西部高海拔环境下山岭隧道施工中的微振控制爆破技术❋

王景春 刘凯林 李永昊

石家庄铁道大学大型结构诊断与控制研究所(河北石家庄，050043)

引言

随着西部地区经济的发展，基于多山、高海拔的复杂地理环境，特高、特长的山岭隧道成为西部交通建设的必然选择[1]。故需要对隧道钻爆法施工产生的振动进行精确控制。

学者们对于隧道钻爆施工减振控制方面开展了许多卓有成效的工作。周慈亮等[2]详细介绍了某型电子雷管在隧道控制爆破中的应用，介绍了电子雷管的概念、主要功能及在隧道控制爆破中的优势。赵志刚等[3]为减少超大断面黄土隧道开挖爆破对既有隧道中人、车通行安全的影响，对爆破参数及施工工序进行了设计研究，提出了合理的爆破施工参数及控制技术。王松青等[4]利用现场条件与爆破器材，通过对钻爆法施工方案和爆破参数进行修改，有效地控制了爆破振动对周围建筑物的扰动，在复杂环境隧道控制爆破中有较好的应用。陈至昊等[5]依据控制爆破的相关理论，优化掏槽形式、改变炮孔排间距，使爆破振速降至0.5 cm/s 以内，实现了浅埋隧道微振控制爆破。傅洪贤等[6]在隧道施工中引入电子雷管，并在现场进行单孔连续起爆试验，根据振动监测结果优化爆破参数和减振措施，形成有效的隧道微振爆破技术。

这些研究的背景各具特点，但大部分爆区周围环境复杂性相对较弱，爆破施工对周边危害小，受保护对象和所需考虑因素单一。目前，复杂环境下山岭隧道的爆破振动控制和爆破施工技术研究较少[7]，对低振速要求下掘进尺、爆破参数以及施工方法等尚无较好的确定方法，更少有施工遇到影响少数民族生活区(人文敏感地带)的特殊情况。

以高海拔山岭隧道——夏河隧道为工程背景，综合考虑隧道近距离穿越周围有藏民生活区的山岭、环境复杂、房屋结构稳定性差等特点，从爆破施工和振动控制方面入手，对复杂环境隧道微振控制爆破技术进行研究，以实现安全爆破开挖以及对人文、生态环境的保护。

1 工程概述

夏河隧道地处甘肃省甘南藏族自治州夏河县，整体呈东西走向，海拔3 030～3 542 m。隧道右线K24 ＋572～K25 ＋084，左线ZK24 ＋560～ZK25 ＋109，两线间距20 m，跨度12.16 m，断面形状为马蹄形。隧道施工采用新奥法，由东向西单向爆破开挖，施工时左线先行25 m。所在山体陡峻，洞身岩性为三叠系薄层泥质板岩夹砂质板岩，节理发育，围岩级别以Ⅳ级为主，最大埋深约220 m。

1.1 周边环境

爆破地点K25 ＋084 与ZK25 ＋109 及其以东沿线200 m 周边环境复杂，如图1 所示。黄茨滩村房屋分布在秦达公路两旁:公路东边房屋紧邻开挖山体，与隧道水平距离为30 m；公路西边房屋密集，最近距离50 m。隧道北边为家禽养殖场，距离50 m；西南侧为明德小学。洞口段外与高架桥相连，隧道轴线地面标高与村庄地面标高相差10 m。

1.2 工程难点

人在安静环境下对于大于0.6cm/s的地面振速会有明显的不适感觉，而广义的微振爆破概念为不会让人有不适感觉[8]。鉴于本工程隧道围岩强度低、洞壁稳定性较差，且周边环境复杂等情况，将其概念量化，认为当振速控制在0.5 cm/s 以下，即实现微振爆破。

项目工程难点如下:

1)高海拔地区气候环境恶劣，施工条件受限，人员及机械设备的工效大幅下降，有效工作时间短，爆破质量难以保证。在工期内安全顺利通成隧道，时间紧、任务重、难度大[9]。

2)附近有村庄、学校、养殖场，四周需要保护的目标较多，距离近、要求高、安全顾虑大。

3)村庄房屋类型多为20 世纪70～80 年代修建的土坯房、砖房，部分墙体存在可见裂缝，自身抗拉和抗剪强度低，存在安全隐患。因此，对爆破振动控制是本次工程重点之一。

4)该地段为藏民生活区域，属人文环境敏感地带，爆破与施工的不良影响需从生态与人文多点出发考虑。

2 爆破方案

2.1 原爆破方案及效果分析

原爆破方案采用上、下台阶法开挖，上台阶超前开挖12.0 m，单循环进尺3.0 m，炮孔直径42 mm。掏槽为多级复式楔形掏槽，孔深3.3 m，单孔装药量1.20 kg；周边孔深3.1 m，孔间距0.6 m，单孔装药量0.63 kg，线装药密度0.20 kg/m，密集系数为0.83；辅助孔深3.1 m，单孔装药量0.60 kg，孔间距0.7～1.0 m；底板孔深6.2 m，单孔装药量0.65 kg，孔间距0.6 m。受高海拔严寒条件影响，乳化炸药极易冻结、硬化、变形[10]，降低装填与爆破质量；故选用2＃岩石硝铵炸药，规格为∅32 mm、200 g。除周边光面孔采用间隔装药外，其他炮孔为连续装药结构。起爆方式为孔内毫秒延期起爆，导爆管连接，雷管起爆。

施工后发现，村庄以及养殖场处多次感受到明显振感。经检测，村中部分地区爆破振动强度超过安全标准要求，房屋结构安全存在隐患。除此之外，还存在噪音扰民的情况。

原爆破方案设计主要为提高施工效率，缩短施工工期，减少高海拔地区恶劣环境下作业时间；而当开挖接近复杂区域时，未能顾及对周边环境的影响。原方案爆破振动强度过大，究其原因主要有:第一，掘进尺选择过长，单次爆破开挖量大，对周围环境扰动明显，且增加了方案整体设计的炸药用量；第二，采用的多级复式楔形掏槽，虽有利于提高循环进尺，扩大槽腔体积，但掏槽深、炮孔多、药量大，掏槽孔单段最大起爆药量超标；第三，起爆网路设计不合理，雷管延期起爆时间间隔选择过短，而所需分部起爆的段别过多，传统雷管段别有限，且高段位雷管漂移时间大，引爆误差明显，同时起爆炮孔最多达80 个，振动叠加效应显著。

2.2 爆破方案优化

根据上述分析结果，重新将周边复杂环境纳入考虑，坚持多打孔、弱爆破、少扰动的原则，对方案进行优化。

2.2.1 掘进尺优化

原爆破方案为增大有效进尺，仅设计单循环炸药量达210 kg，各段别药量偏大，而段别数量有限，有害效应难以控制。

现方案决定，减小单次爆破规模，以控制不影响周围房屋的安全振速为前提。经计算并结合现场测量反馈后发现，当循环进尺控制在1.0 m 左右时，单段药量适宜，可确保爆破掘进安全高效，易于实现微振爆破要求。因此，现方案采用1.0 m 短进尺、上台阶超前开挖5.0 m 的小台阶控制爆破方案。

2.2.2 掏槽孔优化

掘进尺缩短后，对掏槽形式进行修改。考虑到隧道所在山体的围岩裂隙及节理发育，采用有利于降低爆破振动的直眼掏槽方式。掏槽孔布置为小直径中空直孔掏槽形式，分为两圈，形状如图2 所示。中心圆圈的空孔可为掏槽孔增加自由面，减小岩石的夹制作用，降低掏槽孔爆破时的振动。

2.2.3 减振控制

高海拔、低温条件将影响传统爆破器材的各项使用性能，进而影响控制爆破的效果。由于数码电子雷管有着较好的抗水性、抗寒性，且能够根据实际需要来设置延期间隔时间，因此，更能满足高海拔复杂环境下的减振需求[11]。决定引入数码电子雷管代替原方案的导爆管雷管，以提高延期精确性，降低振动叠加效应，实现爆破的精细化控制。

入孔前，对数码电子雷管扫描录入时做好分组标记，每组电子雷管按录入顺序用记号笔写上段别，不仅利于工人掌握，且方便后续组网与在线检测，确保无故障可靠起爆。每孔双发雷管，分别装在药柱底部1/3 和2/3 处，两发雷管起爆时间一致。延期时间方面:周边孔、辅助孔相邻段别间延期50 ms；掏槽孔、底板孔相邻段别间延期100 ms；不同炮孔之间延期100 ms。

最后，根据隧道整体施工状况与地面振动情况不断调整，优化出适合该地段的隧道掘进爆破参数，形成了适用于夏河隧道复杂环境下短进尺、小台阶、微振动的控制爆破方案。其中，光面孔距0.5 m，最小抵抗线0.6 m，线装药密度0.24 kg/m，装药结构为不耦合装药；钻孔后保证孔壁干燥，避免积水结冰；装药完及时用沙子、岩粉等干固体填塞，注意填塞质量；按照设定延期时间起爆。具体爆破参数见表1。炮孔布置以及段别见图2。

表1 台阶法开挖炮孔参数Tab.1 Parameters of blasting holes in excavation by bench method

2.3 爆前准备工作

1)由GB 6722—2014《爆破安全规程》中的公式v=K(Q1/3/Rα)[12]，严格控制振速来验算最大单段装药量是否安全。海拔高、空气稀薄、气候干燥等特殊条件下，即使同类岩体，系数K与衰减指数α也会存在较大差异。为确保控制效果，通过现场试爆试验对K、α进行修正。

2)将人群密集区域和存在安全隐患的民房设置为重点监测地点，以实时监测结果为依据，结合藏民感受，对爆破方案进行动态调整[13]。

3)施工前做好协商工作，爆破活动安排在每天固定时间段内，避开休息时间，周围300 m 设定为警戒区域，爆破前释放警戒信号。

3 爆破振动及效果

本爆破工程的主要危害效应是爆破振动。采用中国科学院TC-4850 爆破测振仪监测，仪器布置在距隧道较近民房附近。

几次试爆后，选取代表性地点监测结果波形图，见图3。可以看出，0～0.5 s 内，波形曲线之间具有较为明显的微差间隔，数码电子雷管成功发挥精细控制作用，相比原方案，爆破振动叠加被有效削弱。另外，图3 中，爆破峰值振速为0.48 cm/s，略大于采用萨道夫斯基公式计算的理论值，这可能与各段别选取的微差时间间隔有关，但整体数据相差不大。

爆破后测得多组振动数据均满足GB 6722—2014《爆破安全规程》中振动频率f ＞50 Hz 时对土坯房、毛石房的安全控制要求，且振速控制在0.5 cm/s 以内。随后，对附近居民进行访问调查，均感觉振动较小，学校处几乎无振感，未对藏民生活造成影响，达到微振爆破标准。

爆破施工后，隧道现场爆破效果良好，单循环进尺稳定在1.0～1.1 m，未见明显的超欠挖现象，掌子面平滑规整，炮孔利用率达90%以上，在实现低爆破振速条件下，保障了掘进速度，隧道顺利经过敏感地区。实践证明，设计的方案可以满足复杂环境下控制爆破的需求，取得了良好的社会效益。

4 结论

1)高海拔复杂环境下，隧道爆破掘进采用1.0 m 短进尺、5.0 m 小台阶、毫秒延期起爆的爆破方法，可以有效保证隧道的施工效率，维持弱围岩隧道结构的稳定性，降低爆破施工对周边环境的影响。

2)爆破振动的控制是复杂环境下施工的关键。通过对掘进尺、掏槽形式等进行优化，改变爆破参数，采取减振措施，可将建筑物处的振速控制在0.5 cm/s 以下，并极大地消除居民的恐惧心理和不适感觉，满足微振爆破要求。

3)在高海拔条件下，数码电子雷管不仅发挥了对环境良好的适应性，而且通过设定不同部位炮孔的延时间隔起爆，有效地发挥了错峰降振的作用，可较好地应用于高海拔地区的爆破施工。