复杂浅埋地铁隧道微震爆破精细设计与控制研究

2021-03-22王峰

河南科技 2021年25期

王峰

摘要：近些年，我国隧道建设进入高速发展阶段，其中浅埋隧道路段的开挖一直是个技术难题。虽然近些年我国对于浅埋隧道开挖技术有了进一步研究，但是与世界先进技术还有一定差距。隧道是我国目前主要的交通运输方式之一，关系着我国的经济命脉，尤其是城市地铁隧道有着其他运输工具不可替代的作用。本文基于微震爆破技术进行地铁隧道开挖研究，以期对该项技术的特点及控制要点有更加深刻的认识，从而为相关的地铁浅埋段施工提供有价值和有建设性的参考建议。

关键词：抗震性能;浅埋隧道;爆破施工

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）25-0097-04

Study on Fine Design and Control of Microseismic Blasting in Complex Shallow Geological Tunnel

WANG Feng

（China Railway Tunnel Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In recent years， China's tunnel construction has entered the stage of vapid development， and the excavation of shallow tunnel section has always been a technical problem. Although there has been further research on Shallow Tunnel Excavation Technology in recent years， there is still a certain gap with the world's advanced technology. Tunnel is one of the main modes of transportation in China. It is related to the economic lifeline of our country and plays an irreplaceable role in other means of transportation. In this paper， tunnel excavation is carried out based on microseismic blasting technology. Through the research and analysis of microseismic blasting technology in shallow tunnel， we have a deeper understanding of the characteristics and control points of this technology， and provide constructive suggestions for the construction of using this technology.

Keywords： seismic performance;shallow buried tunnel;blasting construction

以某地区浅埋地铁隧道的建设为例，其主要穿越的地层为云母片石区域，地质构造复杂，裂隙断裂带较为发育，上部为浅埋地层。对于该区域岩层开挖，采用常规爆破施工会影响上部稳定和安全，同时爆破作业会对岩层的节理造成影响。浅埋地铁隧道所处区域不同，地质情况也不相同。对于要求较高的地铁开挖施工，爆破作业需要更加精确，要求考虑围岩的差异性对爆破施工的影响。微差爆破具有明显的优势，对于地铁开挖作业来说，安全性高，开挖尺寸可控，对周边地质情况影响较小。

本工程由于岩层风化较为发育，地铁隧道浅埋段受到地下水和降雨量的影响，出现了渗水和滴水现象，在施工中需要严格控制开挖进尺，并及时采取有效的措施进行支护。通过水质分析，地下水对混凝土无腐蚀危害的风险，需要根据已有的地质灾害发生情况进行具体分析，从而判断开挖地质的稳定性。若岩层的断裂带与隧道走向呈大角度相交，会对隧道施工造成一定的影响，因此隧道施工前需要进行超前地质预报和超前支护。

隧道进出口地层位于山体斜坡处，开挖处属于浅埋隧道段，根据实际地质状况分析，自然状况下岩体较为稳定。开挖位置覆盖层表面属于V级围巖，经分析，开挖可能会造成坡体滑塌，需要对仰坡岩体加固后进行微震动爆破，以更好地保护岩体结构的稳定性和完整性[1]。

1 浅埋地铁隧道超欠挖控制措施

1.1 隧道超欠挖成因

1.1.1 地质条件因素。在非主观因素影响下，围岩的节理和裂隙发育对开挖精度影响很大。由于围岩节理发育较好，裂隙宽度较大，炮孔布置的定向爆破扰动破碎围岩产生塌落会造成超开挖，爆破布药量不足时就会产生欠开挖。该地层围岩地质较差，超欠挖控制较为困难。

1.1.2 隧道爆破方案不合理。根据围岩等级的不同，爆破作业孔的布置方式也不相同。为更加精准地进行爆破，Ⅲ级围岩炮孔布置间距可以适当加密，周边稳定岩层不易受到爆破施工破坏，相对爆破开挖精度较容易控制。Ⅴ级围岩较为破碎，在爆破作业过程中，布置间距小，则容易导致爆破影响周边岩体破碎脱落;布置间距过大，则不能够有效精准开挖。因此，对于爆破作业，岩层较为破碎的地段更容易发生超欠挖的情况。

1.1.3 施工管理因素。隧道施工中需要采用合理的组织管理方式和有效的控制措施，才能更好地保证施工质量。施工开挖中常会由于施工控制不严格，导致超欠挖的情况。为防止由于管理问题导致发生的超欠挖情况，技术人员需要端正态度[2]。

1.2 微震爆破技术

将起爆孔布置在开挖轮廓线位置，爆除需要开挖位置的岩体并将其清除，形成一个完整光滑的开挖断面，即光面爆破。光面爆破是开挖岩体最常用的爆破方法，依据现场专业爆破计算后根据轮廓线确定炮孔的布置间距和布置方式[3]。

不耦合装药采用小于炮孔直径的装药方式，空气隔层能够在炸药起爆过程中降低炸药对炮孔的压力，延迟了爆炸对开挖面的破坏时间，而且可以通过压缩空气对墙壁产生缝隙切割效果，以增加爆破精度。炮孔直径和装药直径的比值为爆破的不耦合系数。当不耦合系数等于1时，说明炮孔就是装药的直径;当炮孔不耦合系数大于1时，说明炮孔和装药之间存在空气夹层。根据以往经验，炮孔不耦合系数和爆破对孔壁的最大剪切应力呈指数变化，通常在工程实际中取值1.5～2.5。以下通过Ⅲ级围岩炮孔布置方式（见图1）和V级围岩炮孔布置方式（见图2）更加直观地了解不同围岩炮孔的布置形式。

炮眼痕迹保存率=残留有痕迹的炮眼数/周边眼总数×100% （1）

以下采用微震不耦合爆破方式进行装药。延迟起爆破坏是爆破中的一项重要参数，起爆范围叠加越大，起爆时间间隔越短，对于降低震动速度越不利，而起爆时间间隔过长则不利于爆破开挖进度和质量的控制。根据工程爆破经验，采用爆破时间间隔大于50 ms的非电毫秒雷管引爆，以减小对开挖面的震动作用[4]。

对于围岩级别较高的软弱围岩结构，光面爆破时通常采用延时药包分时间进行起爆，毫秒雷管引爆。为了更好地控制爆破能量和震动破坏力，采用如图3所示的不耦合装药方式，同时结合毫秒微差起爆装置进行爆破。

2 微震爆破设计控制

2.1 微震爆破选择

2.1.1 装药结构控制。根据地质的不同结构特点选择周边眼不同的装药结构和双传爆线装药结构，通常适用于岩层结构较破碎的Ⅳ级、Ⅴ级围岩;底部适当增加药量，小直径药卷、传爆线装药结构形式适用于中等Ⅲ级围岩结构;采用小直径光爆连续装药结构进行完整Ⅰ级、Ⅱ级围岩爆破。实践证明，采用炮泥堵塞装药部位效果要比堵塞在炮孔口爆破效果好。本次选用的工程开挖方式采用微差爆破，采用双传爆线装药结构形式布孔设计，分段微差起爆效果良好[5]。

2.1.2 底板眼起爆设置。通过加大药量进行底板眼爆破的做法在实际工程中应用最多，爆破采用同时起爆的方式，以最大限度翻出开挖渣体。监测表明，隧道开挖爆破产生的震动掏槽眼爆破最大，底板眼爆破影响围岩次之，因此这两种爆破方式都不适用于浅埋隧道的开挖作业，不利于围岩稳定。结合掏槽眼爆破和底板眼爆破特点采用延时起爆，能减少药量爆破叠合作用，改变围岩抵抗线方向，以减弱爆破强度对围岩的影响。

2.1.3 爆破参数的选择及监测。通过计算法、现场实验法和工程类比法选择合适的爆破参数，再在实际工程实施过程中不断进行调整，可逐步使得爆破工程参数符合工程实际要求。

结合爆破作业周边的重要影响因素进行爆破监测，更好地掌握建筑结构物和工程支护受爆破震动的影响;通过超欠挖控制分析，选择合适的钻爆方法，并进行钻爆设计。爆破监测点设置在拱脚、拱顶以下1 m位置，测点距离掌子面距离以爆破飞石不损坏监测点为准。

2.2 微震爆破方案设计

根据不同的地质状况，采用合适的微震爆破设计至关重要。设计时需要根据周边建筑物的分布及影响进行综合考虑，同时考虑隧道的超欠挖问题，尽可能减小对洞壁围岩结构的扰动，充分利用隧道围岩自稳定的受力特点进行设计。有效控制爆破开挖施工作业对山体的破坏，以保证地表结构的安全稳定，同时达到设计要求的轮廓开挖形状。根据萨道夫斯基公式进行炮孔最大装药量计算，通过控制最大装药量来控制震动波的大小[6]：

Q=RV/K （1）

式中：Q为最大爆破段允许最大装药量，kg;V为震动带的安全控制标准，cm/s;R为震源中心和震速控制点之间的距离，m;K为与地震波传播途径介质的性质、爆破技术有关的系数;α为爆破振动衰减指数。

本项目装药结构控制按照下列规定确定。

①周边眼装药结构可采用间隔装药方式、小直径连续装药方式、导爆索装药方式和空气柱状装药方式（见图4至图7）。本次软弱V级围岩选用小直径连续装药方式、导爆索装药方式和间隔装药方式3种形式。当炮眼深度小于2 m时，通常采用空气柱状装药方式。

②为提高炸药的能量和爆破效果，应采用反向装药方式;有瓦斯、煤尘爆炸危险的开挖工作面，应采用正向装药方式。周边眼按药卷直径的不同应采用连续装药或间隔装药方式，其他眼应采用连续装药方式。

③掏槽眼施工方法较为成熟，但是爆破震动大，不适用于浅埋地铁隧道的施工。改进后为了减小震动影响，将掏槽眼改成楔形掏槽，有利于减少扰动，增加爆破安全性。在地下水位较丰富的地区，周边眼采用乳化油光爆炸药较为合适。采用微差爆破、非电毫秒雷管爆破、电雷管起爆等方式能够有效控制精准爆破。

已有资料表明，间隔时差爆破具有以下规律：在爆破频率100 Hz以下，软弱围岩爆破产生的震动影响较小，最大持续时间在纵横向最大可达到200 ms左右，竖向最大持续时间可达到100 ms左右。采用跳段式导爆雷管能够减小震动后的爆破叠加作用，爆破时差一般采用100 ms间隔较为合适。每次爆破作业进尺需要根据实际开挖断面的地质构造特点、工期具体安排以及安全作业深度等综合评估后确定。

3 微震爆破的振动效果评价

3.1 监测结构及工作原理

本次爆破监测设备由2个接收换能器和1个发射换能器组成，通过发射换能器发送信号至接收换能器进行波变化数据接收。对于监测使用的换能器，要求径向无指向性、轴向无指向性、发射功率要大且有足够的接收灵敏度。最內侧监测孔的3次监测数据变化曲线如图8所示。

3.2 测试结果评价

由测试点1的3次波速与孔深的变化曲线可以看出，随着监测次数的增加，同一深度爆破后比爆破前的波速小很多，表明随着爆破作业次数的增多，围岩的结构损伤增加。可见，损伤是爆破震动产生的。

4 结语

通过工程实例对浅埋隧道爆破作业影响进行综合分析，系统介绍了浅埋隧道微震爆破的技术特点与质量控制要点，综合分析出降低浅埋隧道爆破作业风险的有效措施和方法，通过采用微震爆破技术达到了理想的开挖效果。基于案例出发，可为浅埋隧道爆破技术提供参考意见，以期为类似工程爆破施工提供借鉴。

参考文献：

[1]王莉荣.建筑设计在建筑抗震设计中的作用分析[J].居舍，2021（20）：90-91.

[2]何山，郭剑锋，韩全吉.山岭隧道微差爆破技术在周边建筑物保护中的应用[J].科技通报，2019（1）：15-18.

[3]郑雨.城市中心区域浅埋偏压隧道微振动爆破施工技术[J].市政技术，2018（3）：151-155.

[4]冯叔瑜，吕毅，杨杰昌，等.城市控制爆破[M].北京：中国铁道出版社，1985：69-73.