复杂环境下浅埋隧道智能减震爆破施工技术

2022-07-27华涛马建清陈勇张庆明黄明奎

重庆建筑 2022年7期

华涛，马建清，陈勇，张庆明，黄明奎

（1 重庆交通建设（集团）有限责任公司，重庆 401122；2 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

城市地铁隧道施工环境多具有地质条件差、埋深浅和周边环境复杂等特点，浅埋暗挖法能克服明挖法对地面交通造成的影响。相对于TBM 或盾构等机械开挖，钻爆法对复杂地层具有较好的适应性和灵活性，已在复杂环境工程下的城市地铁等浅埋隧道施工中得到了广泛应用[1]。然而，在复杂环境下的地下工程施工中采用钻爆法掘进，将不可避免地产生爆破有害效应，如爆破震动、噪音等，不仅影响工程的开挖质量和开挖支护效率，而且给周围建（构）物的安全和居民生活带来较大影响[2]。因此，如何控制爆破掘进过程中的爆破有害效应，已成为复杂环境下浅埋隧道钻爆施工的关键技术难题。目前，降低爆破有害效应主要有三种方式[3]：（1）降低爆破震源的震动强度；（2）阻隔或切断爆破振动波的传播路径；（3）对受爆破影响的建（构）物加以保护。国内工程主要以第一种方式降低爆破有害效应，如分段微差爆破[4]、减小炸药用量[5]、减小一次爆破开挖断面或减小爆破进尺[6]等。这些方式在一定环境下虽能将爆破震动控制在安全规程要求的范围之内，但在复杂环境下势必降低隧道的掘进效率，增加施工成本，因此难以在城市等复杂环境下被建设单位采用。所以在城市等复杂环境下采用一种高效、科学以及低成本的隧道爆破减震开挖技术尤为重要[7]。本文以重庆市轨道交通环线沙玉区间隧道钻爆开挖工程为背景，研究分析了复杂环境下浅埋隧道智能减震爆破施工技术，在工程实践中取得了较好效果，结果可为类似条件下钻爆施工减震提供借鉴和参考。

1 智能减震爆破施工技术

爆破振动控制是复杂环境下浅埋隧道爆破施工的关键技术之一，对爆破施工工期、工程的经济效益以及社会效益造成直接影响[8-9]。本文以重庆轨道环线浅埋隧道钻爆开挖工程为例，对智能减震爆破施工技术开展研究，得到了如下智能减震爆破施工技术：

（1）结合现场地质环境条件，分析隧道开挖引起地应力重新分布的特点和规律，确定围岩受力合理的隧道分部开挖的断面形状和尺寸[10]，以调整和改善隧道开挖成形后周边围岩受力条件，使分部开挖断面轮廓形成“压力拱”，充分利用围岩自承能力，在降低围岩压力的同时，极大减弱后续主爆炮孔爆破对“压力拱”外岩体的影响，减小爆破震动；

（2）空孔能有效阻止爆破应力波的传播，当应力波在传递过程中遇到空孔时，其能量能够得到极大的转换和释放，可极大降低爆破震动[11]。基于此原理，在传统预裂爆破技术的基础上，本减震技术对传统预裂孔进行改造，通过研究和分析，周边预裂孔采用每两个装药孔中间加一个空孔，即预裂减震空孔。一方面空孔可改善岩体的夹制作用，为预裂缝贯通创造有利条件，另一方面还可减小装药孔数量，进而减少周边孔起爆炸药量从而降低爆破震动强度，同时还可改变波的频率分布，分散主频段能量。这极大降低了爆破震动效应，达到了减震的目的；

（3）为了避免（2）中预裂减震空孔造成炸药减少对爆破效果的影响，通过波的传播和叠加原理分析，考虑与周边孔紧邻的一圈崩落孔的布置采用与周边孔形成梅花型的布置形式（图1），充分提高炮孔炸药利用率，增强爆破作用效果；

图1 减震孔、预裂孔布置示意图

（4）采用传统的大空孔掏槽技术。根据（1）中确定的开挖断面形状和尺寸，采用中央大空孔（单空孔、双空孔或多空孔等）掏槽爆破技术，改善爆破条件，以减小主爆炮孔爆破对围岩和周围建（构）筑物的影响，降低爆破震动；

（5）利用当前的大数据和人工智能技术，在爆破过程中采用智能爆破测振仪、能灵活设置延期时间的电子雷管（如EDF-1 工业电子雷管）、基于物联网的电子雷管编码起爆系统，现场和地表爆破振动同步测量，实现爆破网络设计施工、爆破振动的智能化。通过系统分析和判断，及时掌控爆破方案对周围敏感环境的影响，利用震动波波峰、波谷叠加减震原理[12]，动态调整爆破各分段起爆的延迟起爆时间等爆破参数，减小爆破振动强度和速度，达到减震和保护周围建（构）物，减小对周边居民正常生活影响的目的。

2 智能减震技术工程应用及效果分析

2.1 工程概况

重庆市轨道交通环线沙玉区间隧道工程位于江北区与渝北区交界处，通过地区地质条件及环境十分复杂。根据勘察设计文件，沙玉区间隧道场地原始地貌属构造剥蚀丘陵区，丘包和沟谷相间排列。地层构造部位属沙坪坝背斜西翼，岩层主要产状270°～320°∠5°～7°，优势产状290°∠6°。场地存在两组构造裂隙，其中一组偶见钙质充填，裂隙间距约为1.0～2.0m，结合性较差；另一组则偶见泥质充填，裂隙间距2.0～5.0m，，结合性也差，两组裂隙均属于硬性结构面。岩层从上往下依次为第四系全新统填土层（Q4ml），残坡积层（Q4el+dl），崩坡积层（Q4col+dl）以及侏罗系中统沙溪庙组（J2S）沉积岩层。隧道所处围岩以砂岩为主，岩体的Kv=0.71～0.72，较完整；砂岩单轴饱和极限抗压强度为26.9～37.5MPa，围岩的弹性纵波速度为3405～3409 m/s，场地地下水以大气降水和给排水管道渗漏补给为主，根据勘察报告及水力特征等判断，隧道线路沿线地下水为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。

隧道埋深4.3～11.80m，隧顶中等风化基岩厚度小于2.0 倍的围岩压力拱，为浅埋隧道，成洞条件差。隧道处于城市复杂环境条件，下穿住宅小区，其中下穿3-3 栋（YDK10+556.04～+586.92）、3-4 栋（YDK10+605.053～+641.003）、3-1 栋（YDK10+653.024～+682.250）居民楼区段隧道洞顶距离居民楼桩基仅3.05～3.66m。在前期，隧道开挖采用微弱爆破技术，虽然每阶段爆破施工都分多段进行，但仍然对上部房屋及居民生活造成很大影响。鉴于该段施工的工期压力，采用机械开挖无法满足要求，因此，为保证上部房屋结构的安全、居民的正常生活，并满足本区间隧道的工期要求，经过大量的研究和实践，提出智能减震爆破技术措施进行开挖掘进。

2.2 智能减震控制技术及措施

（1）合理确定分部开挖断面

根据沙玉区间隧道现场工程地质条件和隧道断面大小，合理确定隧道分部开挖断面大小，使洞室围岩在开挖过程中受力合理，为爆破减震创造良好的条件。结合该工程具体地质条件：隧道围岩以砂岩为主，岩体较完整，砂岩单轴饱和抗压强度26.9～37.5MPa，隧道断面尺寸为12.5（宽）×8.9（高）m。根据围岩合理受力的隧道开挖形状和尺寸确定方法和原理，初步确定依托工程隧道开挖断面按三台阶法开挖，其中上台阶高度为3m，中台阶高度为3m，下台阶高度为2.9m。

（2）分段并严格控制微差爆破时间和装药量

断面采用三台阶法开挖，上台阶爆破分阶段进行，每阶段采用分段微差起爆，对总装药量及单孔装药量严格控制。为充分利用智能监测结果，基于波峰、波谷叠加减震原理，动态调整药量及分段爆破延迟时间，减小质点的振动速度，使爆破振动效应降低到安全规程范围以内。该依托工程根据现场情况和掘进效率要求，综合考虑地表建筑物保护要求，确定上台阶炮孔深度为1.2m，单孔装药量为200g，单次起爆药量控制在400g 以内；中下台阶炮孔深度增加至1.9m，分阶段多段起爆，单孔装药量300g，在钻爆掘进过程中每阶段起爆药量根据智能监测数据可动态调整。其中上台阶炮孔布置如图2 所示，各阶段装药量及爆破相关参数如表1 所示。

图2 上台阶分阶段炮孔布置示意图

表1 上台阶减震爆破参数表

（3）综合减震技术

该工程根据前述智能减震技术要求，首先采用双大空孔掏槽减震技术，即在上台阶开挖断面中心偏下竖直方向钻设两个直径为150mm 的大直径空孔，空孔竖直方向净距不小于300mm，空孔布置示意图见图2；其次，在周边孔采用减震孔预裂爆破技术，即在周边孔中每两个预裂孔中间加一个空孔作为减震孔，同时对周边孔紧邻的光爆层装药孔与周边孔采用梅花形布置，抵抗线采用65cm；第三，在隧道爆破开挖过程中，通过智能测试系统平台，自动采集并处理掌子面和地表建（构）筑物爆破振动有害效应等爆破信息，根据震动波的波峰、波谷叠加减震原理，动态调整各段起爆药量及时间间隔等爆破参数。

（4）减震技术应用效果分析

在依托工程爆破施工过程中，建设单位将本文提出的智能减震爆破施工技术措施应用于工程中，经过长期的现场爆破震动监测以及地表建（构）筑物震动监测，通过分析监测结果和多次对起爆药量及各段起爆时间等爆破参数的动态调整，在整个沙玉区间隧道复杂环境段施工过程中，地表拟保护的建（构）筑物的最大振动速度均控制在1cm/s 以内，其中地表住宅典型断面测试的最大振动速度统计如表2 所示，满足地表建（构）筑物规范规定的要求，减震效果十分明显，同时也减小了对上部居民生活的影响，减少了相关的民事纠纷，使得工程较为顺利地通过了密集的建（构）筑物区段。