羅厚金，方俊波

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

0 引言

當(dāng)硬巖隧道埋深較淺時，其爆破掘進(jìn)引起的震動常能使地表建筑物墻體開裂、結(jié)構(gòu)錯位等，需要采取一系列的減震措施進(jìn)行施工。目前，國內(nèi)對于鉆爆法近距下穿地表建筑物的施工實例較多，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，指出地表震動以垂直向為主，水平震動較弱，只要將毫秒管的時間間隔控制在50 ms左右即可使相鄰波段分開而不疊加;文獻(xiàn)［2］通過爆破震動監(jiān)測及分析，得到了震動波的傳播規(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監(jiān)測技術(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，更有采用非爆破開挖通過的實例。對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。本文所述技術(shù)的關(guān)鍵在于:通過采用孔外中段別雷管接力起爆，實現(xiàn)了大斷面(超前下導(dǎo)、后續(xù)擴挖面)一次性點火起爆，解決了大斷面一次性爆破雷管段別不足的難題;通過液壓鑿巖臺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)模爆破引起的過大震動;通過進(jìn)行爆破震動監(jiān)測及數(shù)據(jù)回歸分析，得到了震動波在該地層中的傳播規(guī)律，實現(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)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的重要通道，北連青島市團島，南接青島經(jīng)濟技術(shù)開發(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，總長約6 170 m，其中跨越海域段約 3 950 m，兩端陸域淺埋段長約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重要特點是需要控制隧道爆破施工對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量，防止因震動較大而對地表建筑物產(chǎn)生破壞性影響。

該段圍巖級別以Ⅱ級和Ⅲ級為主，多為微風(fēng)化花崗巖，存在高傾角裂隙。局部Ⅴ級圍巖段以強、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)向補給，也接受海水補給，地下水運動緩慢，為不發(fā)育。

2 下穿地表建筑物爆破震動控制技術(shù)流程及對策

2.1 控制爆破施工技術(shù)流程

針對右線主隧道施工現(xiàn)場，提出了控制爆破施工技術(shù)流程(見圖2)。

2.2 控制爆破施工技術(shù)對策

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

2)應(yīng)用控制爆破技術(shù)。應(yīng)用控制爆破技術(shù)將爆破震動對地表環(huán)境的擾動降低到最低程度。開挖時采取跳段(時間間隔大于50 ms)微差起爆技術(shù)［1］，全面實施光面爆破，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)爆破震動檢測。根據(jù)GB 67222—2003《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，下穿房屋段時為保證地表建筑物的安全，應(yīng)將爆破震動波速控制在1.5～2.0 cm/s［5］。施工前提前布置地表監(jiān)測點，以自動采集數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行以地表垂直震速為主的震動測試試驗［1］，并進(jìn)行反饋分析，尋找到合適的爆破方案、經(jīng)濟的施工方法以滿足爆破震動波速控制指標(biāo)及進(jìn)度指標(biāo)要求。

3 爆破設(shè)計

主隧道下穿房屋段主要為Ⅱ級和Ⅲ級圍巖，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)計寬15.386 m、高9.63 m)擴挖的施工方案，導(dǎo)坑超前后續(xù)擴挖大斷面1～2個循環(huán)長度，同時鉆孔。后續(xù)擴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個斷面同時點火起爆且避免超前導(dǎo)洞與擴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)擴挖大斷面均采用液壓鑿巖臺車鉆孔，鉆孔深度為2.0～2.5 m，設(shè)計開挖循環(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)擴挖大斷面不需要掏槽。主隧道開挖方法及鉆爆設(shè)計示意如圖3所示。

后續(xù)擴挖大斷面是在超前下導(dǎo)創(chuàng)造出較好的臨空面后進(jìn)行擴挖，根據(jù)多年控制爆破施工及爆破震動監(jiān)測經(jīng)驗，擴挖爆破對地表的震動影響不會很大，最大的爆破震動應(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。國內(nèi)外許多隧道爆破震動波形圖也表明，掏槽孔爆破產(chǎn)生的震動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，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車，在主隧道下穿地表建筑物時，采用了鉆鑿大直徑中空孔直眼掏槽技術(shù)，而棄用常見的楔形掏槽。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(有時達(dá)5個)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個大空孔(最多時達(dá)7個)形成一個寬0.1 m、高0.4 m(最大時達(dá)0.8 m)的空槽。掏槽孔和其他炮孔則以此開口槽為中心布置。這一開口槽為其他炮孔爆破提供了一個很好的第二自由面，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。

圖3 下穿地表建筑物段隧道爆破開挖方法及鉆爆設(shè)計示意圖(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)我國大量實測數(shù)據(jù)整理結(jié)果，隧道爆破開挖的最大震動速度值與微差爆破的總藥量無關(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)拱頂距主隧道拱項約5 m，爆破中心按位于下導(dǎo)中心計算，則爆心距約為12+ 5+2=19 m。過民房段超前下導(dǎo)最大單段允許裝藥量校核值見表3。按表3對上述系數(shù)賦值，代入式(1)，則可計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)計藥量(9 kg)要小于校核計算出的最大單段允許藥量(10.11 kg)，即超前下導(dǎo)設(shè)計鉆爆裝藥參數(shù)是合理的，并且隨著主隧道向海底掘進(jìn)，超前下導(dǎo)的爆心距會增加，則主隧道爆破震動對地表的影響會更小。

5 爆破震動監(jiān)測結(jié)果及分析

一般將爆破震動速度作為衡量爆破地震波效應(yīng)的判據(jù)［2］，爆破震動監(jiān)測采用四川拓?fù)渲悄鼙普饎颖O(jiān)測儀UBOX－5016和中科院TC－4580爆破震動自記儀。接收數(shù)據(jù)采用水平和垂直傳感器(以垂直為主)，監(jiān)測時傳感器用石膏固定。測點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，其目的是通過爆破震動監(jiān)測，掌握主隧道爆破對近距離地表建筑物的影響程度，以驗證和修改爆破設(shè)計參數(shù)，確保地表建筑物結(jié)構(gòu)安全。另外，亦可根據(jù)實際測得的爆破震速進(jìn)行反分析計算，回歸出場地系數(shù)K和指數(shù)d，根據(jù)傳播規(guī)律預(yù)測出爆破開挖掌子面前方某一定范圍內(nèi)的最大單段允許藥量。

5.1 爆破震動實測結(jié)果

主隧道下穿地表建筑物期間，控制爆破按上述設(shè)計進(jìn)行，進(jìn)行了數(shù)百次的地表建筑物垂直質(zhì)點震速測試。通過爆破震動測試，基本上掌握了爆破震動的量值及其衰減規(guī)律。測試結(jié)果統(tǒng)計顯示:在下穿初期，質(zhì)點速度峰值超標(biāo)(2 cm/s)相對較多，且以超前下導(dǎo)掏槽眼爆破引起的震動值超標(biāo)為最多，所占比值達(dá)到了43%;隨著下穿深度加大，大中空孔個數(shù)增加(至5個)，質(zhì)點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)計是合理的。2007年12月至2008年1月期間部分爆破震動測試結(jié)果見表4。

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

5.2 爆破震動傳播規(guī)律

式(1)中能核心反映震動波在巖層中震動傳播規(guī)律的參數(shù)是K和α，超前下導(dǎo)最大單段藥量校核計算中，此2個參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估;但在實際施工中，還需要通過實測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析計算，尋找出傳播規(guī)律。一般用最小二乘法計算反演其大小，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，震動速度v。

將式(1)進(jìn)行變形后兩邊取自然對數(shù)為線性方程

對于表4測試所得的多組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，運用LINEST函數(shù)進(jìn)行回歸分析計算，可得到回歸系數(shù)b為1.955，常數(shù)項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。則爆破震動的傳播規(guī)律為

運用此傳播規(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愈來愈大，地表建筑物會更安全。

5.3 典型爆破震動波形

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

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

從實測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)計微差間隔時間分隔開，段別愈大，間隔時間愈長，沒有出現(xiàn)震動峰值疊加現(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均較小。

6 爆破效果

從監(jiān)測數(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程中爆破控制良好，所產(chǎn)生的地震波對上部建(構(gòu))筑物的震速基本上控制在2 cm/s以下，未對隧道上部建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不良影響。此外，現(xiàn)場的實際震感也不強烈，分段明顯，由于采取炮孔封堵，震動產(chǎn)生的分貝不大。至2010年4月，該隧道已貫通，通過走訪調(diào)查，主隧道下穿房屋段爆破施工對附近建筑物和居民生活沒有造成太大的影響，地表建筑是安全的，無墻體開裂及結(jié)構(gòu)錯位等損壞現(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，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，減少掏槽眼爆破震動強度，保證地表建筑物安全。

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

3)通過進(jìn)行爆破震動監(jiān)測及數(shù)據(jù)回歸分析，得出震動波在該地層中的傳播規(guī)律，實現(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挖時，可采用下導(dǎo)超前、后續(xù)大斷面擴挖的施工方法，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，爆破震動對地表的建筑影響較少，表明該方法是安全的。

［1］ 李現(xiàn)森，付迎春，孫星亮.青黃海底隧道接線工程近接地面建筑物段爆破震動控制數(shù)值分析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，26(4):74－77.(LI Xiansen，F(xiàn)U Yingchun，SUN Xingliang.A finite element analysis of blasting vibration in Qingdao-Huangdao cross-harbor tunnel guide line project［J］.Journal of Shijiazhuang Railway Institute:Natural Science，2007，26(4):74－77.(in Chinese))

［2］ 邢新元.隧洞開挖中爆破震動控制研究［J］.東北水利水電，2008，26(8):51－54，74.(XING Xinyuan.Study on blasting vibration control in tunnel excavation［J］.Water Resources＆Hydropower of Northeast China，2008，26(8):51－54，74.(in Chinese))

［3］ 張金泉，魏海霞.爆破震動測試技術(shù)及控制措施［J］.中國礦業(yè)，2006，15(6):68－70.(ZHANG Jinquan，WEI Haixia.Testing technique and control measures of blasting vibration［J］.China Mining Magazine，2006，15(6):68－70.(in Chinese))

［4］ 周春鋒.城市淺埋隧道開挖減震控制爆破技術(shù)［J］.工程爆破，2001(1):58－62，54.(ZHOU Chunfeng.Vibrationreducing controlled blasting technology for excavation of urban shallow tunnel［J］.Engineering Blasting，2001(1):58－62，54.(in Chinese))

［5］ 中國工程爆破協(xié)會.GB 6722—2003 爆破安全規(guī)程［S］.北京:中國工程爆破協(xié)會，2003.

［6］ 鄒定祥.復(fù)雜環(huán)境下的地鐵隧道爆破技術(shù)［C］//第七屆全國工程爆破學(xué)術(shù)會議論文集.成都:中國力學(xué)學(xué)會，2001.