城市轨道交通暗挖隧道错相减震爆破技术研究

舒文军 SHU Wen-jun

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

1 工程概况

为验证“单孔单响错相爆破减震施工技术”的实际效果，以贵阳市轨道交通S1 线黄河北路站～望城坡站区间为依托，进行错相减震技术实验。黄河北路站～望城坡站区间隧道结构顶板埋深随地形起伏变化较大，埋深16～70m 不等，围岩岩性为砂质泥岩、泥岩、泥质砂岩、砂岩，全、强风化带厚2～25m，隧道结构处于地下水位以下，洞身全断面穿越中风化岩层中，顶板以上中风化带厚1～55m；中风化泥岩夹砂质泥岩、页岩，中风化泥岩、砂岩互层，中风化砂岩场地内分布连续，地层均匀性相对较好，稳定性好。中风化灰岩夹泥岩于场地内后段在洞身段有分布，灰岩、泥岩呈互层状分布，地层均匀性相对一般，稳定性一般。

区间隧道线路周边环境复杂，分别下穿市政主干道路、高层钢筋砼建筑、低矮民房及高填方区，地面建筑物密集，车流、人流较多，爆破过程中如何在保证地面环境的安全下，经济有效的进行隧道施工是工程重难点。

2 施工方案

2.1 施工方案

隧道爆破开挖采用浅孔爆破，台阶法开挖，整体断面40.84m2。爆破布置掏槽孔、辅助孔、周边孔。以掏槽孔最先起爆，为其他炮孔增加新的临空面，辅助孔扩大掏槽孔爆出的槽腔，为周边孔爆破创造有利条件，最后周边孔起爆控制隧道断面的成形轮廓。

相比传统爆破方式，单孔单响错相爆破减震施工技术在多炮孔起爆时，通过控制炮孔之间的起爆延时间隔，使达到被保护点的爆炸波主振相错开约半个周期，使得振波的波峰和波谷相抵消，实现爆破振动的降低。

2.2 理论依据

爆破开挖的最大振动速度值决定于单段的最大用药量，结合错相减震原理，依托数码电子雷管起爆精准授时优势，采取单孔单响爆破，充分解决了单段最大用药量的影响，再综合采取台阶分部开挖、控制爆破进尺、增加钻眼数量，从而将保护对象控制点的爆破振速控制在设计允许范围内，有效降低爆破振动对保护目标的有害影响。根据《爆破安全规程》GB6722-2014、爆破安全规程实施手册等相关规定要求，进行爆破方案设计，对地表建筑物爆破振速进行实时监测、及时数据分析，适时、动态地调整优化爆破参数，达到减震目的。

2.3 工艺流程

爆破施工工艺流程：布孔→钻孔→清孔→装药→填塞→联网→设置防护→警戒→起爆→爆后检查→解除警戒。

2.3.1 方案设计

隧道为马蹄形结构，断面整体尺寸为40.84m3，采用台阶法施工。

2.3.2 炮孔直径

由于地下水以基岩裂隙水为主，水量较发育，因此选用二级岩石乳化炸药，药卷直径为32mm，长度300mm，每卷质量0.3kg。

根据现场施工常用的钻孔设备和选用的药卷直径，确定炮孔直径为42mm。

2.3.3 炮孔数目

根据各炮孔平均分配炸药量的原则计算，其公式为：

式中，开挖断面：S=40.84（m2）

单位炸药消耗量：q=0.85（kg/m3）

装药系数τ 综合考虑各炮孔选取：τ=0.27

乳化炸药的每米重量：γ=0.88（kg/m）

取98 个炮孔。

2.3.4 每循环炮孔深度

按每掘进循环的进尺数来确定炮孔深度，其公式为：

式中，每掘进循环计划进尺数：l=1.2（m）

炮孔利用率：η=0.85

代入上式，则每循环炮孔深度为：

实际取炮孔深度为1.4m，一般掏槽孔较炮孔深度加深0.2m，则为1.6m。

2.3.5 炮孔布置

①掏槽孔。为保证掏槽效果，上台阶采用楔形掏槽，下台阶不设置掏槽孔。根据岩石条件和楔形掏槽参数，在隧道上台阶断面的中下部布置8 个掏槽孔。掏槽孔深为1.6m，比其他孔深0.2m，炮孔倾角68°，炮孔长度为1.73m。

②辅助孔。上台阶在掏槽孔与隧道轮廓线中间拱顶位置均匀布置一圈辅助孔，辅助孔与周边孔最小抵抗线为550mm，另外分别在掏槽区域上部增加3 个辅助孔，两侧均匀布置3 排，间距600mm，共布置辅助孔数目为32 个。

②周边孔。周边孔布置时，为了控制断面成型，以上台阶开挖轮廓向内4cm 为界，等间距布置周边炮孔，共设置周边孔17 个，间距650mm。

下台阶共布置4 排辅助孔，除第一排间距800mm 外，其余3 排间距均为850mm，排间距1m，共布置炮孔数目28 个。

④底板眼。本设计共布置13 个底板眼，孔间距600mm。

炮孔布置图见图1。

图1 炮孔布置图（单位：mm）

2.3.6 装药量计算

①每循环装药量。

式中，V 为1 个循环进尺所爆落的岩石总体积（m3），其值为：

代入上式，则：

②单孔装药量。

掏槽孔装药系数τ=0.4，辅助孔装药系数τ=0.3，周边孔装药系数τ=0.2，单个炮孔的装药量与装药卷数如下：

1）掏槽孔

实际取2 卷，单孔装药量为：

2×0.3 =0.6（kg）

2）辅助孔

实际取1.5 卷，单孔装药量为：

1.5×0.3 =0.45（kg）

3）周边孔

实际取1 卷，单孔装药量为：

1×0.3 =0.3（kg）

4）底板孔

底板孔装药量与辅助孔相当，每个孔装药1.5 卷，单孔装药量0.45kg。

考虑到下台阶第一排炮孔（71～79 号孔）抵抗线较小，可较少装药量至0.3kg，则装药量Q 合计为：

此值略大于按体积公式计算的总装药量，但误差不大，所以按41.4kg 装填炸药。爆破参数表见表1，经济技术指标见表2。

表1 爆破参数表

表2 经济技术指标

2.3.7 起爆顺序

总体起爆顺序为先上台阶，后下台阶。上台阶先起爆掏槽眼，再起爆辅助眼，周边眼，最后底板眼。

根据单孔单响错相爆破减震技术的原理，严格控制单响药量，降低振动效应对建筑物的影响，最大限度的减振，保证建筑物的安全。为了避免爆破地振波的叠加，掏槽孔及辅助孔各段微差时间控制在13ms 左右，周边孔各段微差时间控制在20ms 以上（具体微差时间根据现场情况进行调整）。设计时差的目的是既利用共同作用原理，使爆破效果好，又能使爆破达到一定干扰降振效果，爆破地振波也不会产生叠加。

上台阶：掏槽眼（1#～8#孔）延时（10ms～101ms）单孔间隔13ms；辅助眼（9#～40#孔）延时（118ms～611ms）单孔间隔17ms；底板眼（41#～53#孔）延时（628ms～866ms）单孔间隔17ms；周边眼（54#～70# 孔）延时（886ms～1206ms）单孔间隔20ms。

下台阶：辅助眼(71#～98# 孔）延时（1226ms～1766ms）单孔间隔20ms。

爆破延时参数表见表3。

表3 爆破延时参数表

3 爆破效果

为保证隧道周边房屋建筑安全，参建各方经研究在黄望区间YDK39+600～YDK39+580 开展错相减震爆破技术试验。

试验段地质掌子面以中风化砂质泥岩夹泥岩为主，粉砂质结构，薄层-中厚层状构造，有少量渗水，隧道拱顶地面较为平坦，埋深37.4m。试验段周边无重要建筑（构）物及管线。

试验段施工时间共计18 天，爆破14 次。

3.1 监测情况

爆破安全规程（GB6722-2014）规定：地面建筑物的爆破振动，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率。根据爆破安全规程、施工经验和工程实践表明，地面最大振动速度与建筑结构破坏的相关性最好，所以目前广泛采用最大振速作为结构安全的评定标准。本次试验段采用为成都中科测控研产的TC-4850 爆破测振仪，该型仪器可以测量爆破振速X、Y、Z 三个分量振速。根据规范内《爆破振动安全允许标准表》，一般民用建筑物在主振频率f＞50Hz 时，允许振速为2.5～3.0cm/s。

根据试验段周边环境情况，共设5 个测点，其中1#监测点为拱顶上方前35m 地表，2#监测点为拱顶上方地表，3#监测点为拱顶上方左20m 地表，4#监测点为拱顶上方右20m 地表，5#监测点为拱顶上方前25m 地表。

3.2 施工情况

黄望区间试验段爆破监测14 次，最大振动值为0.98cm/s，其中3# 监测点（拱顶上方左20m 地表）测得6次振动值最大值，2#监测点、4#各测得3 次。均远小于规范允许安全振速。

黄望区间试验段爆破振速折线图见图2。

图2 试验段爆破振速折线图（单位：cm/s）

以2021年12月29 日振动监测情况为例，2# 测点（拱顶上方）振动数值为0.74cm/s，较为异常。经对该点波形分析和现场情况，原因为上循环右侧拱脚位置围岩变化，强度较高导致局部欠挖，本次施工在装药过程中将69、70 号炮眼各增加0.15kg 炸药，导致本次振动值偏高。后经过在左右拱脚增加一炮眼，分散装药后，振速明显降低。2#测点波形图见图3。

图3 2# 测点波形图

4 结论

文章介绍了单孔单响错相爆破减震技术的施工工艺及参数设计，经过爆破试验，该技术确可有效降低爆破振速，使振动值远低于规范允许振速。在工程实践中，必须按照每爆必测的原则，通过对隧道顶端以及地面较近的结构物、建筑物进行爆破振动数据采集，进行信号频谱分析，不断优化调整爆破参数，做到“岩变我变”，及时准确地修正钻爆设计和调整钻爆参数，并保证爆破设计的实施，确保爆破质量。另外，由于隧道断面狭小，机械运转不便，特别是上台阶拱脚部位，机械开挖困难，爆破过程中应密切注意拱脚部位围岩情况，如果需要增加药量，应增加一个炮孔分担药量，避免单孔药量增大引起振速过大。研究成果的应用为黄河北路站～望城坡站区间临近建（构）筑物施工提供有利保障，也为类似工程提供参考。