張優(yōu)利 劉勝春 楊克文 周 朋 梁 順

（1.象山縣交通局 寧波 315700；2.北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心 北京 100044）

1 隧道工程對既有隧道的影響研究狀況

我國交通事業(yè)迅速發(fā)展的同時，大量復(fù)線鐵路和雙向公路隨之出現(xiàn)，突出問題之一是近距雙線隧道間的相互影響，在復(fù)線建設(shè)中表現(xiàn)為新建線施工對近距既有線的影響，尤其是既有線存在較多病害問題時，對這種影響的分析及控制研究尤為必要。

國內(nèi)學(xué)者針對大量雙線近距隧道工程實(shí)例進(jìn)行深入研究，主要研究方向?yàn)樽冃渭氨?個方面。王興中等［1］根據(jù)廣州地鐵三號線崗石區(qū)間超小間距隧道的工程實(shí)例，對超小間距隧道施工中的偏壓進(jìn)行了研究，提出了“偏壓系數(shù)”的概念，分析了超小間距隧道偏壓的形態(tài)、量值及其變化過程。雷明峰等［2］根據(jù)小間距交通隧道的爆破安全現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對天際嶺隧道進(jìn)行了安全性評價及地震波衰減規(guī)律分析，并通過薩式公式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，給出了測試條件下的場地系數(shù)K 和地震波衰減指數(shù)α 的值，由此反演出任意質(zhì)點(diǎn)振速峰值預(yù)測公式和最大段允許裝藥量的控制公式。李云鵬等［3］對采用典型雙側(cè)導(dǎo)坑法的小間距隧道爆破施工動力效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了爆破施工在已有洞室周邊產(chǎn)生動力效應(yīng)的一般規(guī)律和對既有洞室穩(wěn)定性影響較大的關(guān)鍵開挖位置，得到了爆破動荷載對小間距隧道圍巖穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為爆炸應(yīng)力波造成圍巖臨空面的反射拉伸破壞的結(jié)論。

本文依托工程史家山2號隧道位于浙江寧波象山西部，隧道走向大致沿東西向展布，其左側(cè)存在近距既有史家山隧道。2隧道設(shè)計線最小間距約15.8m，新建隧道全長995m，最大埋深約212 m，建成后與既有隧道構(gòu)成上下行分離式雙向4車道隧道，隧道凈寬12.36m，凈高10.03m。隧址區(qū)基巖巖性主要為含碎（礫）石粉質(zhì)粘土和含粘性土碎（礫）石，晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r和間夾含礫凝灰?guī)r，以及閃長巖及凝灰?guī)r?？傮w來講，巖體呈碎裂～塊狀結(jié)構(gòu)，巖石致密堅(jiān)硬，屬硬質(zhì)巖，風(fēng)化作用較強(qiáng)烈，存在多組風(fēng)化層，節(jié)理發(fā)育，連續(xù)性比較差。

2 既有隧道的健全度評估

已建史家山隧道位于S311省道象西線K0＋230處，于2001年建成通車，運(yùn)營至今已超過10年，已經(jīng)出現(xiàn)滲水、襯砌開裂等病害，加之2線相距較近，受近距新建史家山2號隧道的施工影響，存在較大的安全隱患。

檢測發(fā)現(xiàn)隧道襯砌表面局部開裂嚴(yán)重，兩側(cè)邊墻開裂較少，但是拱頂開裂相對較多，有多條縱向、斜向和環(huán)向裂縫將襯砌切割，隧道存在的滲漏水區(qū)域不是很多，集中分布在進(jìn)洞口和出洞口附近，但還是會對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全和耐久性產(chǎn)生不利的影響，隧道內(nèi)裝防火層脫落現(xiàn)象極為嚴(yán)重，局部區(qū)域（包括側(cè)墻和拱頂）出現(xiàn)大面積的涂料脫落。

對于既有隧道，若不采取一定的保護(hù)和控制措施，近距新建隧道的爆破開挖施工必然會對上述病害位置造成進(jìn)一步的損害，加速既有隧道現(xiàn)狀健全度的下降，加大施工安全事故發(fā)生的可能性。因此，需要對新建隧道施工方案及爆破參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整，以減小對既有隧道的影響。

3 爆破方案及爆破參數(shù)設(shè)計

3.1 爆破方案

該新建隧道圍巖大部分屬于III～V 級，破碎帶分布范圍較廣，多為張扭性斷層，呈南北向展布，一定程度上加大了對新建隧道爆破危害的控制難度。為了降低施工引起的爆破響應(yīng)，采用上下臺階施工方法，上臺階整體開挖，下臺階為了施工方便采用左右半幅分部開挖，見圖1。

圖1 新建隧道爆破開挖分區(qū)示意圖（單位：cm）

3.2 爆破參數(shù)

該隧道下臺階高度較小，應(yīng)力及能量釋放大部分發(fā)生在上臺階爆破開挖瞬間，因此本文主要對上臺階爆破參數(shù)進(jìn)行闡述和分析。該工程采用炮孔直徑為40 mm，藥卷規(guī)格為φ32 mm×200 mm，采用的炸藥主要為巖石粉狀乳化炸藥。施工過程中對既有隧道的振動速度進(jìn)行了大量現(xiàn)場監(jiān)測，通過監(jiān)測爆破振動速度的大小對掏槽形式、炮孔間距、炮孔深度和延時間隔等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以將既有隧道振動速度控制在10cm／s以內(nèi)，上臺階炮孔布置見圖2。同時各循環(huán)會根據(jù)具體巖石類別及爆破范圍要求對爆破排距、裝藥量、炮孔深度及數(shù)量等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖2 上臺階炮孔布置示意圖（單位：cm）

上臺階開挖進(jìn)尺為3m，開挖寬度12.36m，開挖高度為7.15m，采用斜孔掏槽光面爆破進(jìn)行施工，表1所列為2011年11月18日采用的爆破參數(shù)設(shè)置，掏槽孔間距50～70cm，排距50cm，輔助孔間距100cm，周邊孔間距50cm；下臺階采用淺孔排炮，雷管段別為9～11段，炸藥量為15kg。

表1 2011年11月18日上臺階爆破參數(shù)

4 既有隧道爆破影響監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)一些學(xué)者對某些工程爆破近區(qū)影響進(jìn)行的測試表明，上臺階爆破施工對既有隧道產(chǎn)生的最大振動速度出現(xiàn)在迎爆側(cè)的拱肩和拱頂，但由于在既有運(yùn)營隧道拱頂位置進(jìn)行爆破監(jiān)測存在較大難度，監(jiān)測點(diǎn)一般設(shè)置在既有隧道迎爆側(cè)的邊墻和拱底。圖3所示為2011年11月11，15，18和26日既有隧道監(jiān)測點(diǎn)垂直振速。

圖3 上臺階爆破引起的既有隧道監(jiān)測點(diǎn)振動波形

從上述爆破振動監(jiān)測結(jié)果可見，爆破引起的既有隧道振速基本處于10cm／s以內(nèi)，滿足《爆破安全規(guī)程》（GB722K－2003）中規(guī)定的交通隧道爆破安全允許振速，鑒于既有隧道已經(jīng)存在較多的裂縫和滲水等病害現(xiàn)象，一般將新建隧道上臺階爆破對既有隧道的影響控制在8cm／s左右，圖中11月11日主振頻率為29.297 Hz，最大振速為9.536cm／s；11月15日主振頻率91.553Hz，最大振速為6.665cm／s；11月18日 主振頻率為100.098Hz，最大振速為7.689cm／s；11月26日主振頻率109.863 Hz，最大振速為8.367cm／s，其中11日和26日的監(jiān)測值均略大于控制標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于11日兩洞間距還處于較小的程度，26日掌子面位置圍巖條件較差，而裝藥量、炮孔參數(shù)并未作相應(yīng)的調(diào)整。

從上述監(jiān)測結(jié)果可以看出，既有史家山隧道迎爆側(cè)的振速明顯大于另一側(cè)的振速，而迎爆側(cè)邊墻位置和拱腳位置的振速并無太大差異，但主振頻率的差別較大；此外爆破參數(shù)的變化尤其是裝藥量、開挖進(jìn)尺以及臨空面大小的改變對爆破響應(yīng)的影響很大，說明根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測的反饋對各爆破參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整是控制既有隧道爆破響應(yīng)的有效手段。在史家山2號隧道的施工過程中，通過密集準(zhǔn)確地監(jiān)測作業(yè)和及時反饋及調(diào)整，逐步將既有史家山隧道的迎爆側(cè)振速降低到控制標(biāo)準(zhǔn)以下，有效地控制了已有病害的發(fā)展和潛在病害的出現(xiàn)，防止了建設(shè)期間安全事故的發(fā)生，保證了史家山2 號隧道的施工安全和順利掘進(jìn)。

5 爆破安全控制技術(shù)

由于該工程具有長距離、小間距的特點(diǎn)，不僅要對爆破施工進(jìn)行嚴(yán)格控制，還需兼顧施工單位。因此所增加的成本，爆破振動標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)既有隧道健全度、施工進(jìn)度、工程投入和地質(zhì)情況等進(jìn)行合理制定，既要確保既有隧道的運(yùn)營安全和新建隧道的施工安全，又要降低施工成本，保證正常的施工進(jìn)度。

爆破控制技術(shù)的著眼點(diǎn)主要在于裝藥量、爆破規(guī)模、引爆時間、裝藥結(jié)構(gòu)等幾個方面，由于不同里程位置的地質(zhì)情況不同，兩洞凈距和地應(yīng)力狀態(tài)也存在很大差異，只進(jìn)行單一的爆破參數(shù)設(shè)定顯然是不科學(xué)也是不現(xiàn)實(shí)的。因此在整個隧道施工過程中需要不斷地對爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，這就為爆破控制技術(shù)的研究提供了可能。

裝藥量是隧道爆破施工響應(yīng)的主要影響因素之一，其與質(zhì)點(diǎn)振動速度的關(guān)系一般都是通過薩式公式建立起來的：

式中：V 為監(jiān)測點(diǎn)振速，cm／s；Q 為單段最大起爆藥量，kg；R 為爆源至被保護(hù)物的距離，m；K，a 為與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；m 是藥量指數(shù)，對于集中藥包爆破，m＝1／3，對于延長藥包爆破，m＝1／2。

根據(jù)所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)對薩式公式進(jìn)行回歸分析，可得到適合該工程的K，a 值，再根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB722－2003）中的交通隧道爆破安全允許振速應(yīng)控制在10～20cm／s以內(nèi)的規(guī)定，制定適當(dāng)?shù)恼袼倏刂茦?biāo)準(zhǔn)，由這些參數(shù)即可通過薩式公式對裝藥量進(jìn)行大概的估算，從而控制爆破安全。

施工中通常也會采用分次爆破和縮短進(jìn)尺的方法來對爆破響應(yīng)進(jìn)行控制，當(dāng)全斷面開挖無法滿足振速控制標(biāo)準(zhǔn)要求時，可采用臺階法等分布開挖方法，一方面減小了最大的單響藥量，另一方面也減小了臨空面的范圍，同時可將掏槽眼布置在遠(yuǎn)離已建隧道的下側(cè)，從而加大與爆源的距離，可使地震波從掏槽眼開始逐段自遠(yuǎn)及近地間隔起爆，以避免地震波的疊加，降低爆破振動效應(yīng)。一般而言，開挖進(jìn)尺大都通過炮孔深度進(jìn)行控制，當(dāng)采用臺階法施工時，上臺階的開挖進(jìn)尺應(yīng)嚴(yán)格控制，該工程每循環(huán)控制在3 m 以內(nèi)，下臺階應(yīng)力釋放較小，地震波傳播時空腔效應(yīng)明顯，可采用較大的進(jìn)尺，但仍需根據(jù)振速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)控［4－5］。

合理的段位設(shè)置和起爆時差，能夠有效地控制圍巖的爆破響應(yīng)，在傳播理論的基礎(chǔ)上避免地震波的疊加，同時也可使主振頻率保持與既有隧道自振頻率的差異，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。此外，裝藥結(jié)構(gòu)的不同也會導(dǎo)致爆破響應(yīng)的巨大差異，耦合裝藥每米炮孔裝藥密度大，爆炸瞬間氣體對孔壁產(chǎn)生的沖擊作用較強(qiáng)，采用非耦合裝藥結(jié)構(gòu)則能有效減弱這種沖擊，如在炮眼不同深度裝入水袋，后用炮泥回填炮眼［6－7］。

6 結(jié)語

（1）動態(tài)施工過程中對既有史家山隧道的振速監(jiān)測結(jié)果表明，既有隧道結(jié)構(gòu)受爆破施工影響最大部位在迎爆側(cè)，拱腳和拱腰處的爆破振速響應(yīng)相差不大，但主振頻率差別較大；同時可以看到，實(shí)時監(jiān)測工作對調(diào)整爆破參數(shù)方案及保證施工安全有著極其重要和有效的作用。

（2）該工程實(shí)例具有明顯的長距離、小間距特點(diǎn)，施工中需要時刻關(guān)注新建隧道爆破施工對既有隧道安全的影響，但在爆破控制措施實(shí)施過程中，仍存在很多不足和限制，例如爆破施工對工人的操作工藝要求很高，有時由于工人操作不規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)不足，會使實(shí)際炮孔位置和形狀與設(shè)計參數(shù)相差較遠(yuǎn)，所達(dá)到的效果也就不盡理想，因此在提高施工人員的專業(yè)素質(zhì)的同時，可使爆破方案盡量簡單易行，減小人為因素的影響。

（3）值得注意的是，對于病害隧道，爆破安全規(guī)程中并未作更為詳細(xì)的振速標(biāo)準(zhǔn)限定。一般的近距爆破工程中，都是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對振速限值進(jìn)行適當(dāng)折減，當(dāng)施工單位的隧道爆破經(jīng)驗(yàn)不足時，所制定的振速標(biāo)準(zhǔn)并沒有充足的理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)，這就使得爆破工程存在較大的隱患。

［1］王興中，楊新安，黃小平，等.超小間距隧道施工中的偏壓研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2008（3）：528－532.

［2］雷明峰，張運(yùn)良，彭立敏.城市小間距交通隧道爆破安全監(jiān)測及結(jié)果分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44（1）：61－64.

［3］李云鵬，艾傳志，韓常領(lǐng)，等.小間距隧道爆破開挖動力效應(yīng)數(shù)值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2007，27（1）：75－80.

［4］畢繼紅，鐘建輝.鄰近隧道爆破振動對既有隧道影響的研究［J］.工程爆破，2004（4）：69－73.

［5］王明年，潘曉馬，張成滿，等.臨近隧道爆破振動響應(yīng)研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25（3）：412－414.

［6］姚 勇，何 川.并設(shè)小凈距隧道爆破振動響應(yīng)分析及控爆措 施研究［J］.巖土力學(xué)，2009（9）：2815－2822.

［7］徐順香.超小凈距交叉隧道爆破與安全技術(shù)［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（12）：36－37.