隧道开挖施工的爆破振动监测与控制技术探讨

张业伟

（中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队，杭州 310022）

1 爆破振动理论概述

爆破振动理论是研究爆破地震波产生机理、传播规律的理论[1]。爆破振动源于岩体内炸药爆炸产生的爆破地震波，爆破地震波可以在岩体内传播。装药在岩体或其他固体介质中爆炸所激起的应力扰动的传播称为爆炸应力波。爆炸应力波在距爆源点不同距离的区域内可出现塑性波、冲击波、弹塑性波、弹性应力波和地震波等。

多数岩石在爆炸冲击荷载作用下激起的爆炸应力波主要是冲击波、弹性应力波和爆炸地震波。冲击波具有陡峭波头，以超声速传播，传播过程中能量损失较大，应力衰减很快，作用范围很小，衰减后变为压缩应力波。压缩应力波以声速传播，传播过程中能量损失比冲击波小，衰减较慢，作用范围则较大，衰减后变为地震波。冲击波和应力波都是脉冲波，无周期性，能对岩石造成不同程度的破坏作用，而地震波为周期振动的弹性波，应力上升时间与下降时间大体相等，以声速传播，衰减很慢，作用范围最大，但不能对岩石造成直接的破坏作用，只能扩大岩体内原有的裂隙，威胁爆破地点附近建筑物的安全[2]。

由上述分析可知，冲击波具有传播距离短、破坏范围小、粉碎岩体的作用；应力波具有引发岩体质点扩张、径向位移、切向拉伸应变的作用，且可致使岩体质点沿着平衡位置做出直线往复运动或曲线往复运动；地震波具有延展岩体内裂缝、加剧地表建构筑物振动破坏、岩体局部相互错动的作用[3]。

2 隧道开挖施工的爆破振动的监测

2.1 监测目的

某工业村片区隧道爆破开挖工程段位里程为K0+195～K0+650，为双洞双向6 车道隧道，隧道左洞、右洞长度相同，均为455 m。隧洞爆破开挖净断面宽度为18.0 m，高度为11.5 m。工程周边地质如表1 所示。

表1 隧道爆破开挖工程左右洞各级围岩所占比例

隧道洞身主要为中风化凝灰岩岩石，围岩级别为IV 级+III 级；隧道出入洞口段由坡积碎石土、强风化灰岩组成，级别为V 级。其中，在隧道入口及明挖段存在山体（东侧）、正上方为500 kV 高压线；东侧240 m 为高压线铁塔，该铁塔距离隧洞洞身水平距离约50 m，高差约100 m；南侧200 m 为110 kV高压线铁塔，该条高压线位于山顶的铁塔离洞身水平距离约40 m，高差约150 m，距离爆破点50 m 为水库溢洪闸门及配套房屋，距离爆破点90 m 为水库大坝；其他方向300 m 范围内无重要保护对象。基于周边建筑对振动敏感程度的差异，可以将隧道爆破开挖工程距离50 m 的水库溢洪闸门及配套房屋及距离90 m 的水库大坝作为重点对象，以监测对象安全状况、破坏状况作为评估指标，预先发现、通报、控制爆破灾害，降低爆破振动的负面影响[4]。

2.2 监测内容

隧道开挖施工的爆破振动监测的主要内容为微振动监测，监测样点为两点。如图1、图2 所示，监测点1 与监测点2所测振速结果均低于国家规范GB 6722—2014《爆破安全规程》规定的安全允许振速（5 m/s），满足安全要求。

图1 测点1

图2 测点2

2.3 监测方法

根据微振动监测需求，利用成都中科测控有限公司生产的TC-4850-3 爆破测振仪，本工程爆破测振仪参数设置触发电平：0.01 cm/s，触发模式：内触发，记录模式：多次分段，记录时长：2 s；炮次：10 次；炸药量：55 kg。

爆破测振仪监测参数设置完毕后，根据监测对象分布情况分两组同时布置监测点。一个监测点位与试爆点中心距离约50 m，另一个监测点位与试爆点中心距离约90 m。起爆前10 min，利用TC-4850-3 爆破测振仪连续实时采集数据，每施爆一次自动采集一次数据，监测报警值为5 cm/s（GB 6722—2014），连续采集至爆破结束。最终结果见表2。

表2 爆破振动监测结果

3 隧道开挖施工的爆破振动技术

3.1 控制最大装药量

技术人员可以结合炸药爆炸所产生的地面震动速度计算公式（萨道夫斯基公式），计算隧道爆破开挖施工的最大装药量控制标准。炸药爆破时产生的地面震动速度如下：

式中，V 为介质质点振动速度，cm/s；k 为与爆破条件有关的系数，在介质为岩石时，k=30～70，介质为土质时，k=150～250；a为与岩石特性有关的系数，a=1～2；Q 为炸药量，齐发爆破时总装药量或分段起爆时最大一段装药量，kg；R 为爆心距离，m。

由式（1）可知，炸药爆破时产生的地面振动速度与爆破装药量呈正相关，通过控制最大装药量可以控制隧道爆破振动强度。一般在爆破炸药的单位消耗量较多时，爆破振动与空气冲击波数值也较大，极易引发岩块过度位移、抛掷问题，反之则会导致自由面反射的拉伸波效应延迟、缩小。因此，技术人员应结合爆破试验确定最适宜的单位炸药消耗量[5]。

3.2 合理应用微差起爆技术

微差爆破指在毫秒级时间间隔下，分批次起爆装填炸药的方式。在炸药总装药量、其他条件一定的情况下，微差起爆的爆破振动速度较齐发爆破振动速度小40～60 cm/s。根据隧道爆破开挖工程地质特点以及周边敏感建筑位置，设定微差爆破间隔时间为3.0～6.6 ms，质点振动速度控制目标为6.0 cm/s。进而可以选择具有抗水性、可直接起爆铵梯炸药、普通导爆索以及由不带电点火装置毫秒延期雷管+消爆管组成的导向继爆器。设备准备完毕后，利用复式楔形掏槽方式布置孔线形，以线形起爆，在保证钻孔效率的同时，便于调整起爆网络参数，控制延时时长，优化掘进孔临空面，降低质点振动速度。

3.3 有效控制爆破时差

由隧道爆破开挖振动监测结果可知，靠近自由面的炮孔爆破振动小于远离自由面的炮孔爆破振动。此时，可以通过爆破时差的有效控制，促使多排孔爆破时排间延发间隔时间超出排内孔间延发间隔时间。同时，尽可能优化炮孔爆破松动条件，降低爆破振动。比如，控制浅埋隧道敏感区段爆破时差时，可以将2 个小体积浅直眼炮孔增设在多级楔形掏槽中心，改善下一级斜眼掏槽爆破临空面条件，降低爆破夹制作用以及爆破振动。进而利用高精度孔外延时雷管，根据电子数码雷管高精度、任意延时设置的优势，优化爆破法案。在保证成对斜眼起爆时间相同的同时，促使同一排的掏槽斜眼微差延时错峰。此时，在炮孔爆破后需要10.0 ms 的延时时间，可以有效错开爆破振动峰值，达到抑制振动波公害的效果。

为尽可能减少岩石爆破振动对敏感建筑的危害，技术人员应以分割前排炮孔起爆后形成的振动波主振相为目的，设定围岩周边眼距为0.45～0.55 m，最小抵抗线为0.70 m，炮眼深度为5.0 m。进而准备1～15 段非电毫秒延期雷管以及间隔200 ms 的等差雷管。其中，掏槽孔采用非电毫秒雷管1～7 段，扩槽孔、掘进孔、二圈孔、周边孔与底板孔则利用8～15 段等差雷管，控制爆破平均循环时间在17.5～18.0 h，平均振速在0.28～0.52 cm/s。

3.4 采用预裂爆破技术

预裂爆破特指在起爆源、被保护物体之间进行一排垂向孔的钻凿，垂向孔与地表角度呈90°。在垂向孔钻凿后，事先在主装药孔爆破前对垂向孔进行装药施爆，获得一个与地层表面呈90°的裂隙面，促使地震波在到达地面前出现反射，尽可能减小地震波向被保护物透射的能量。除垂向孔钻凿外，技术人员还可以选择挖掘减振沟的形式。即在起爆源、被保护物之间挖掘一条沟道（或钻凿密集分布的若干排空孔），利用减振沟的反射波效用，降低隧道爆破开挖时振动公害。

在应用预裂爆破技术时，效果受不耦合作用、装药结构、起爆时间间隔、钻孔质量、堵塞长度等因素的影响[6]。其中，不耦合作用指利用装药、孔壁之间的间隙减弱炸药爆破作用于孔壁的初始压力，在线装药密度一定的情况下，不耦合系数与孔距呈负相关，一般可以设定不耦合系数在2～4；装药结构是保证细长药卷间隔起爆可靠的关键，技术人员需要根据炮孔底部夹制作用，沿炮孔内孔全长进行导爆索敷设；起爆时间间隔是振动控制的关键，需要促使预裂孔超前于主炮孔起爆，超前延时在100.0 ms 以上；为保证钻孔质量，技术人员应选择同一个平面，垂直钻孔，促使孔底落入一条水平线，垂直钻孔偏差在20.0 cm 以下，孔底水平偏差在15.0 cm 以内；堵塞长度是保证高压爆炸振动控制的关键，为形成完整的预裂缝，技术人员应控制堵塞长度在孔径的12～20 倍。

4 结语

通过爆破监测不仅可以及时发现隧道爆破开挖过程中存在的振动风险苗头，而且可为隧道爆破开挖风险的预先控制提供依据。因此，在隧道开挖施工过程中，为尽可能降低隧道开挖施工的爆破振动负面效应，技术人员应根据监测结果，在控制隧道爆破开挖最大装药量的同时，恰当应用微差起爆技术控制爆破时差。结合预裂爆破技术的合理应用，保障隧道爆破开挖顺利进行。