧道作为研究对象，针对铁路隧道爆破施工过程中遇到土石交界特殊地层条件，在分析基本地层地质概况的基础上，对土石交界地层隧道爆破方案设计和振动监控分析，得到以下结论：

a.当土石交界面为水平分布，中下台阶具有较为明显的应力集中现象；土石交界面倾斜时，内力呈现不对称分布，土层埋深较深一侧内力大。土石分界地层会改变隧道结构轴力和安全系数，但基本不影响弯矩。

b.土石分界面位于隧洞掌子面时，爆破振动沿着土石分界掌子面横断面方向发展，由于反射应力波遇到土石界限的反射作用，振动波对混凝土钢拱架影响较为明显，特别是在拱顶部位其振动速度达到最大值，应力分布情况表明塑性应力均匀分布于土石交界地层以上。

c.土石分界面位于隧洞顶拱以上时，土层区域振动速度小于岩石层振动速度，冲击波穿过土石界限后振速衰减变快，顶拱上部50°范围内发生一定程度塑性变形，受拉破坏最大深度为1.12 m，该区域发生失稳破坏的可能性最大。

d.土石分界地层常常以多种角度和相交位置与隧道相遇，同时还受到岩、土层差异以及地下水的影响。因此，对不同相交位置、岩土性质及地下水对隧道爆破振动的影响研究是今后的研究重点。