分岔段超小净距隧道爆破围岩振动衰减特征

2021-09-06刘传阳杨年华张雷彪黄仕凯

工程爆破 2021年4期

刘传阳，杨年华，张雷彪，黄仕凯

(1.中铁电气化局铁路工程公司，北京100036；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京100081)

随着交通基础设施建设的迅速发展，交通隧道中经常遇到一条双线隧道分岔成两条单线隧道的情况，在隧道分岔段两条单线隧道的隔墙间距非常小，相邻隧道爆破可能造成邻近隧道严重的爆破振动安全问题，直接影响隧道隔墙的安全稳定。笔者结合台州市域铁路S1线城南藤岭隧道分岔段爆破施工的经验，研究了邻近隧道的爆破振动衰减规律，对超小净距隧道爆破振动控制有重要参考价值。

1 工程概况

台州市域铁路S1线城南隧道城区段采用盾构法施工，山岭段隧道采用钻爆法掘进，从S1DK48+332开始向小里程方向，由单洞双线分岔为双洞单线，如图1所示。勘察资料表明S1DK48+363～S1DK48+270段围岩整体为中～弱风化凝灰岩，节理裂隙较发育，地下水不发育，岩体呈块状，属于Ⅲ级围岩。分岔处围岩隔墙仅厚2.4 m，前进62 m后隔墙厚度逐渐增至4.2 m，该段隧道属于超小净距隧道施工区。双洞单线部分隧道宽7 m、高9 m，开挖面积56.05 m2；单洞双线部分隧道宽16.4 m、高12.8 m，开挖断面积在143.3 m2。

2 隧道分岔段爆破施工方法和振动测试方案

2.1 爆破施工方法

在确保安全的前提下，为加快施工进度，右线隧道先行，右线隧道掌子面前进70 m以后再开挖左线隧道。左线隧道钻爆开挖时应加强对中隔岩墙的安全监测，并采用分部爆破法掘进。即先爆破开挖远离中隔岩墙的大半断面，再爆破靠近隔墙的预留光爆层(见图2)。

图2 爆破开挖顺序及预留光爆层炮孔布置Fig.2 Blasting excavation sequence and blast-holes layout for smooth blasting of preserved layer

由于预留光爆层爆破有良好的临空面条件，可最大限度减弱爆破对隧道中隔墙岩体的损伤破坏，还能最大限度降低相邻先行隧道的爆破振动。另外，在先爆破的①区，因掏槽爆破孔尽量远离中隔岩墙，从而降低了掏槽爆破的振动影响，达到安全高效掘进的目的。爆破设计技术参数如表1所示。但在实际钻孔爆破过程中受地质条件变化及钻爆人员的操作影响，不可能完全按照设计的孔数和药量爆破，后面的振动衰减规律统计分析都是以现场跟踪记录获得每一炮的真实数据为依据。

表1 左线隧道技术参数

2.2 振动监测方案

根据以往的经验和模拟计算，相邻隧道爆破产生的爆破振动最大值基本位于隧道起拱处或直墙中部[1-2]。因此在右线先行隧道段的隔墙中部布置爆破振动监测点最具有代表性(见图1)。图1b中1#～5#测点分别距离分岔点为5、10、20、40、62 m，各测点的振动速度传感器埋放在墙壁内。为研究隧道分岔处后行左线隧道爆破对相邻右线隧道隔墙的振动安全问题，分为4组分析研究爆破振动衰减规律。①区掏槽爆破和②区预留光爆层爆破对前方未形成中隔墙区段和后方已形成中隔墙区段的振动传播和影响关系如图3所示。

图3 爆破振动波向隔墙前后传播Fig.3 Seismic wave propagates to the front and back of the partition rock wall

3 爆破振动监测数据分析

3.1 4组爆破振动衰减规律对比分析

从隧道分岔处开始向前70 m范围隧道围岩都是中～弱风化凝灰岩，地质条件基本相同，中隔岩墙厚度变化较缓，可以当成2条超小间距隧道看待。因此在本区段开展的4组爆破振动测试状况具有可比性，试验成果也可用于类似超小净距隧道的爆破振动控制。

图4 未形成隔墙区段的爆破振动衰减规律Fig.4 Attenuation law of the blasting vibration on the front without partition wall

从图4～图5的爆破振动衰减规律来看，可以得到。

1)相邻隧道爆破对前方未形成中隔岩墙区段的爆破振动相对较小，但衰减较慢；对后方已形成中隔岩墙区段的爆破振动系数K值比前方未形成中隔岩墙区段要大1.4倍左右。分析其原因，主要因中隔岩墙两侧都临空后自由度增大，且振动波发生往复反射叠加，使得临空的中隔岩墙对振动有一定放大作用。表现为爆源附近最大振动速度分量为垂直临空面的x方向；随着振动波传播距离增大，测点至爆源径直方向逐渐趋向平行临空面的y方向，所以20 m以外的测点基本上最大振动速度分量为y方向。虽然爆源附近中隔岩墙的振动强度有所放大，但隧道挖空后中隔岩墙两面临空，爆源向中隔岩墙后方传输的振动能量减小，距离越远后方的振动波能比前方更显著衰减，表现为爆破振动幅值衰减较快，实测振动衰减指数α大于1.5。

2)①区掏槽爆破的振动明显大于②区预留光爆层的爆破。分别将图4、图5中图a和图b对比，发现图a中①区掏槽爆破的振动系数K值比图b偏大约1.2倍。实际上虽然②区预留光爆层爆破的单段药量达5～10 kg，但对应洞壁上测得的爆破振动速度峰值并不大，多数情况下都小于①区掏槽爆破单段药量为3～5 kg的爆破振动幅值。其主要原因是：①区掏槽爆破临空面条件差，爆破夹制作用大，所以有更多的爆破振动能量传入围岩中，而②区预留光爆层爆破已经有充足的临空面条件，爆破破岩产生的反作用力较小，从而只有更小的爆破振动能量传入围岩中。

3.2 各段别雷管爆破振动衰减规律对比分析

通常分析爆破振动衰减规律时，只统计最大单响药量及对应的最大爆破振动速度峰值，如果不对应振动波形的时段分析，这样简单的统计回归分析，可能会因最大单响药量与最大爆破振动速度值不能对应，而得出错误的结论。根据以往的经验，我们知道掏槽爆破产生的振动强度最大[2-3]，这基本上是公知的认识。本次试验完整地对每个雷管段别的炮孔数及药量总和进行了统计，并对应地分析了各段雷管起爆时间对应的爆破振动峰值速度，据此全面对比分析各段别雷管爆破对应的振动衰减规律，①区MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13段雷管爆破对应的振动速度衰减规律如图6所示，因使用MS1段雷管爆破炮次较少，受炮数限制在此只能放弃MS1段雷管的对比。

图6 各段雷管的爆破振动速度衰减规律Fig.6 Attenuation law of the particle vibration velocity for blasting in each delay group

从以上统计规律中得到如下认识。

1)随导爆管雷管段位增大，同段炮孔起爆时差的离散性增大[2-6]，回归统计分析得到的相关性变差。鉴于雷管段位越高，同段位各炮孔实际起爆时间偏差越大。MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13段雷管爆破的实测波形如图7所示。

图7 典型实测爆破振动波形Fig.7 Typical waveform of blasting vibration measured in site

从图7看出，MS7段以内的雷管爆破振动波形时宽较窄，说明各炮孔基本同时爆炸，振动波时段比较集中。MS7段以上雷管爆破振动波形时宽明显变长，尤其MS11段雷管炮孔数最多(16孔)，振波显示MS11段雷管在420～510 ms时段发生爆炸，所以振动波比较分散；MS13段雷管共3个炮孔，振动波时宽也在620～680 ms范围，基本上为各孔单独爆炸。波形分析表明高段位雷管不适合将所有炮孔的药量合并，再按单响药量来回归分析爆破振动衰减规律。我们尝试单独统计各段位雷管爆破药量及对应的振动速度最大值，发现掏槽爆破的MS3段雷管对应的回归分析参数K、α值比较合理，且趋势线相关性很好；MS5段雷管对应的回归分析参数K、α值可供参考，趋势线相关性好；MS7段以上雷管爆破所得回归趋势线超出合理范围了，且相关性逐渐变差。说明对于隧道爆破且距离较近的范围内，非掏槽爆破的高段位雷管引爆，难以获得准确的爆破振动衰减规律。因为其高段位雷管起爆延迟误差很大，而且扩槽孔或周边孔分布距离分散，导致各炮孔至测振点的距离变化较大，难以准确计算出真实的单响起爆药量和爆源距离，所以按照萨道夫斯基公式分析时，不能将爆破振动幅值对应真实的单响起爆药量和爆源距离。如果该测振点处于10倍洞径以外，扩槽孔或周边孔的距离分散致使同段爆源距离发生的变化可以忽略，但高段位雷管的延时误差仍然不能忽略。因此，高段位雷管爆破预测的振动衰减规律可靠性很低。

2)随导爆管雷管段别增大，且相应的爆破临空面条件变好，振动系数K值变小，高段位雷管单段起爆药量可以显著增加。隧道爆破掘进一般由中间掏槽向外扩爆，首爆掏槽孔临空面条件最差，后续各段爆破临空面条件逐渐变好。根据各段波形峰值速度判读及相应的统计回归趋势线分析，完好映证了MS3段雷管掏槽爆破振动峰值速度最大，随后各段位爆破临空面条件逐渐变好，产生的爆破振动峰值速度显著降低，表现为K值明显变小(见图6)。当然高段位雷管爆破振动系数K值变小的原因也与同段位雷管非同时起爆有关，但是根据各段爆破药量和对应的振动峰值速度分析，最重要的原因是临空面条件变好、爆破夹制作用减小，极大地降低了爆破振动效应，导致K值明显变小。因此MS7段以上雷管爆破单段药量可以加大，雷管段位越高单段药量可以更大，而且MS7段以上雷管不需跳段使用，雷管段位连续排列不会导致爆破振动叠加，也不会影响爆破效果，反而更加方便降减单响药量，提高爆破进尺。