羅厚金，方俊波

(1.中鐵隧道三處有限公司，廣東深圳 518052;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

當(dāng)硬巖隧道埋深較淺時(shí)，其爆破掘進(jìn)引起的震動(dòng)常能使地表建筑物墻體開(kāi)裂、結(jié)構(gòu)錯(cuò)位等，需要采取一系列的減震措施進(jìn)行施工。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于鉆爆法近距下穿地表建筑物的施工實(shí)例較多，技術(shù)措施亦較多。

文獻(xiàn)［1］以膠州灣海底隧道陸域段以例，指出地表震動(dòng)以垂直向?yàn)橹?，水平震?dòng)較弱，只要將毫秒管的時(shí)間間隔控制在50 ms左右即可使相鄰波段分開(kāi)而不疊加;文獻(xiàn)［2］通過(guò)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析，得到了震動(dòng)波的傳播規(guī)律，指出控制最大單段藥量及循環(huán)進(jìn)尺是控制措施的關(guān)鍵所在;文獻(xiàn)［3］介紹了隧道爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及各種減震措施;文獻(xiàn)［4］主要介紹了某隧道近距(拱頂距地表15.8 m)下穿地表建筑物的控制爆破技術(shù)，采用楔形掏槽、人工手持風(fēng)鉆鉆眼，分區(qū)分批次進(jìn)行雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，循環(huán)進(jìn)尺僅0.5 m。

縱觀國(guó)內(nèi)近距(埋深15m以下)下穿地表建筑物控制爆破施工技術(shù)，主要采用多分區(qū)、短進(jìn)尺的技術(shù)措施達(dá)到減震目的，更有采用非爆破開(kāi)挖通過(guò)的實(shí)例。對(duì)于類似膠州灣海底隧道大斷面、中進(jìn)尺下穿薛家島后岔灣村民房的控制爆破施工還不多見(jiàn)。本文所述技術(shù)的關(guān)鍵在于:通過(guò)采用孔外中段別雷管接力起爆，實(shí)現(xiàn)了大斷面(超前下導(dǎo)、后續(xù)擴(kuò)挖面)一次性點(diǎn)火起爆，解決了大斷面一次性爆破雷管段別不足的難題;通過(guò)液壓鑿巖臺(tái)車鉆鑿一排近距大直徑空孔，進(jìn)行具有較好減震能力的直眼掏槽爆破，循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到了2 m，避免了大規(guī)模爆破引起的過(guò)大震動(dòng);通過(guò)進(jìn)行爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)回歸分析，得到了震動(dòng)波在該地層中的傳播規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了不同地段最大單段安全藥量的真正校核。

1 工程概述

青島膠州灣海底隧道是連接青島市主城區(qū)和黃島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的重要通道，北連青島市團(tuán)島，南接青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)薛家島，下穿膠州灣灣口海域。隧道設(shè)2條主隧道和1條服務(wù)隧道，總長(zhǎng)約6 170 m，其中跨越海域段約 3 950 m，兩端陸域淺埋段長(zhǎng)約1 000 m，是一條以城市道路功能為主兼有公路功能的隧道。

陸域淺埋段右側(cè)主隧道YK8+050～+480段穿越薛家島后岔灣村，洞頂集中約50棟1～2層民房，為居民自建自居房，基礎(chǔ)埋深在1 m左右，磚混結(jié)構(gòu)，建筑年代在10 a左右，墻體為單層，有許多已開(kāi)裂，部分房仍有人居住。該段主隧道埋深12～39m。主隧道與地面建筑物位置關(guān)系示意如圖1所示。

由于存在大量的、距隧道拱頂較近的地表建筑物，主隧道陸域淺埋段在下穿薛家島后岔灣村施工地一個(gè)重要特點(diǎn)是需要控制隧道爆破施工對(duì)位于其上方表建筑物的影響，需要采用控制爆破技術(shù)，減弱隧道爆破的震動(dòng)量，防止因震動(dòng)較大而對(duì)地表建筑物產(chǎn)生破壞性影響。

該段圍巖級(jí)別以Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)為主，多為微風(fēng)化花崗巖，存在高傾角裂隙。局部Ⅴ級(jí)圍巖段以強(qiáng)、弱風(fēng)化破碎巖體為主，巖體斷裂構(gòu)造發(fā)育，風(fēng)化破碎嚴(yán)重，爆破施工可能對(duì)洞頂建筑造成破壞?；鶐r裂隙水既接受低山丘陵基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，也接受海水補(bǔ)給，地下水運(yùn)動(dòng)緩慢，為不發(fā)育。

2 下穿地表建筑物爆破震動(dòng)控制技術(shù)流程及對(duì)策

2.1 控制爆破施工技術(shù)流程

針對(duì)右線主隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，提出了控制爆破施工技術(shù)流程(見(jiàn)圖2)。

2.2 控制爆破施工技術(shù)對(duì)策

1)選擇合理的開(kāi)挖方法。主隧道Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖下穿房屋段采用下導(dǎo)洞超前、后續(xù)大斷面擴(kuò)挖法進(jìn)行施工，局部Ⅴ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法施工。

2)應(yīng)用控制爆破技術(shù)。應(yīng)用控制爆破技術(shù)將爆破震動(dòng)對(duì)地表環(huán)境的擾動(dòng)降低到最低程度。開(kāi)挖時(shí)采取跳段(時(shí)間間隔大于50 ms)微差起爆技術(shù)［1］，全面實(shí)施光面爆破，減少超挖量、減小圍巖松馳圈的影響范圍。施工中采取分區(qū)施工、分次或采用孔外中段別雷管接力起爆，減小炮眼裝藥密度，采用低威力低爆速炸藥或采用小直徑不耦合裝藥、限制一次起爆裝藥量等減震措施［3］。

3)爆破震動(dòng)檢測(cè)。根據(jù)GB 67222—2003《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，下穿房屋段時(shí)為保證地表建筑物的安全，應(yīng)將爆破震動(dòng)波速控制在1.5～2.0 cm/s［5］。施工前提前布置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行以地表垂直震速為主的震動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)［1］，并進(jìn)行反饋分析，尋找到合適的爆破方案、經(jīng)濟(jì)的施工方法以滿足爆破震動(dòng)波速控制指標(biāo)及進(jìn)度指標(biāo)要求。

3 爆破設(shè)計(jì)

主隧道下穿房屋段主要為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖，圍巖整體性較好，故采用下導(dǎo)洞(寬度4.6、高4.1 m)超前、后續(xù)斷面(設(shè)計(jì)寬15.386 m、高9.63 m)擴(kuò)挖的施工方案，導(dǎo)坑超前后續(xù)擴(kuò)挖大斷面1～2個(gè)循環(huán)長(zhǎng)度，同時(shí)鉆孔。后續(xù)擴(kuò)挖大斷面上孔外延期接力雷管采用7段毫秒管串聯(lián)超前導(dǎo)洞所有炮孔，進(jìn)行孔外接力起爆，達(dá)到2個(gè)斷面同時(shí)點(diǎn)火起爆且避免超前導(dǎo)洞與擴(kuò)挖大斷面上相同段毫秒雷管數(shù)相疊加而增大。超前導(dǎo)坑的主要作用是為后續(xù)擴(kuò)挖大斷面創(chuàng)造較好的臨空面，達(dá)到減震目的。

超前下導(dǎo)及后續(xù)擴(kuò)挖大斷面均采用液壓鑿巖臺(tái)車鉆孔，鉆孔深度為2.0～2.5 m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為2.0 m。超前下導(dǎo)采用大中空孔直眼掏槽，后續(xù)擴(kuò)挖大斷面不需要掏槽。主隧道開(kāi)挖方法及鉆爆設(shè)計(jì)示意如圖3所示。

后續(xù)擴(kuò)挖大斷面是在超前下導(dǎo)創(chuàng)造出較好的臨空面后進(jìn)行擴(kuò)挖，根據(jù)多年控制爆破施工及爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)挖爆破對(duì)地表的震動(dòng)影響不會(huì)很大，最大的爆破震動(dòng)應(yīng)該位于超前下導(dǎo)，故主要控制超前下導(dǎo)的爆破藥量。超前下導(dǎo)裝藥參數(shù)及經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示。

隧道爆破的關(guān)鍵在于掏槽孔爆破后能否為其他炮孔的爆破創(chuàng)造出足夠的第二自由面，為此掏槽孔的藥量通常都大于其他炮孔的裝藥量。國(guó)內(nèi)外許多隧道爆破震動(dòng)波形圖也表明，掏槽孔爆破產(chǎn)生的震動(dòng)波幅通常比其他炮孔高出很多，故改進(jìn)爆破效果，降低爆破震動(dòng)，故改進(jìn)掏槽方法是關(guān)鍵［6］。

本工程由于具有大型液壓鑿巖鉆孔臺(tái)車，在主隧道下穿地表建筑物時(shí)，采用了鉆鑿大直徑中空孔直眼掏槽技術(shù)，而棄用常見(jiàn)的楔形掏槽。施工中采用直徑0.1 m的大鉆頭在超前下導(dǎo)中部鉆3個(gè)(有時(shí)達(dá)5個(gè))大孔，自上而下一字形排列，中心間距0.2 m，深2.3～2.5 m，鉆孔完成后由3個(gè)大空孔(最多時(shí)達(dá)7個(gè))形成一個(gè)寬0.1 m、高0.4 m(最大時(shí)達(dá)0.8 m)的空槽。掏槽孔和其他炮孔則以此開(kāi)口槽為中心布置。這一開(kāi)口槽為其他炮孔爆破提供了一個(gè)很好的第二自由面，不僅大大提高了爆破進(jìn)尺，而且也有效地降低了爆破震動(dòng)。

圖3 下穿地表建筑物段隧道爆破開(kāi)挖方法及鉆爆設(shè)計(jì)示意圖(單位:cm)Fig.3 Excavation method and drilling and blasting design for tunneling underneath buildings(cm)

表1 超前下導(dǎo)裝藥參數(shù)表Table 1 Charging parameters for bottom heading

表2 超前下導(dǎo)經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)表Table 2 Economical and technological parameters of bottom heading

4 超前下導(dǎo)最大單段允許藥量的校核

根據(jù)我國(guó)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理結(jié)果，隧道爆破開(kāi)挖的最大震動(dòng)速度值與微差爆破的總藥量無(wú)關(guān)，而是決定于某單段的最大用藥量［2］，并在GB 67222—2003《爆破安全規(guī)程》中，最大單段藥量與允許震速之間的關(guān)系［5］為

式中:Qmax為最大單段允許藥量，kg;R為爆心距，超前下導(dǎo)爆心距地表建筑物基礎(chǔ)的最近距離，m;v為允許最大震速，cm/s，取2 cm/s;K，α為由地質(zhì)地形條件決定的場(chǎng)地系數(shù)和指數(shù)(K值一般取50～150，α值一般取1.3～1.8)。

主隧道拱頂距地表最近距離為12 m，并以一定的角度向海底下插，而超前下導(dǎo)拱頂距主隧道拱項(xiàng)約5 m，爆破中心按位于下導(dǎo)中心計(jì)算，則爆心距約為12+ 5+2=19 m。過(guò)民房段超前下導(dǎo)最大單段允許裝藥量校核值見(jiàn)表3。按表3對(duì)上述系數(shù)賦值，代入式(1)，則可計(jì)算出超前下段最大單段允許裝藥量應(yīng)控制在10.11 kg以下。

表3 過(guò)民房段超前下導(dǎo)最大單段允許裝藥量校核值Table 3 Calibrated value of maximum allowable charging quantity per delay for bottom heading underneath buildings

由表3知:超前下導(dǎo)最大單段設(shè)計(jì)藥量(9 kg)要小于校核計(jì)算出的最大單段允許藥量(10.11 kg)，即超前下導(dǎo)設(shè)計(jì)鉆爆裝藥參數(shù)是合理的，并且隨著主隧道向海底掘進(jìn)，超前下導(dǎo)的爆心距會(huì)增加，則主隧道爆破震動(dòng)對(duì)地表的影響會(huì)更小。

5 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

一般將爆破震動(dòng)速度作為衡量爆破地震波效應(yīng)的判據(jù)［2］，爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)采用四川拓?fù)渲悄鼙普饎?dòng)監(jiān)測(cè)儀UBOX－5016和中科院TC－4580爆破震動(dòng)自記儀。接收數(shù)據(jù)采用水平和垂直傳感器(以垂直為主)，監(jiān)測(cè)時(shí)傳感器用石膏固定。測(cè)點(diǎn)布置原則上是沿離爆心最近的房屋墻角和房屋的結(jié)構(gòu)處進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，其目的是通過(guò)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，掌握主隧道爆破對(duì)近距離地表建筑物的影響程度，以驗(yàn)證和修改爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，確保地表建筑物結(jié)構(gòu)安全。另外，亦可根據(jù)實(shí)際測(cè)得的爆破震速進(jìn)行反分析計(jì)算，回歸出場(chǎng)地系數(shù)K和指數(shù)d，根據(jù)傳播規(guī)律預(yù)測(cè)出爆破開(kāi)挖掌子面前方某一定范圍內(nèi)的最大單段允許藥量。

5.1 爆破震動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

主隧道下穿地表建筑物期間，控制爆破按上述設(shè)計(jì)進(jìn)行，進(jìn)行了數(shù)百次的地表建筑物垂直質(zhì)點(diǎn)震速測(cè)試。通過(guò)爆破震動(dòng)測(cè)試，基本上掌握了爆破震動(dòng)的量值及其衰減規(guī)律。測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示:在下穿初期，質(zhì)點(diǎn)速度峰值超標(biāo)(2 cm/s)相對(duì)較多，且以超前下導(dǎo)掏槽眼爆破引起的震動(dòng)值超標(biāo)為最多，所占比值達(dá)到了43%;隨著下穿深度加大，大中空孔個(gè)數(shù)增加(至5個(gè))，質(zhì)點(diǎn)震速得到了較好的控制，峰值超標(biāo)現(xiàn)象降低至10%左右。由上可表明控制爆破效果較好，鉆爆設(shè)計(jì)是合理的。2007年12月至2008年1月期間部分爆破震動(dòng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 主隧道淺埋段下穿薛家島后岔灣村爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)表(部分)Table 4 Blasting vibration monitoring data during tunneling underneath Houchawan Village on Xuejia Island with shallow cover

5.2 爆破震動(dòng)傳播規(guī)律

式(1)中能核心反映震動(dòng)波在巖層中震動(dòng)傳播規(guī)律的參數(shù)是K和α，超前下導(dǎo)最大單段藥量校核計(jì)算中，此2個(gè)參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估;但在實(shí)際施工中，還需要通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析計(jì)算，尋找出傳播規(guī)律。一般用最小二乘法計(jì)算反演其大小，反演的基礎(chǔ)是有適量的數(shù)據(jù)，每套數(shù)據(jù)包括單段藥量Q、爆心距R，震動(dòng)速度v。

將式(1)進(jìn)行變形后兩邊取自然對(duì)數(shù)為線性方程

對(duì)于表4測(cè)試所得的多組v，Q，R數(shù)據(jù)，代入y= ln(v)，x=ln/R)，得到2組數(shù)組(y，x)值，將此2組數(shù)組列入Excel表，運(yùn)用LINEST函數(shù)進(jìn)行回歸分析計(jì)算，可得到回歸系數(shù)b為1.955，常數(shù)項(xiàng)a值為4.958，相關(guān)系數(shù)為0.9242(表明回歸效果較好)，反算出α值為1.955，K值為142.35。則爆破震動(dòng)的傳播規(guī)律為

運(yùn)用此傳播規(guī)律，可得到最大單段藥量在12kg的情況下，主隧道爆破引起距拱頂12 m的地表建筑物震動(dòng)速度為2.0 cm/s。隨著隧道下穿距離的增加，爆破中心距地表建筑物會(huì)愈來(lái)愈大，地表建筑物會(huì)更安全。

5.3 典型爆破震動(dòng)波形

爆破震動(dòng)波形不僅反映爆破震速的大小，還反映隧道爆破分段情況，波形圖各時(shí)刻對(duì)應(yīng)各段毫秒管所產(chǎn)生震動(dòng)大小以及整個(gè)爆破震動(dòng)歷程。圖4為主隧道下穿地表建筑物階段的典型爆破震動(dòng)測(cè)試波形圖。

圖4 主隧道下穿地表建筑物階段的典型爆破震動(dòng)測(cè)試波形圖Fig.4 Typical blasting vibration waves measured during tunneling underneath buildings

從實(shí)測(cè)典型波形圖可以看出:1)除超前下導(dǎo)1段和3段波有所疊加外，其余各段波基本按設(shè)計(jì)微差間隔時(shí)間分隔開(kāi)，段別愈大，間隔時(shí)間愈長(zhǎng)，沒(méi)有出現(xiàn)震動(dòng)峰值疊加現(xiàn)象。2)爆破最大峰值震速基本上是由掏槽爆破引起的，其次是由擴(kuò)挖層爆破的第1層所引起。3)一旦有了較好的臨空面，后各段引起的爆破震動(dòng)均較小。

6 爆破效果

從監(jiān)測(cè)數(shù)值可以看出，膠州灣海底隧道陸域淺埋段在下穿薛家島后岔灣村施工過(guò)程中爆破控制良好，所產(chǎn)生的地震波對(duì)上部建(構(gòu))筑物的震速基本上控制在2 cm/s以下，未對(duì)隧道上部建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不良影響。此外，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際震感也不強(qiáng)烈，分段明顯，由于采取炮孔封堵，震動(dòng)產(chǎn)生的分貝不大。至2010年4月，該隧道已貫通，通過(guò)走訪調(diào)查，主隧道下穿房屋段爆破施工對(duì)附近建筑物和居民生活沒(méi)有造成太大的影響，地表建筑是安全的，無(wú)墻體開(kāi)裂及結(jié)構(gòu)錯(cuò)位等損壞現(xiàn)象，居民生活正常。上述現(xiàn)象表明了隧道控制爆破設(shè)計(jì)及施工是合適的、正確的。

7 結(jié)論

1)合理采用掏槽形式。在液壓鑿巖臺(tái)車的基礎(chǔ)上，可采用較大鉆頭鉆大中空孔進(jìn)行直眼掏槽，由于具有大中空孔，直眼掏槽具有掏槽效果好、能為主掏槽眼爆破創(chuàng)造較好的臨空面等特點(diǎn)，可以在增大爆破規(guī)模(循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到了2 m)的同時(shí)，減少掏槽眼爆破震動(dòng)強(qiáng)度，保證地表建筑物安全。

2)通過(guò)采用孔外雷管(7段)接力起爆，實(shí)現(xiàn)大斷面(超前下導(dǎo)、后續(xù)擴(kuò)挖面)一次性點(diǎn)火起爆并掘進(jìn)，解決了大斷面一次性爆破雷管段別不足的難題。

3)通過(guò)進(jìn)行爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)回歸分析，得出震動(dòng)波在該地層中的傳播規(guī)律，實(shí)現(xiàn)不同地段最大單段安全藥量的真正校核。

4)埋深大于12m的三車道公路隧道爆破開(kāi)挖時(shí)，可采用下導(dǎo)超前、后續(xù)大斷面擴(kuò)挖的施工方法，并采用大中空孔直眼掏槽，最大單段裝藥量控制在10 kg左右，爆破震動(dòng)對(duì)地表的建筑影響較少，表明該方法是安全的。

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