软岩隧道近距下穿敏感建筑物的光面爆破减振施工方案

王晓辉 王 岗 张稳军 郑国和 谢华北 管晓明 宋祥刚

(1.中铁十八局集团第四工程有限公司, 300222， 天津； 2.青岛理工大学土木工程学院， 266033， 青岛；3.天津大学建筑工程学院， 300072， 天津∥第一作者， 高级工程师)

近距下穿建筑物隧道的爆破开挖极容易损坏建筑物，造成巨大的经济损失和社会不良影响。因此，需要采取有效的措施来降低爆破振动的影响，以避免引起周边建筑物的损伤，并保证隧道施工安全、高效地进行。目前，国内外对隧道爆破振动的控制措施主要分为2类：

1) 对爆源采取控制措施以有效降低爆破振动。如：采取高精度非电雷管或电子雷管延时爆破以降低掏槽段药量或最大段药量，多级复合式楔形掏槽，采用CD(中隔壁)法、CRD(交叉中隔壁)法等分部爆破开挖方法。后来，爆破减振开始出现多种方法的组合减振。文献[1]提出一种将传统爆破技术与预切割工艺相结合的减振开挖方法；文献[2]提出了超大断面浅埋隧道爆破的复合楔形掏槽技术+外层空间差分爆破技术的爆破减振方案；文献[3]提出了超前下导坑非爆破开挖+预留光爆层控爆开挖技术和上台阶非爆破开挖+下台阶控制爆破技术；文献[4]研究电子雷管单孔间隔爆破的延时计算方法，爆破减振效果相比普通非电雷管可以有效降低50%以上。

2) 在爆破地震波传播途中采取减隔振措施。如：机械开挖减震带和减震层，双线隧道开挖时在隧道之间设置小导管隔振；文献[5]得出预设的砂质缓冲层质点振动速度峰值相比未预设砂质缓冲层时降低了34%左右；文献[6]得出有减震带的较无减震带的原点振幅小，振幅平均降低84%。

本文以杭绍台(杭州—绍兴—台州)铁路隧道下穿某敏感的文物收藏建筑物的软岩爆破工程为背景，根据隧道围岩的实际情况，结合隧道爆破理论和类似工程实践，通过优化爆破方案和开挖方案，提出了适用于Ⅴ级围岩的浅埋隧道减振爆破方案，并验证了方案的有效性和合理性。

1 隧道的爆破开挖方案设计

杭绍台铁路隧道下穿段里程为NXK2+020～NXK2+110。下穿段隧道长90 m，共计影响6栋建筑物，其中3栋位于隧道正上方，其余3栋距开挖线较近。这些建筑物主要为二层砖砌建筑物，建设年代久远，抗振性能较差。下穿段隧道埋深H约为18.5～17.2 m，属于浅埋隧道(H<2B，B为隧道跨度)。下穿段围岩级别为Ⅴ级，属于软岩。Ⅴ级围岩拱部以中风化岩及微风化岩为主，侧壁主要为中风化岩，岩体完整、较坚硬。中风化岩具一定富水性，地下水埋藏浅。

对于软岩隧道多采用三台阶爆破开发方案，或双侧壁导坑法爆破开挖方案。本文选取一小段隧道作为试验段，对爆破方案进行研究。

1.1 三台阶法爆破开挖方案及振动测试结果

试验段采用上、中、下三台阶法进行爆破施工。上台阶施工跨度和高度分别为15.27 m及4.93 m，采用一级楔形掏槽。本次爆破为1次爆破，采用导爆管非电雷管起爆。上台阶进尺为1.5 m，掏槽孔深度为2.5 m，单孔药量为0.9 kg，辅助眼单孔药量为0.9～0.8 kg，周边孔药量为0.6 kg。由于没有临空面，上台阶施工对建筑物的影响最大，故本文重点研究上台阶爆破。上台阶爆破施工的炮眼布置如图1所示。

注：图中数字表示该炮眼的毫秒雷管段数。图1 上台阶炮眼布置图Fig.1 Layout of cross section blast hole

在爆破掌子面正上方的地表布置测点，采用爆破振动测试仪进行地面爆破振动测试。经实测，横向(X向)、纵向(Y向)及竖向(Z向)的峰值振动速度分别为1.64 cm/s、1.81 cm/s及3.79 cm/s，主振频率分别为7.0 Hz、9.7 Hz及5.8 Hz。根据GB 6722—2014《爆破安全规程》，对于一般的民用建筑物，当主振频率小于10.0 Hz时，爆破振动速度的控制值为1.5～2.0 cm/s。根据建筑物质量和新旧程度，可确定本项目的安全标准为1.5 cm/s。从本试验段爆破振动测试结果来看，X向、Y向及Z向的主振频率均小于10.0 Hz，而峰值振动速度均超过1.5 cm/s，且Z向振动速度超过3.0 cm/s，如果采用三台阶法爆破开挖方案，则爆破地震波很有可能会造成建筑物的振动开裂，因此，需选择爆破影响更小的爆破开挖方案。

1.2 双侧壁导坑法爆破开挖方案

为将拱顶变形、地表沉降及爆破振动速度均控制在设计要求限值内，确保敏感建筑的房屋结构安全，本项目计划采用双侧壁导坑法爆破开挖方案施工，将整个断面分成三大部分六小部分进行减跨开挖支护，以最大限度地抑制拱部变形及地表沉降。

双侧壁导坑法爆破开挖方案的开挖断面及炮眼布置如图2所示。该方案具体施工方法为：首先，左侧导坑分上下台阶开挖，，步距为4.0～6.0 m；左侧导坑进尺达到8.0～12.0 m后，右侧导坑开始分上下台阶开挖，步距为4.0～6.0 m；每个台阶循环进尺1榀钢架间距；软岩下穿段采取微差控制爆破技术，循环进尺不大于1.0 m；右侧导坑进尺达到12.0～18.0 m后，中部导坑开始分上下台阶开挖，步距为4.0～6.0 m。

注：图中数字表示毫秒雷管段数。图2 开挖断面分部及炮孔布置图Fig.2 Blast holes layout at excavation section

2 隧道光爆减振的参数设计

2.1 炮眼数量

炮眼数量N为

N=qS/ar

(1)

式中:

q——炸药设计单耗，取决于炸药性能、岩石性质、断面面积、炮眼直径和炮眼深度等因素；q取1.20 kg/m3;

S——开挖断面面积；图3中Ⅰ部面积为24.8 m2，Ⅴ部面积为40.7 m2；

a——装药平均系数；当药包直径为32 mm时，取0.6～0.65，本文取0.60[8]；

r——每米药卷的炸药质量；现场采用2号岩石防水乳化炸药，药卷长度为200 mm，质量为200 g，因此r取1.0 kg/m。

根据式(1)可得：图3中Ⅰ部N=49.6个，取50个；Ⅴ部N=81.4个，取82个。

2.2 炮眼布置

2.2.1 掏槽眼布置

隧道掏槽一般有斜眼掏槽和直眼掏槽两种方式。采用斜眼掏槽方式时，炮眼深度受井巷断面的限制，尤其在小断面井巷中更为突出。采用直眼掏槽方式时，炮眼深度不受井巷断面限制，可以实现中深孔爆破；当掏槽深度改变时，掏槽布置可不变，只需调整药量。由于双侧壁导坑法分部开挖的断面较小，故采用直眼掏槽方式。掏槽眼布置在分部开挖面中间，平行空孔直眼角柱状掏槽，孔距为400～500 mm，超深0.2 m，孔深1.2 m。掏槽眼周围布置扩槽眼。掏槽眼纵断面布置如图3所示。

a) 掏槽孔设计正视图

2.2.2 周边眼布置

在周边眼布置中，选择合理的最小抵抗线尤为重要。光面爆破最小抵抗线长为:

Wmin=bd

(2)

式中：

Wmin——光面爆破最小抵抗线长；

b——光面爆破抵抗线的计算系数，取10～20；

d——炮孔直径。

由于试验段围岩级别为Ⅴ级，地质条件较差，d=4.0 cm时Wmin=15d，即60 cm。

炮眼密集系数m取0.6～1.0。围岩条件越好，m越大。考虑到试验段围岩条件较差，故本试验中m取0.7。

一般光面爆破的周边眼间距为:

L=mWmin

(3)

由此可得L=420 mm，实际取L=400 mm。

周边眼装药结构采用不耦合间隔装药。现场爆破采用2#岩石乳化炸药，炮眼直径为42 mm，全部装32 mm直径药卷，不耦合系数仅为1.25。为减小周边眼爆破对围岩的破坏，每个周边眼底部集中装1.5卷炸药，其余段分3个间隔装1/3卷炸药。

2.2.3 辅助眼布置

在掏槽眼与周边眼之间设辅助眼。辅助眼均匀布置即可，可采用线性布置形式，也可采用环形布置形式。一般情况下，辅助眼抵抗线长应小于同排(同一环形)炮孔间距，常为炮孔间距的80%～100%。辅助眼孔深1.2 m，孔间距为800 mm，最小抵抗线长600 mm。

2.2.4 底板眼布置

底板眼设计长度为100 cm，相邻底板眼间距为800 mm。

2.3 炮眼装药量计算

各分部总装药量按炮眼个数和单孔装药量计算。图3中，掏槽眼单孔装药量为0.6 kg，扩槽眼和辅助眼单孔装药量为0.4 kg，周边眼单孔装药量为0.3 kg。计算可得，Ⅰ部、Ⅲ部总装药量Q1=Q3=18.3 kg，Ⅱ部、Ⅳ部总装药量Q2=Q4=11.7 kg，Ⅴ部总装药量Q5=30.4 kg，Ⅵ部总装药量Q6=13.1 kg。由此，每循环进尺总装药量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=103.5 kg。

3 实测结果分析

本项目采用双侧壁导坑法进行隧道爆破施工，爆破振动速度要求严格控制在1.50 cm/s之内。当隧道开挖到建筑物正下方时，爆破对建筑物的影响最大，爆破振动速度也最大，为最不利工况。最不利工况下，I部及Ⅴ部爆破时产生的振动最大，故重点测试I部及Ⅴ部爆破时建筑物的振动情况。10次典型监测结果如表1所示。

表1 最不利工况下I部及Ⅴ部爆破时建筑物的10次典型振动监测数据

现场实际监测结果表明：采用双侧壁导坑法方案有效地控制了爆破产生的振动强度，爆破峰值振动速度为0.21～1.46 cm/s。当采用台阶法爆破方案时，地表质点最大的振动速度峰值为3.79 cm/s；采用双侧壁导坑法，地表质点最大振动速度峰值仅为1.46 cm/s，小于振动速度控制限值1.5 cm/s，其振动强度比台阶法爆破方案振动强度降低了约60%。此外，双侧壁导坑法方案各炮孔起爆顺序更合理，不同起爆段的药量分布也更合理，振动强度在时间上分布比较均衡。

本工程由于采用了周边炮孔光面爆破技术，实现了爆破后无明显超欠挖现象，爆破轮廓面光滑，有效减少了爆破对周边围岩的损伤，取得了较好的爆破效果和减振效果。

4 结语

本文依托杭绍台铁路软岩隧道爆破工程为背景，提出适用于隧道下穿建筑物时Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖方案，并通过现场试验验证了方案的合理性，可得到以下结论：

1) 隧道下穿敏感文物建筑物时，爆破参数的选择应根据现场地质条件以及施工方式合理选择。在试验段选用三台阶方法爆破开挖时峰值振动速度达到3.79 cm/s，远超建筑物的控制标准，故需采取更减振的双侧壁导坑法爆破开挖方案。

2) 当爆破掌子面面积较小且围岩等级较低时，可采用直眼掏槽双侧壁导坑法光面爆破开挖方案来代替斜眼掏槽的多台阶爆破开挖形式。

3) 采用双侧壁导坑法光爆减振方案后，实测地面的爆破峰值振动速度为0.21～1.46 cm/s，不仅满足了建筑物的振动控制要求，且爆破峰值振动速度明显较低，爆破减振效果显著。