于建新，陳衛(wèi)忠，2，楊建平，楊 帆，李 明，匡岳林，戴永浩

（1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2.山東大學 巖土與結構工程研究中心，濟南 250061；3.東莞高速公路發(fā)展有限公司，廣東 東莞 523000）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，地下空間得到空前利用，新建結構物鄰近既有結構物、小凈距平行隧道、上下交叉隧道等形式的近接施工工程大量涌現(xiàn)[1]。鉆爆法作為新奧法施工的主要方法之一，仍然是目前我國硬巖隧道建設的主要施工方法。鉆爆施工，不可避免會對周圍的構筑物產(chǎn)生振動危害，如何保證隧道鉆爆施工的順利進行以及減小對既有構筑物的影響一直是爆破界的研究熱點。然而目前對靠近既有建筑物和小凈距隧道等近接工程的爆破振動問題均有研究，對于上下交叉近接隧道的動力影響研究相對較少[1－2]。

龔倫、仇文革等[1－2]研究了上下交叉的近接隧道在爆破荷載作用下的相互影響，結果表明采取臺階法、控制循環(huán)進尺、減振爆破技術、振動監(jiān)測等合理有效的施工對策可降低對既有隧道的影響，經(jīng)驗公式的計算結果作為預測及警示是偏于安全、可行的，數(shù)值模擬分析結果比經(jīng)驗公式更接近工程實際。姜德義等[3]的研究結果表明，薩道夫斯基經(jīng)驗公式在爆破安全距離小于15 m時預測結果與實測結果差距較大；迎面逼近的掌子面爆破時在既有隧道近側的拱頂、拱肩測得振速值最大，同側拱腳與另側相應測點處振速值很小。鐘冬望等[4]以扒挪塊隧道上穿獅子口隧道為背景，對既有隧道襯砌的質點振速及應力分布進行了分析，結果表明垂直方向振速峰值比其他兩個方向大，拱頂以及底板單元的主要拉伸應力為水平方向，垂直振速并不能完全代表圍巖的受力狀況。徐順香[5]針對超小凈距交叉隧道施工，提出了下導坑領先再分3步全斷面擴大的爆破開挖方法，并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證了方案的可行性。葉培旭等[6]研究了南山下隧洞下穿錢倉山隧道過程中爆破施工對既有隧道的振動影響，實測結果表明，（1）迎爆面位置影響既有隧道斷面的爆破振動速度分布，震源距離測點大于30 m時，距離是爆破振動的主要影響因素，震源距離測點小于30 m時，主要影響因素則是裝藥量與距離；（2）巖體越堅硬完整，爆破振動波傳播衰減越慢。結合現(xiàn)場情況提出了一些降振措施。

由以上分析可以看出，對于上下交叉隧道工程已有研究，但對隧道爆破振動監(jiān)測及控制的現(xiàn)場監(jiān)測仍相對較少，多以數(shù)值模擬為主要手段。很多研究工作主要針對具體工程進行研究，應用性不強，研究內容尚不充分。尤其在兩隧道空間斜交叉時，如何確定爆破振動控制范圍，以及在隧道爆破施工時人員無法進入既有隧道，如何開展實時監(jiān)測等方面仍然欠缺。上下交叉隧道空間關系復雜，給施工帶來了很大的難題，如何快速、安全、有效地施工給隧道爆破控制提出了挑戰(zhàn)。本文結合走馬崗隧道上穿既有東深供水隧洞工程，通過現(xiàn)場實測監(jiān)控量測及數(shù)值模擬分析，對上下斜交叉隧道爆破施工控制技術進行研究，提出切實合理有效的控制措施及監(jiān)控手段，保證了施工的順利進行以及兩隧道的安全。

2 走馬崗隧道爆破振動監(jiān)測

新建走馬崗公路隧道上穿既有東深供水隧洞工程，上下隧道之間平面線位夾角為30°。走馬崗隧道左右線凈距28.5 m，左線（開挖斷面16.5 m×9.5 m）與東深供水隧洞（凈空斷面7.2 m×6.4 m）交叉處凈距為21.5 m；右線（開挖斷面16.78 m×10.11 m）與東深供水隧洞交叉處凈距為22.1 m。公路隧道開挖斷面較大，兩隧道相距較近，同時，公路隧道施工時供水隧洞一直處于供水期，人員無法進入隧道進行實時監(jiān)控。如何確定合理的安全控制范圍以及對既有隧道的振動響應進行監(jiān)測從而保證施工及既有隧道的安全，是急需解決的重大問題。為提出合理有效的爆破施工方案，首先在公路隧道尚未進入交叉區(qū)域時，選擇與交叉段巖性一致的工程段進行現(xiàn)場監(jiān)測，利用經(jīng)驗公式，回歸得到走馬崗地區(qū)的地質條件參數(shù)。結合控制標準及現(xiàn)場情況，確定有效的控制范圍，提出安全的爆破施工方案。

2.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測儀器采用成都中科測控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破測振儀，配備X、Y、Z 三維一體速度傳感器，并有與之相匹配的三矢量合成分析軟件Blasting vibration analysis（BVA）軟件，具體工作示意圖見圖1。

圖1 爆破測振儀工作示意圖Fig.1 Working progress of blasting vibration monitoring instrument

由于供水隧洞處于供水運營期，人員無法進入進行實地監(jiān)測，故采用在公路隧道內監(jiān)測的方式來實現(xiàn)。為方便采用大型施工機械，保證施工進度，采用上下長臺階法進行開挖。下臺階開挖高度在1.8 m以內，上臺階開挖斷面較大，爆破振動的監(jiān)測及控制重點針對上臺階展開。隧道上下臺階間距大于50 m，上臺階爆破時，測點布置在上臺階工作面后方兩側邊墻上，測點位置距上臺階工作面分別為15、20、25、30 m，距下臺階上表面2 m，測點布置方案如圖2所示。

圖2 測點布置方案（單位：m）Fig.2 Layout scheme of monitoring points(unit:m)

固定傳感器時，首先用電鉆在襯砌上打膨脹螺絲孔，采用石膏粉加水調制成漿糊狀作為粘結劑將傳感器粘在測點表面，用不銹鋼夾片加膨脹螺絲固定，保證其可隨襯砌同時振動。在安裝過程中，垂直方向Z 應該盡量保持與水平面垂直，水平X 方向與隧道軸線平行，水平Y 向垂直隧道壁。為防止爆破飛石的破壞，監(jiān)測儀器及傳感器用加裝膨脹螺絲的鐵盒一體式保護，現(xiàn)場測點布置見圖3。

圖3 現(xiàn)場測點布置Fig.3 In-situ layout of monitoring points

非交叉段試驗段開挖循環(huán)進尺3 m，現(xiàn)場施工單位采用的爆破方案炮眼布置，如圖4所示。掏槽型式采用楔形掏槽，藥量為34.8 kg，最大段裝藥量為59.2 kg（13段），毫秒導爆管雷管延時起爆，炸藥類型為2號巖石乳化炸藥。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

目前國內外比較公認的預測爆破振動強度的經(jīng)驗公式是薩道夫斯基的經(jīng)驗公式，我國應用較多的也是薩道夫斯基公式，且己編入《爆破安全規(guī)程》[7]。通過對隧道爆破的現(xiàn)場振動測試數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出走馬崗隧道花崗巖地層的薩道夫斯基公式的K、α 值，建立走馬崗地區(qū)薩道夫斯基公式從而指導現(xiàn)場施工。薩道夫斯基經(jīng)驗公式為

圖4 3 m進尺爆破方案炮眼布置（單位：m）Fig.4 Arrangement scheme of blasting holes of 3m footage(unit:m)

式中：V為預測地點的振動速度(cm/s)；R為爆破中心與預測地點的距離，簡稱爆心距(m)；Q為炸藥量(kg)，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量；K、α 分別為爆破中心至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，可按《爆破安全規(guī)程》對爆區(qū)不同巖性的K、α 值的取值選取，或通過現(xiàn)場試驗確定。

現(xiàn)場監(jiān)測得到的典型數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。根據(jù)爆破方案及實際振動監(jiān)測結果，發(fā)現(xiàn)最大振速出現(xiàn)在1段掏槽爆破。當掏槽爆破形成自由面后，其他段別爆破引起的振動速度較小。同時，為反映爆破振動的綜合效應，選擇合速度作為評價指標。據(jù)此，采用Matlab曲線擬合工具箱，得到走馬崗隧道花崗巖地質條件下掏槽段爆破引起的質點峰值振動速度（PPV）的薩道夫斯基公式（見式（2）），擬合結果如圖6所示，相關系數(shù)r=0.82。

圖5 典型實測速度時程曲線Fig.5 Typical measured velocity-time curves

圖6 掏槽段爆破薩道夫斯基公式擬合Fig.6 Fitting curve of Sadovski formula for cutting holes blasting

監(jiān)測結果顯示，除第1段掏槽段外，其他段別20 m位置處監(jiān)測最大振動速度均小于7 cm/s。因此振動控制的重點主要放在掏槽爆破段。

2.3 振動控制

走馬崗公路隧道施工前期，監(jiān)測人員對東深供水隧洞情況進行檢測發(fā)現(xiàn)，由于供水隧洞施工并運行多年襯砌結構強度降低，目前已經(jīng)存在較多裂隙，且已有多處漏水。據(jù)《爆破安全規(guī)程》對水工隧道安全振速的規(guī)定和廣東省水利廳對走馬崗隧道與東深供水走馬崗隧洞交叉段會議紀要的要求，確定走馬崗公路隧道施工時，供水隧洞允許的安全振動速度為7 cm/s。同時，以公路隧道施工時，工作面后方20 m處邊墻測點小于7 cm/s的振速為實時監(jiān)控標準。據(jù)此，根據(jù)回歸得到的薩道夫斯基公式，提出交叉段爆破振動控制的藥量與范圍。

（1）藥量控制

根據(jù)回歸得到的薩道夫斯基公式，計算距離R取上下隧道間的最小凈距21.5 m，安全振速V 取7 cm/s，可得到

施工隧道在穿越東深供水隧洞時，掏槽藥量不得超過12.6 kg。

（2）距離控制

按照目前爆破方案，計算藥量Q 取34.8 kg，安全振速V 取7 cm/s計算，得到振動控制的最小安全范圍：

采用3 m進尺爆破方案進行施工時，施工隧道左線在距離與東深供水30.2 m時及時調整爆破方案，減少進尺，控制藥量，以保證振動速度在安全范圍之內。

3 走馬崗隧道交叉段爆破施工方案設計

根據(jù)以上分析結果，結合現(xiàn)場圍巖條件相對較好的實際情況，為安全起見，選擇走馬崗隧道開挖邊線與東深供水隧洞邊線平面交叉點以外兩側各30 m為交叉段，交叉段兩端再向外20 m為過渡段?？紤]到兩隧道為空間斜交叉，交叉角度為30°，過渡段控制樁號處與東深供水隧洞的水平最近距離為24.4 m，空間最小距離為34 m，滿足安全控制范圍的要求。具體爆破振動控制范圍如圖7所示，詳細里程區(qū)間見表1。

3.1 過渡段爆破方案設計

根據(jù)進尺控制范圍，結合現(xiàn)場大型施工機械，對走馬崗公路隧道穿越東深供水隧洞交叉段過渡段的爆破方案進行詳細設計。

圖7 交叉段爆破振動控制范圍（單位：m）Fig.7 Control range of blasting vibration in cross section(unit:m)

表1 進尺控制Table 1 Control footage

過渡段內采用1.5 m進尺爆破方案，采用毫秒導爆管雷管起爆，為防止震動波的疊加，采用1～19的奇數(shù)段共10個段別，掏槽類型為斜眼掏槽，采用分段掏槽的型式，1段掏槽藥量為4.0 kg，3段掏槽藥量為6.0 kg，最大段為19段周邊眼，裝藥量為20.4 kg，一次起爆藥量108 kg。炮眼類型、分段方式和起爆順序對臨近隧道振動有很大的影響[8]，為減小對下方隧道的爆破荷載，除底板眼、周邊眼外，其他掏槽眼、輔助眼均采用斜眼布置以充分利用掏槽爆破形成的自由面，底板眼左右對稱分3個段別起爆，具體炮眼布置如圖8所示。

圖8 1.5 m進尺炮眼布置方案（單位：m）Fig.8 Arrangement scheme of blasting holes of 1.5 m footage(unit:m)

3.2 交叉段爆破方案設計

為便于現(xiàn)場施工，1.0 m進尺采用與1.5 m進尺爆破方案一致的炮眼布置，炮眼深度及裝藥量相應減少，1段掏槽藥量為3.6 kg，3段掏槽藥量為4.8 kg，最大段為19段周邊眼，裝藥量為15.7 kg，一次起爆藥量81 kg。

在兩隧道交叉段俯視平面圖上，當公路隧道與供水隧洞邊線開始交叉時，為進一步控制振動，減少一次起爆藥量，同時減小最大段起爆藥量。爆破方案采用1 m進尺分2次爆破的方式，炮眼布置如圖9所示。一次完成整個斷面的打眼作業(yè)，首先裝藥爆破紅色區(qū)域內的I部，然后裝藥爆破周邊剩余的Ⅱ部。I部爆破時，1段掏槽藥量為3.6 kg，最大段裝藥量為4.4 kg，一次性起爆藥量30.2 kg。II部爆破時，最大段為13段周邊眼，裝藥量為10 kg，一次性起爆藥量50.6 kg。1 m進尺分2次爆破，減少了一次起爆藥量和最大段起爆藥量，可以有效降低爆破振動速度，減小對下方既有隧道的振動危害。

圖9 1.0 m進尺分2次爆破炮眼布置方案（單位：m）Fig.9 Arrangement scheme of blasting holes of 1.0 m footage initiated for twice(unit:m)

4 走馬崗隧道交叉段爆破方案驗證

4.1 數(shù)值仿真驗證

根據(jù)走馬崗隧道施工期爆破施工方案及監(jiān)測成果得到的振動規(guī)律，走馬崗隧道爆破開挖引起的最大振動是上臺階第1段掏槽爆破。最大段裝藥量雖大，但均為周邊爆破，已存在較大自由面，爆破對下方隧道的振動影響甚微，因此重點對掏槽爆破進行模擬。結合走馬崗隧道圍巖地質條件，考慮現(xiàn)場爆破開挖方案，采用動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA計算掏槽爆破時引起隧道襯砌的質點振動速度進行數(shù)值仿真。對爆破控制范圍內的爆破方案分別進行模擬研究，以驗證爆破方案的可靠性及控制范圍的合理性。

模型以右線超前開挖為例，兩隧道最小凈距取21.5 m，水平夾角為30°。分析最危險狀況，將每種方案爆破時距離下方隧道最近的掌子面樁號為爆源位置。共分7種工況進行模擬，工況1：3 m進尺開挖，樁號YK22+128.6；工況2：1.5 m進尺開挖，樁號YK22+148.6；工況3：1.0 m進尺開挖，樁號YK22+178.6；工況4：1.0 m進尺2次開挖，樁號YK22+201.2（中心線交叉點，最短凈距處），工況5：1.0 m進尺開挖，樁號YK22+223.7；工況6：1.5 m進尺開挖，樁號YK22+253.7；工況7：3.0 m進尺開挖，樁號YK22+273.7。采用m-kg-s單位制，SOLID164單元，算法采用Lagrange，模型由炸藥、混凝土和巖石三部分組成，模型尺寸160 m×120 m×100 m，其中，工況4（兩隧道凈距最?。┙徊鎱^(qū)域兩隧道位置關系的三維模型見圖10。根據(jù)進尺控制范圍，選擇各7個開挖樁號進行開挖，分別為根據(jù)巖石和混凝土選用MAT_PLASTIC_ KINEMATIC模型[9－11]，材料參數(shù)見表2。炸藥選LS-DYNA自帶的高性能炸藥材料，由關鍵字MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN及JWL狀態(tài)方程定義[9－11]，材料參數(shù)見表3，炸藥的狀態(tài)方程[12]為式（5）。

式中：A、B、ω、R1、R2、V為炸藥狀態(tài)方程參數(shù)；E0為炸藥的初始內能。

根據(jù)各個爆破方案分別建立模型，考察爆破設計方案條件下，下方供水隧洞襯砌振動響應的峰值速度云圖如圖11所示。

表2 巖石和混凝土參數(shù)Table 2 Rock and concrete parameters

表3 炸藥參數(shù)[13]Table 3 Explosive parameters

圖10 數(shù)值計算模型Fig.10 Numerical calculation model of condition 4

從計算結果可以看出，3 m進尺爆破方案條件下施工至安全控制范圍時，振動速度最大為1.8 cm/s，滿足安全要求，說明安全控制范圍的選取合理。采用1.5 m進尺和1.0 m進尺爆破方案施工時，下方供水隧洞襯砌振動響應速度一直控制在范圍1.0 cm/s內，說明優(yōu)化設計方案安全可靠，可以進行現(xiàn)場施工。

模擬結果同時顯示，隨著上方隧道掌子面開挖推進，下方隧道最大振動響應區(qū)域也隨之產(chǎn)生相應的變化。當掌子面逐漸接近交叉點時，由于前方未開挖區(qū)域巖體結構較為完整，振動衰減小，最大峰值振速均位于爆源前方。當開挖掌子面逐漸遠離交叉點時，由于上方隧道開挖卸載，同時距離下方隧道漸遠，最大峰值振速出現(xiàn)在兩隧道空間位置最近處。相同爆破方案條件下，接近交叉點時的峰值振速比遠離時產(chǎn)生的振速大。整個穿越過程中，下方隧道襯砌最大響應速度位置經(jīng)歷了從右側拱腰→右上側拱腰→拱頂→左上側拱腰→左側拱腰的變化過程。因此，在建隧道上穿既有隧道時，需提前調整爆破方案，并根據(jù)隧道相對位置做好針對性的安全防護措施。上方穿越后可適量增大藥量和進尺，加快掘進速度以期盡早遠離交叉段。

圖11 7種工況供水隧洞襯砌振動響應峰值振速云圖Fig.11 PPV nephogram of water-supply tunnel vibration response of 7 conditions

4.2 現(xiàn)場實測驗證

新建走馬崗隧道施工時，對爆破方案進行全程監(jiān)測。選取典型監(jiān)測曲線進行分析，20 m處測點的振動速度時程曲線如圖12所示。由圖中可以看出，各個段別的振動速度相對均衡，沒有振動相對較大的情況，尤其是掏槽段振動速度得到了很大的控制。實測數(shù)據(jù)驗證了爆破方案的有效性，振動速度得到了很好的控制。各設計方案現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果見表4。

圖12 各設計方案實測合速度時程曲線Fig.12 Measured velocity-time curves of different designed schemes

表4 不同進尺條件下20 m處的峰值振速對比Table 4 PPV comparison 20 m away in different conditions

采用減小掏槽藥量、分段掏槽的方式，掏槽段振動速度得到了很好的控制。其他段別在減小相應藥量的情況下，振動速度也得到了滿意的效果。雖然出現(xiàn)了最大段振速比掏槽段略大的情況，這是由于最大段均為周邊爆破，距離測點相對較近。從周邊爆破作用力的方向來考慮，其對下方隧道產(chǎn)生的影響相對較小。整個爆破振動控制范圍內，振動速度均控制在4.5 cm/s以內，滿足安全控制的要求。

下面將1.5、1.0、1.0 m分2次爆破測得的掏槽爆破段的峰值速度與上文擬合得到薩道夫斯基式（2）進行對比，如圖13所示。

由圖13可以看出，尤其在20 m范圍內，現(xiàn)場實測結果均小于薩道夫斯基經(jīng)驗公式計算結果。由于隧道開挖地質結構的特殊性，薩道夫斯基公式在隧道爆破近區(qū)存在較大誤差，計算值趨于保守，但足可保證工程施工安全性，有利于保護既有構筑物。2013年12月，東深供水隧洞檢修期間，科研人員對供水隧洞的整體結構進行實地觀測，發(fā)現(xiàn)隧道結構完整，未出現(xiàn)明顯的損壞，說明爆破振動控制效果理想。同時，現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測結果理想，說明采用文中闡述的上下交叉隧道爆破振動控制方法及爆破方案安全有效，具有一定的推廣價值，對類似工程具有指導意義。

圖13 實測數(shù)據(jù)與薩道夫斯基經(jīng)驗公式（2）的對比Fig.13 Comparison of measured velocity and Sodev's Formula calculated

5 結論

（1）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，回歸分析得到了適用于走馬崗監(jiān)測區(qū)的爆破振動速度薩道夫斯基公式K=115.4，α=1.26的值。

（2）考慮兩隧道空間關系，采用控制循環(huán)進尺、優(yōu)化雷管段別、分次爆破、充分利用自由面的炮眼布置等措施，詳細設計了1.5 m進尺→1.0 m進尺→1.0 m進尺分2次爆破→1.0 m進尺→1.5 m進尺的爆破方案及進尺控制范圍，掏槽藥量控制在4 kg以內。

（3）通過數(shù)值模擬得到，上方隧道穿越前，下方隧道襯砌最大響應速度位于掌子面前方；穿越后位于兩隧道最近距離處；整個穿越過程中，下方隧道襯砌響應最大響應速度位置經(jīng)歷了從右側拱腰→右上側拱腰→拱頂→左上側拱腰→左側拱腰的變化過程。

（4）爆破振動均控制在安全范圍內，保證了公路隧道順利通過既有供水隧洞。現(xiàn)場爆破振動實測結果小于薩道夫斯基經(jīng)驗公式計算結果，尤其在隧道爆破近區(qū)相差較大，薩式公式趨于保守。

爆破方案制定后需提前對其進行現(xiàn)場試驗驗證以保證安全。為防止實際測點布置、儀器誤差、數(shù)據(jù)離散性等方面的影響，建議在監(jiān)測范圍內連續(xù)布置多個測點。

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