大断面软弱围岩隧道爆破振动控制试验研究

危皓 薛江龙 陈宗祥 杨茂杰 廖晓目

1.中交一公局桥隧工程有限公司，长沙 410000；2.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410000

随着技术设备的不断发展，大型机械设备的广泛使用在提高隧道掘进速度方面起到重要作用。大断面爆破开挖不仅能够为隧道大型机械设备的使用提供作业空间，而且具有工序简单、对围岩扰动次数少、施工效率高等优点，广泛应用于隧道开挖中［1-2］。但是在软弱围岩隧道中，大断面爆破的开挖方式因其单次爆破时炸药用量大，产生的爆破振动对围岩的扰动大［3］，危害到围岩稳固性及支护效果。因此，研究在软弱围岩隧道大断面爆破中如何降低爆破振动所致的围岩损伤具有重要的工程实践意义。

众多学者针对在软弱围岩隧道中如何降低爆破振动带来的危害展开了一系列研究。方宁等［4］在隧道施工中分别研究了单层、双层预裂爆破方案控制爆破振动效果，并得出双层预裂爆破对振动传播规律的影响。钱正富等［5］通过讨论爆破振动强度与掏槽眼单孔装药量、导爆管段数等之间的相互关系，指导现场爆破施工。孙崔源、薛里等［6-7］研究了数码电子雷管爆破降振效果，得出采用数码电子雷管起爆能够有效降低爆破振动。姚洪瑞［8］提出了采用短进尺的浅孔弱爆破方案来降低软岩隧道爆破施工对围岩造成的扰动，提高围岩稳定性，从而保证施工安全性。汪海波、宗琦等［9-10］在分析松软岩石的爆破破坏特征的基础上，建立了软岩巷道掘进时光爆参数的理论计算结构模型，从爆破参数、装药结构等方面提出降低煤矿软岩巷道爆破掘进振动效应的措施。刘朝阳［11］设计了微台阶精细爆破的施工方案，并在坪田隧道工程中进行了应用。袁红所等［12］采用掏槽式光面爆破技术，在V 级围岩爆破施工中采用低密度、低爆速乳化炸药，有效地减少了爆破对围岩的损伤和超挖量。高朋飞等［13］结合工程实例分析了隧道爆破对软弱围岩稳定性的影响，并介绍了爆破施工参数的选取方法。张朝康［14］利用数值模拟有效解决了软岩隧洞利用新奥法施工的洞室稳定、施工干扰及工期问题。

由以上研究可知，目前尚缺乏针对在软弱围岩隧道大断面爆破施工中爆破振动控制的研究。本文以新疆东天山特长隧道左洞为工程背景对隧道软弱围岩区段进行爆破振动实时监测，得到该区段爆破振动衰减规律，通过优化炮孔装药量、起爆顺序设计预裂+光面综合爆破方案，最后通过分析爆破监测数据论证该爆破方案的减振效果。

1 工程概况

新疆东天山特长隧道主洞为双洞分离式隧道，单洞设计总长11 780 m，开挖断面积达91.7 m2，为大断面隧道。隧道左洞软弱围岩段处于F3断层影响带，围岩以糜棱岩、断层角砾岩、中风化及微风化凝灰质砂岩为主，岩体破碎，节理裂隙发育，地质评价为Ⅴ级围岩。围岩自稳性较差，易发生塑性变形，成洞困难。

考虑到掌子面稳定性较差，须要对围岩进行超前支护（图1），在拱顶120°范围内布置超前小导管，环向间距0.4 m，纵向排距2.4 m，搭接长度不小于2.0 m，外插角6°～10°。隧道左洞软弱围岩段采用大断面爆破开挖方案，整个断面分为上下两台阶开挖，见图2。

图1 隧道主洞超前支护轮廓

图2 大断面爆破开挖断面分布

2 大断面爆破方案优化及振动监测布置

2.1 预裂+光面综合爆破方案

为降低爆破振动对围岩的损伤，在原大断面爆破方案基础上引入预裂爆破技术，即在拱腰处采用预裂爆破，在拱顶处采用光面爆破，炮孔布置如图3 所示。预裂孔起爆段位为MS1，起爆后在主爆区和保护区之间形成一条具有一定宽度和深度的预裂缝，以阻断后续主爆孔爆破所产生的爆炸应力波，从而减少和阻隔爆破振动对保护区岩体的破坏，同时切断主爆区伸向保护区的裂缝，维持保护区岩体的完整性［15］。

图3 预裂+光面爆破方案炮孔布置（单位：m）

由于围岩较为软弱，若在拱顶采用预裂爆破，起爆时仅有一个临空面，爆炸产生的能量很大一部分将被传至保护区岩体，拱顶由于其受力结构及自重的作用易塌陷；拱顶段弧度较大，不易形成预裂缝，因此拱顶部分不宜采用预裂爆破。该爆破方案参数见表1。

表1 预裂+光面综合爆破方案参数

光爆孔与预裂孔均采用空气不耦合装药结构，预裂孔起爆时仅有一个临空面，所受夹置性强，因此较光爆孔需要增加约30%的装药量，才能得到预期的效果。同时由于软岩波阻抗较低，爆生气体在破坏岩石过程中起到主要作用，因此所有炮眼必须堵塞。

2.2 爆破振动监测

本工程的爆破振动监测设备采用NUBOX-8016智能测振仪，通道数为3，振动速度测量范围0.004 7 ～35.000 0 cm∕s，信号频率范围0.5～800.0 Hz。该测振仪集智能采集、数字化处理、储存、无线传输等功能于一体，可同时测量爆破振动速度的垂直分量、水平径向分量和水平切向分量。

大断面爆破施工中上断面爆破炸药用量比下断面多，隧道围岩主要受到上断面爆破时所产生的爆破振动影响，因此本次试验对上断面爆破进行监测。测振仪布置在距上断面10～120 m 范围内，并将测振传感器固定在高于地面40 cm 的隧道围岩侧壁上。现场测振仪器布置如图4所示。

图4 现场仪器布置（单位：m）

3 试验结果及分析

3.1 软岩隧道爆破振动衰减规律

为研究隧道爆破振动控制效果，在原大断面爆破方案施工时进行爆破振动监测，结果见表2。

表2 爆破参数和振动速度监测结果

参考GB 6722—2014《爆破安全规程》及相关研究成果，采用萨道夫斯基经验公式［16］对表2 中爆破振动速度监测数据进行回归分析，并做出爆破振动速度与R∕Q1∕3的关系曲线（图5），得到爆破振动传播与衰减规律。在应用已经得到的经验公式的过程中，针对爆破形式和局部场地条件的改变，必须对衰减公式做出适当的修正，以期对爆破振动作出相对准确的预报［17］。

图5 爆破振动速度与比例距离的关系曲线

爆破振动衰减公式为

式中：K为场地系数；α为衰减系数。

振动速度垂向和水平径向的回归曲线分别为

3.2 优化方案减振效果分析

对预裂+光面综合爆破方案施工时的爆破振动进行实时监测，得到垂向振动速度波形，并与相同条件下原爆破方案施工时测得的垂向振动速度波形进行对比，如图6所示。

图6 两种爆破方案垂向振动速度波形

由图6 可知：①两次爆破各段间的延迟时间能够对应，与其雷管段别延迟时间相吻合。②预裂孔装药量比掏槽孔装药量少得多，但其爆破时质点振动速度峰值与掏槽孔相差不大，这表明预裂孔爆破会产生较大的爆破振动。③两次爆破中掏槽孔、辅助孔1、辅助孔2 炮孔布置及装药量相同，且测点到掌子面的距离也相同，但在两次爆破中质点振动速度峰值相差很大，见图7，这说明预裂缝对主爆区爆破的减振效果较为明显，其中掏槽孔爆破所产生的质点振动速度峰值降低36.95%。④随着雷管段别的增大，多孔同段爆破时振动波段逐渐分散，主要是由于高段别雷管延时较长且同段雷管具有个体差异性，因此安排高段位雷管能适当减小其产生的爆破振动峰值。

图7 两种爆破方案主爆区岩石质点振动速度峰值

本次试验共进行7次预裂+光面综合爆破，单段最大装药量均为33.6 kg。测出在同等条件下原爆破方案岩石质点振动速度峰值，与优化后的爆破试验中测得的岩石质点振动速度峰值进行比较，见表3。可知，采用预裂+光面综合爆破的方案比原爆破方案的质点振动速度峰值平均降低了31.15%。同时，可以看出距离掌子面越近，减振效果越明显。

表3 爆破方案优化前后质点振动速度峰值

3.3 围岩损伤分析

经过多次爆破试验，结果表明在软弱围岩隧道爆破施工中，预裂+光面综合爆破方案对围岩的损伤比原光面爆破方案小。根据原光面爆破方案施工后掌子面的情况，采用原爆破方案超挖现象严重，开挖轮廓线控制较差，提前打入岩石内部的超前小导管被炸变形，并且开挖进尺控制较差，循环进尺3.2 m，设计进尺为2.4 m，超出0.8 m。根据预裂+光面综合爆破方案施工后掌子面的情况，超前小导管未露出，开挖进尺控制较好，超挖最大区域0.15 m，循环进尺2.6 m，仅超过设计进尺0.2 m。

经过多次试验，并分别统计了7 次循环的线性超挖量和进尺超挖量，见图8。可知，光面爆破超挖普遍都在0.5 m 以上，超挖量过大，会造成围岩稳固性差，注浆量增多，工序耗时长等一系列问题。光面+预裂爆破方案能够将超挖控制在30 cm 以内，并具有较好的控制循环进尺效果。综上，说明该爆破方案在控制爆破线性超挖量以及控制循环进尺方面比原光面爆破方案效果好。

图8 两种爆破方案线性超挖与进尺超挖

4 结论

1）根据隧道现场振动监测数据，通过回归分析得出了适用于该隧道软弱围岩区段爆破振动的萨道夫斯基经验公式，通过该公式可在爆破施工前预测出爆破振动速度峰值。

2）针对软弱围岩隧道大断面爆破施工中爆破振动危害大的现象，采用预裂+光面综合爆破方案能够有效降低爆破对软弱围岩的扰动，爆破振动速度峰值较原爆破方案平均降低31.15%，其中对掏槽孔爆破降振效果最为明显。距离掌子面越近，该爆破方案减振效果越好。

3）优化后的预裂+光面综合爆破方案效果良好，超前小导管及以上围岩保存完好，开挖轮廓线控制较好，超挖现象得到有效控制，开挖进尺符合设计要求。