楊仁樹，車玉龍，馮棟凱，王強勛

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

在城市地鐵建設中，因造價低、拆遷少、所需專用設備少等特點，鉆爆法廣泛應用于地鐵爆破開挖的施工[1-2]。爆破開挖對地表建(構)筑物產(chǎn)生的震動危害亦愈受重視,如何將爆破震動災害降至最低已為工程界、學術界所關注[3-9]。地鐵區(qū)間隧道爆破主要面臨爆破振速滿足設計要求、周邊成型達到設計要求及安全高質高效施工等三方面。其中爆破振速為首控因素。為降低爆破振速，陳慶等[10]從合理微差時間、單段起爆藥量、微差起爆、掘進進尺及預裂爆破等五方面提出爆破減振技術措施；張永興等[11]針對開挖順序提出減振措施；傅洪賢等[12]研究表明電子雷管降振效果良好，但成本較高。以上均以開挖掌子面全部炮眼為研究對象，而實際的城市地鐵隧道爆破施工中，掏槽眼爆破所致爆破振動最大，降低該振速在一定程度相當于降低峰值最大振速，常規(guī)降振方法[13]為減小循環(huán)進尺(但會影響工期)及改變掏槽方式[14]。如采用大空孔直眼掏槽[15]或分級復式楔形掏槽[16]等方式，其缺點是增加打眼時間，間接影響工期。采用預裂爆破既不改變掏槽方式，亦無需減小循環(huán)進尺，但周邊眼預裂爆破因炮眼多、藥量大及自由面少等因素，導致預裂爆破本身振動較大，故較少采用[17]。楊仁樹等[18-20]通過對切縫藥包(聚能管)定向斷裂爆破研究應用表明，切縫藥包在切縫處具有能量匯聚作用，而在非切縫處能保護被爆巖體，有助于實現(xiàn)預裂爆破。

基于上述研究成果，結合青島地鐵3號線爆破施工，本文提出新的減振措施，即采用切縫藥包在掏槽眼上方一定距離處，橫向布置數(shù)個炮孔進行預裂爆破，使掏槽眼與保護區(qū)之間形成具有一定寬、深度的預裂縫，以阻礙、隔斷掏槽眼爆破產(chǎn)生的爆炸應力波向上傳播，降低掏槽眼爆破振速，因而降低峰值振動速度。該方法既能保證循環(huán)進尺，又無需對掏槽方式進行大改變，故能實現(xiàn)安全高效施工。

1 切縫藥包預裂爆破減振原理

圖1 地震波繞過預裂縫

用切縫藥包對掏槽眼上方預裂孔實施爆破，使其在預裂孔位置形成爆炸裂縫及裂隙區(qū)；再爆破掏槽眼，其產(chǎn)生的應力波由兩部分[21]組成，一部分直接傳播到預裂縫下表面，在界面處發(fā)生反射、折射及透射，消耗大部分地震波能量，進入保護區(qū)能量較小，可有效降低保護區(qū)振動；一部分繞過預裂縫進入上表面向上傳播，其地震波強度亦被削弱，見圖1。故預裂縫的存在將減少、阻礙地震波向上傳播，導致地面質點振速降低。

圖2 切縫藥包爆破原理

普通爆破時應力波及爆轟氣體壓力共同作用，即沖擊波“壓碎”藥包附近巖石，應力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙，爆轟氣體“楔入”裂隙中，使其延伸、擴張致巖體脫落破碎。而切縫藥包爆炸時，在非切縫處爆轟產(chǎn)物直接沖擊外殼表面，因外殼密度大于爆轟波陣面上產(chǎn)物的密度，且外殼壓縮性一般小于爆轟產(chǎn)物的壓縮性，故爆轟產(chǎn)物由該表面反射產(chǎn)生反射沖擊波[22]；透射波經(jīng)衰減后，作用于孔壁的能量大大降低，減少非切縫區(qū)域孔壁產(chǎn)生徑向裂縫的可能性；而在切縫方向，爆轟產(chǎn)物直接沖擊空氣介質產(chǎn)生沖擊波，形成集中高速、高壓射流定向作用于切縫向炮孔壁。若其沖量密度大于巖體臨界沖量密度，則在炮孔壁上產(chǎn)生破裂，預先形成初始裂縫。爆轟氣體反射后向切縫方向集中，增強切縫方向的破壞作用[23-24]。切縫藥包定向斷裂控制爆破特點為巧妙利用炸藥的動、靜作用，爆炸能量利用更趨合理。切縫藥包爆破原理見圖2。

2 試驗方案及結果分析

2.1 工程概況及地質情況

青島地鐵3號線長25.93 km，全部為地下線路，采用鉆爆法施工。試驗區(qū)位于K15+999 m處，斷面為馬蹄形，寬5.8 m，高6.1 m，斷面積30.8 m2，埋深22 m，采用楔形掏槽形式進行全斷面爆破，工程地質條件見圖3。施工采用Φ32 mm×300 g的2號巖石乳化炸藥，試驗所用切縫藥包結構[24]見圖4，套管為硬質PVC管，內徑36 mm，外徑40 mm，壁厚2 mm，預制裂縫寬4 mm。

圖3 工程地質條件

圖4 切縫藥包結構(單位：mm)

2.2 切縫藥包預裂爆破成縫試驗

采用切縫藥包預裂爆破能否將待爆巖石破裂開及預裂后裂紋及裂隙區(qū)情況如何備受關注，尤其巖石較完整且堅硬時，其預裂爆破效果已成阻礙其推廣應用的關鍵因素。為觀察切縫藥包預裂爆破效果，對掌子面拱頂進行5孔切縫藥包預裂爆破，爆破方案見圖5，炮孔深度2 m，單孔裝藥量600 g。采用軸向空氣間隔不耦合裝藥結構，用導爆索連接炸藥，5個預裂孔同時起爆，見圖6。爆破后的裂縫效果見圖7。除渣后效果見圖8。由圖7看出，切縫藥包預裂爆破形成的裂縫長度約3 m，寬度約6-9 cm。由圖8看出，切縫藥包預裂爆破成型規(guī)整。其原因為用切縫藥包進行預裂爆破時能量沿切縫即輪廓線方向優(yōu)先并大量釋放，導致裂紋長、寬度增加；在非切縫方向因切縫管外殼的存在，導致作用于孔壁的能量大大降低，使非切縫區(qū)域孔壁產(chǎn)生的徑向裂縫大大減少，故周邊成型規(guī)整，半眼痕率較高。試驗證明采用切縫藥包預裂爆破能較好將巖石破裂，并形成具有一定長度、寬度的裂縫。

圖5 爆破方案(單位：mm)

圖6 裝藥結構

圖7 爆破生成的裂縫

2.3 切縫藥包預裂爆破減振試驗

(1) 原爆破方案。為對比分析降振效果，先按原方案施工，見圖9，參數(shù)見表1。

(2) 5孔普通藥包預裂爆破試驗。采用普通藥包進行預裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5個炮孔，間距600 mm，炮孔深2.2 m，采用普通藥包軸向空氣間隔裝藥，用導爆索連接，其它參數(shù)不變。爆破方案見圖10，具體參數(shù)見表2。

(3) 5孔切縫藥包預裂爆破試驗。在試驗(2)基礎上將5個預裂孔的普通藥包改為切縫藥包進行預裂爆破，其它參數(shù)不變。

圖9 原爆破方案(單位mm)

表1 爆破參數(shù)

表2 爆破參數(shù)

圖10 預裂爆破試驗方案(單位mm)

表3 不同方案試驗結果(單位cm/s)

(4) 7孔切縫藥包預裂爆破。在試驗(3)基礎上將5個切縫藥包預裂孔增加到7個進行預裂爆破，其它參數(shù)不變。

為便于對比分析，上述試驗全部按圖1進行爆破振動監(jiān)測，不同方案試驗結果見表3，爆破方案(1)-(4)的測試波形見圖11-圖18。

圖11 爆破方案(1)點1(拱頂)測試波形

圖12 爆破方案(1)點2(側向)測試波形

圖13 爆破方案(2)點1(拱頂)測試波形

圖14 爆破方案(2)點2(側向)測試波形

圖15 爆破方案(3)點1(拱頂)測試波形

圖16 爆破方案(3)點2(側向)測試波形

圖17 爆破方案(4)點1(拱頂)測試波形

圖18 爆破方案(4)點2(側向)測試波形

2.4 結果分析

(1) 將上述試驗過程定義為爆破方案1、2、3、4，據(jù)測點1(拱頂)測試結果，繪制拱頂振速變化規(guī)律見圖19。由圖19看出，采用預裂爆破時質點三方向振速中Z向(垂向)振速最大，三方向的合成速度高于任一方向。對比爆破方案2、1知，合成速度降低12.6%，X向(徑向)降低45.9%，Y方向(切向)降低32.7%，Z向(垂向)增加5.8%。對比爆破方案3、1知，合成速度降低37.1%，X向降低48.6%，Y向降低36.6%，Z向降低27.7%。對比爆破方案4、1知，合成速度降低27.2%，X向降低43.6%，Y向降低33.2%，Z向降低19.8%。與原方案相比，對拱頂上方質點峰值振速，采用5孔切縫藥包預裂爆破降振效果最明顯。

圖19 拱頂振速變化規(guī)律

圖20 側向振動變化規(guī)律

(2) 據(jù)測點2(側向)測試結果，繪制側向振速變化規(guī)律見圖20。由圖20看出，采用預裂爆破，質點三方向振速中Y向(垂向)振速最大；三方向合成速度高于任一方向。對比爆破方案2、1知，合成速度降低36.8%，X向降低41.5%，Y向降低14.7%，Z向降低54.6%。對比爆破方案3、1知，合成速度降低21.1%，X向降低48.3%，Y向增加5.6%，Z向降低11.8%。對比爆破方案4、1知，合成速度降低8.5%，X向降低20.3%，Y向降低0.7%，Z向增加6.7%。與原方案相比，對側向質點峰值振速，5孔普通預裂爆破降振效果最明顯。

(3) 原因分析。將預裂爆破與原方案比較看出，采用此預裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5-7個預裂孔爆破形成裂縫及裂隙區(qū)，能減少、阻礙掏槽眼爆破產(chǎn)生的振動波向上傳播，而預裂孔本身因炮孔少，段裝藥量較原方案掏槽眼藥量低，兩者共同作用降低爆破振動速度。

對比5孔切縫藥包預裂及普通藥包預裂知，在非切縫(拱頂)方向爆轟產(chǎn)物直接沖擊其外殼表面，發(fā)生透射、反射等復雜現(xiàn)象后再作用于圍巖，爆破能量有所降低，故拱頂質點峰值振速降低；但在切縫方向(側向)相反，由于切縫的存在，使炸藥爆炸能量優(yōu)先沿切縫方向集中釋放，由于管壁對爆生氣體包裹作用，使爆生氣體具有足夠強度及作用時間，導致側向質點峰值振速增加。

對比5孔切縫藥包預裂爆破與7孔切縫藥包預裂爆破知，由于預裂孔數(shù)的增加，使段裝藥量增加，預裂孔總能量有所增強，故在切縫方向(側向)及非切縫方向(拱頂)質點峰值振速有所增強。

3 結 論

以青島地鐵3號線區(qū)間爆破開挖為工程背景，通過試驗，結論如下：

(1) 采用預裂爆破時拱頂上方質點Z向振速最大；側向質點Y向振速最大，Z向次之，X向最小。

(2) 單循環(huán)進尺、炮眼數(shù)、總裝藥量基本相同時，可在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5-7個預裂孔，采用不同藥包進行預裂爆破形成裂縫及裂隙區(qū)，能減少及阻礙掏槽眼爆破引起的震動波向上傳播，可有效控制掏槽眼引起的振速。

(3) 與5孔普通藥包預裂爆破相比，5孔切縫藥包預裂爆破有助于降低拱頂上方質點峰值振速，但側向質點峰值振速有所增大。

(4) 切縫藥包預裂爆破7孔與5孔相比，隨預裂孔數(shù)目、段裝藥量的增加，拱頂及側向質點峰值振速均有所增大。

(5) 施工中應綜合分析現(xiàn)場實際情況，采用合理的爆破減振技術，實現(xiàn)安全高效施工。

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