城市浅埋隧道正三角形掏槽爆破错峰降振研究

时间：2024-09-03

杨家松

(中铁二局集团有限公司，成都 610000)

城市地下工程爆破振动倍受关注，对振动的限制十分苛刻，以至于在特定条件下将钻爆法变更为机械开挖，虽然这在一定程度上满足了民众诉求，可是却增加了施工的工程成本，甚至可能延误工期。近几年来众多学者围绕城市浅埋隧道施工(埋深小于开挖跨度的2.5倍)，研究了爆破过程产生且对环境敏感的突出问题，取得了丰硕成果。有些研究成果表明，无论什么形式的掏槽，振动最大幅值发生在掏槽部位的概率最大。欧仙荣[1]、孟小伟[2]、何闯等[3]围绕隧道采用复式V型掏槽、孔内分段和电子雷管网路，达到了错峰降振30%～60%的效果；邹新宽等[4]基于复式掏槽的研究，采用非电雷管孔内延时，达到降振至少30%的效果；张志毅等[5]研究了在隧道复式掏槽中央增加2个空孔，采用高精度雷管9 ms间隔错峰，实现了降振。

这些研究都是基于普遍使用的斜孔典型掏槽——水平楔型掏槽为前提，采用先进的电子雷管技术为主的研究成果。同样，周宜等[6]结合青岛地铁3#线区间隧道，采用直孔深0.8 m、孔径150 mm螺旋形掏槽，使用多段非电雷管结合孔外延时技术，成功地将距爆源10.3 m处的振速控制在2 cm/s以内；杨家松[7]、刘思峰[8]、王军涛等[9]、李启月等[10]，从不同侧面对空直孔掏槽的机理以及产生振动的原因、减振技术措施、爆破参数等方面进行了较为系统的研究。

归纳前述研究成果发现，城市浅埋隧道爆破降振的研究在延时网路上，大都侧重于电子雷管或高精雷管的错峰降振研究，而在掏槽上几乎多用复式V型掏槽，掏槽夹角一般未超过55°，在孔内分段装药上也未超过2 段，同时对分段装药在孔内布置方式的研究不够深入，实现的降振效果也未超过60%，而且在爆破循环进尺上一般也不超过1 m。为此针对未涉及的问题，基于各类研究成果，创新临空面设计理念，提出了正三角形掏槽方法，建立精准的装药结构体系和延时网路系统，使用普通非电雷管，在满足快速施工的条件下，进一步开展降低掏槽区振动关键技术的攻关研究。

1 错峰降振

1.1 降振原理

在隧道掌子面爆破掘进过程中，创造临空面的3～5对上、下平行炮孔(简称掏槽孔)的延长线在同一平面上与掌子面构成正三角形；同时差分掏槽深度(W)在掏槽孔内间隔装入等份微量炸药，孔间错位形成炸药能量基本均匀分配的装药结构体系，并采用普通非电导爆管雷管，满足各等份炸药合理延时有序起爆的要求，以形成每列振动波峰值完全独立的网路系统，再通过减少同段雷管最大起爆装药量，以实现对最大峰值的有效控制，最终达到大幅削弱掏槽区爆破振动的效果。

1.2 主要特点

1)正三角形掏槽无论在什么地质条件下，在削弱炮孔夹制作用、创造临空面上均较其他斜孔掏槽有显著优势，可获得较高的炮孔利用率和稳定的施工循环进尺。

2)掏槽孔的夹角较固定且为特殊角度(60°)，在计算、分析和控制实际钻孔工艺等方面十分方便，而惯用水平楔形掏槽的夹角是变量，变化在30°～70°之间，设计经验性强，实际操作相对复杂。

3)差分掏槽深度实现微药量装药，结合延时错峰网路，能很好地降低振动速度，打破了传统的认识——掏槽是产生最大振动的源头。

4)等份炸药装药结构，能量基本均匀分布，槽区大块率低，现场操作精准方便。

2 关键技术

2.1 差分掏槽深度(W)

针对隧道斜孔掏槽爆破而言，定义掏槽孔底至掌子面的垂直距离为掏槽深度。隧道或地下工程开挖进尺控制是爆破降振的先决条件，在此基础上再将一次性掏槽深度按比例进行支解(即差分)，分散振源能量，就能实现有效的降振[5]。

当设计炮孔的循环进尺超过1.5 m时，在振动控制严格的敏感地带，其工艺困难，几乎难以实现降振，但低于0.5 m时又无工程实际意义(功效低、成本大)。因此，当差分掏槽深度W为W1(对应小掏槽孔的小掏槽深度)和W2(对应大掏槽孔的大掏槽深度)且满足一定比例时，大、小掏槽孔内就能实现等份装药。即在0.5

图1 差分掏槽深度Fig.1 Difference-cut depths

2.2 槽区孔网参数

根据实践经验，掏槽区参数按下述原则取值，既能获得良好的掏槽效果，又能保障孔内单孔装药量适度。孔网参数如图2所示。

图2 槽区孔网参数Fig.2 Hole network parameters in the cut area

1)掏槽孔层间距h。h=40～70 cm，即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各级围岩依次对应40、50、60、70 cm。

2)槽口高度H。H=120～240 cm。软岩取较小值，硬岩取较大值。

3)炮孔数量。硬岩不宜多于5对炮孔，软岩不宜少于3对炮孔。

4)掏槽区设在掌子面中偏下一点，可严格控制振动；槽口底部掏槽孔离隧道底板高度控制在50～70 cm。硬岩取小值，软岩取大值。

2.3 装药量计算

掏槽区满足加强松动爆破既是获得基本进尺的前提条件，又是控制爆破振动药量计算的上限。装药量仍然采用经典的体积公式计算，但在分别计算大、小掏槽单孔药量时，V分别由V1、V2代替：

1)掏槽孔的单孔装药量(Q单)

(1)

V1=W1h(0.6W1+D)

(2)

V2=Wh(0.6W+d)-V1

(3)

式中：K0=0.7～1.1 kg/m3，经验值：软岩取较小值，硬岩取较大值;V为1对炮孔所承担的掏槽体积，m3;V1为1对小掏槽炮孔承担的掏槽体积，m3;V2为1对大掏槽炮孔所承担的掏槽体积，m3;h为正三角形掏槽孔间距离，m;d为孔底间距，m;Q单为单个掏槽孔炸药装药量，kg。

2)等份炸药质量(Q0)

将V1，V2分别代入式(1)计算后，根据确定的单孔等份炸药数(nj)，计算出Q单0，然后平衡取相同值，即Q0。为了使得掏槽区各等份炸药量Q0均相同，其质量控制在30 g≤Q0≤150 g(精准至5 g)。并满足：

∑nj×Q0≤Q单

(4)

ni×Q0≤Qmax

(5)

(6)

式中：nj为同一炮孔内的等份炸药数量，且nj=1～3;ni为掏槽区第i段非电雷管的等份炸药数量；R为振源中心距被保护对象的距离，m;K，α为与地质条件相关的系数；v为设计允许振速，cm/s。

2.4 装药结构体系

将掏槽孔的装药量分成相同的若干等份(即等份炸药)，并在孔内间隔错位放置，使能量在孔内基本上均匀分布，让每等份炸药(Q0)爆破岩石体积基本相当，同时保证孔内的间隔填塞长度(l0)30 cm

图3 等份装药结构Fig.3 Equal explosive charging structure

2.5 延时错峰网路系统

爆破引起的两列波间隔2.5T0(主振周期)时就完全独立，实践已得到充分佐证。软岩主振周期一般在10～30 ms(30～100 Hz)，中硬及以上围岩一般小于10 ms(大于100 Hz)。延时网路设计遵循该原则并具备4个条件就能够达到完全错峰，①首段(发)起爆的对称炮孔数不得多于3对；②孔内由外(掌子面)向内(孔底)、孔间由内(靠隧道轴线)向外(洞壁侧)有序起爆；③掏槽区先中央再两侧或依次自首发掏槽的下方孔、上方孔顺序起爆；④允许的同段雷管数量ni由式(5)和式(6)计算，结果取小于或等于ni的偶数。

结合非电毫秒雷管的延时特点，针对浅埋隧道对振动的限制标准不同，实际运用可分2种情况设计延时网路。

1)严格控制振动的敏感地带。当埋深介于10～13 m且对振速限制在0.5～1.5 cm/s时，严格限制施工循环进尺使其不超过0.75 m，并根据地质条件的不同，采用不同的爆破网路设计，软弱围岩、中硬及以上围岩的爆破网路设计分别如图4～图5所示。

注：图中数字为非电毫秒雷管段位;h=70 cm图4 软弱围岩爆破网路Fig.4 Blasting network of weak rocks

注：图中数字为非电毫秒雷管段位;h=40、50、60 cm图5 中硬及以上围岩爆破网路Fig.5 Blasting network of middle hard and harder rocks

2)振动环境要求较为严格的地带。当埋深介于10～15 m之间且振速不超过2.0 cm/s时，限制施工循环进尺在1.5 m以内，并根据地质条件不同，采用不同的爆破网路设计，软弱围岩、中硬及以上围岩的爆破网络设计分别如图6～图7所示。

注：图中奇数及14为非电毫秒雷管段位；h=70 cm图6 软弱围岩网路Fig.6 Network of soft and weak rocks

注：图中1，3～14为非电毫秒雷管段位图7 中硬及硬岩网路Fig.7 Network of middle hard and harder rocks

3 工程案例

青岛地铁8#线区间隧道下穿密集居民区(砖结构平房)，ZDK39+142-185段隧道埋深12～13 m，地层为中风化流纹岩，基岩裂隙水，围岩Ⅴ级。控制地面垂直振速1.5 cm/s。

3.1 方案实施

1)初支采用格栅，间距0.75 m，台阶法施工。施工循环进尺为1.5 m，计入炮孔利用率。设计掏槽深度W=1.6 m，取d=0.2 m，则计算：W1=1.6×0.6=0.96 m、W2=1.6×0.4=0.64 m。掏槽参数选用如图6所示。

2)允许的最大装药量Qmax、Q单、Q0计算。结合地质情况，依据回归资料，取K=320、α=1.9、R=15 m(掏槽中央至地面垂直距离)，并取K0=0.8 kg/m3，代入式(1)～(3)、式(6)，计算结果如表1～2所示。

表1 最大允许装药量

表2 掏槽孔药量

综合取Q0=0.1 kg，由式(5)推算得：ni≤Qmax/Q0=0.709/0.1=7，取偶数，ni=6(低段同段雷管数量)。

3)控制爆破设计如图8所示，各孔装药量如表3所示。

图8 控制爆破设计Fig.8 Controlled blasting design

表3 正三角形掏槽雷管段位及装药量控制

注：炸药单耗0.67 kg/m3。

4)爆破振速评估。在掏槽中央至地面垂直距离15 m处(拱部正上方)，计算得到可能产生的最大振速为1.5 cm/s。

3.2 方案效果对比

在常规控制爆破施工期间，振动较大，引起居民上访。距掏槽区24.08 m处测得地面质点最大振速为5.7 cm/s，距槽区23 m处附近的振速介于1.2～1.5 cm/s之间，经多循环监测统计，最大振速发生在掏槽区，而且以首发炮孔频率最高(见图9a～图9b)。研究成果运用后情况发生了明显的改善，即最大振动后移至掘进孔，而位于掏槽正上方地面最大振速为1.35 cm/s，一般介于0.8～1.35 cm/s之间，位于正前方20.7 m处，垂直振速为0.56 cm/s(见图9c～图9d)。

图9 不同位置处应力时程Fig.9 Stress time history at different locations

通过使用正三角形掏槽爆破错峰降振技术，爆破振动降低效果十分显著，平均降幅达50.3%，最大降幅75%；另一方面，该技术的使用不仅减少了钻孔数量和炸药消耗量，钻孔数量降低了47%，炸药消耗量降低了35%，而且也改善了爆破效果，几乎无拒爆现象，碴堆集中、块度均匀。