王曉鵬，王海亮

(1.中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000;2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

淺埋隧道下穿高壓給水管道微振動(dòng)控制研究

王曉鵬1，王海亮2

(1.中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000;2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

摘要：為減小區(qū)間隧道爆破作業(yè)對(duì)地下高壓給水管道的擾動(dòng)，需對(duì)其進(jìn)行微振動(dòng)控制。針對(duì)青島地鐵某區(qū)間隧道下穿DN1200高壓給水管道，最近距離僅為8.9 m、圍巖Ⅳ～Ⅴ級(jí)的特點(diǎn)，結(jié)合爆破施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了微振動(dòng)爆破控制專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。通過(guò)選用大直徑中空孔直眼掏槽、合理選擇爆破參數(shù)，對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行有效控制。同時(shí)，對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析爆破振動(dòng)影響。結(jié)果表明：在進(jìn)尺為750 mm時(shí)，選用150 mm直徑中空孔，環(huán)形布置掏槽眼，分炮次起爆的情況下，可將振速控制在1 cm/s以下，達(dá)到良好的減振效果，為類(lèi)似工程提供了參考。

關(guān)鍵詞：爆破;直眼掏槽;微振動(dòng)控制;高壓管道;近距離

在城市軌道交通工程中，因隧道與地下管線交叉重疊，不可避免要考慮其施工對(duì)市政管網(wǎng)的影響。若隧道工程措施不當(dāng)，極易造成管線開(kāi)裂，誘發(fā)煤氣泄漏、水患、停電、通訊中斷等安全事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響[1]。隧道近距離下穿管線是淺埋暗挖施工的主要難題和風(fēng)險(xiǎn)之一，越來(lái)越受到重視。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)隧道穿越管線控制措施做了相關(guān)研究：李軍省[2]利用Midas GTS軟件及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了隧道施工對(duì)管線的影響，確定了包括注漿加固、分臺(tái)階控制爆破等下穿給水管線的技術(shù)措施；楊選擇等[3]針對(duì)隧道穿越有壓管道情況，上半斷面帷幕注漿，對(duì)富水砂層進(jìn)行止水加固，并提出短進(jìn)尺、弱爆破、加強(qiáng)超前支護(hù)的技術(shù)措施，順利通過(guò)管道；王凱[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、數(shù)值模擬等分析了鉆爆法施工對(duì)鄰近腐蝕管線的影響，并提出優(yōu)化的爆破參數(shù)及安全防護(hù)控制措施；Anirban等[5]針對(duì)地表爆破情況，開(kāi)展了管線、隧洞等地下結(jié)構(gòu)物離心模型試驗(yàn)。

上述研究中，針對(duì)穿越大直徑高壓給水管道的爆破微振動(dòng)控制研究較少。青島地鐵3號(hào)線某區(qū)間隧道上方管線對(duì)爆破振動(dòng)速度控制要求為在1.0 cm/s范圍內(nèi)。根據(jù)前期非下穿管線段爆破施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)振動(dòng)驗(yàn)算可知，下穿段若繼續(xù)采用原爆破方案，不能滿足振動(dòng)控制要求，需進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)控制。本研究主要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，提出大直徑中空孔直眼掏槽分部起爆微振動(dòng)控制技術(shù)，從爆破開(kāi)挖角度減少對(duì)有壓給水管線的影響。

1工程概況及風(fēng)險(xiǎn)分析

青島地鐵嶺清暗挖隧道施工地層主要為第四系(Q)，圍巖等級(jí)為Ⅳ～Ⅴ，從地表起依次有素填土、強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層、微風(fēng)化巖層，為上軟下硬地層。工作區(qū)內(nèi)的地下水類(lèi)型主要為第四系松散堆積層孔隙水及基巖裂隙水，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和河流上游的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

如圖1所示，該區(qū)間隧道下穿引黃入青的DN1200高壓給水管道。管道直徑達(dá)1 200 mm，與隧道最近距離僅為8.9 m。同時(shí)，DN1200給水管線與隧道走向一致，埋深為2.8 m，為混凝土承插式接頭，水泥膠圈接口，脆性較大，水管下方無(wú)支撐墩，建設(shè)施工過(guò)程中多次爆破的振動(dòng)累積可能導(dǎo)致該管線損壞。

圖1　DN1200高壓供水管線與暗挖隧道的位置關(guān)系

一方面，爆破振動(dòng)會(huì)影響圍巖的穩(wěn)定，當(dāng)爆破振動(dòng)較大時(shí)，將會(huì)破壞圍巖的完整性，誘發(fā)地層沉降，導(dǎo)致管線的破壞；另一方面，管內(nèi)為高壓給水、管線管徑較大、無(wú)支撐墩，管線易于損壞且破壞后易發(fā)生水患。因此，控制爆破振動(dòng)，減少區(qū)間隧道施工對(duì)管線及圍巖影響，成為重點(diǎn)關(guān)注的難題。

2波傳播機(jī)理及微振動(dòng)控制技術(shù)

隧道掌子面爆破近區(qū)(即爆源區(qū)域)產(chǎn)生沖擊波，爆破中區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力波，通過(guò)巖土介質(zhì)進(jìn)行傳播，最終轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的初級(jí)及次級(jí)地震波，對(duì)建(構(gòu))筑物造成一定的有害效應(yīng)[6]。爆破波的傳播形式如圖2所示。在工程實(shí)踐中，因巖土介質(zhì)的不均勻及不連續(xù)性，相應(yīng)波動(dòng)也較為復(fù)雜。根據(jù)爆破的特點(diǎn)，現(xiàn)階段爆破微振動(dòng)控制措施主要從爆源、受保護(hù)構(gòu)筑物及傳播過(guò)程三方面進(jìn)行[7]，施工中前兩者較多。

圖2　波的傳播形式(R0為裝藥半徑)

2.1爆源振動(dòng)控制

在爆源、傳播過(guò)程、受保護(hù)構(gòu)筑物三方面振動(dòng)控制中，針對(duì)爆源采取振動(dòng)控制研究方法較多，應(yīng)用也較為廣泛。從爆源振動(dòng)控制角度分析，包含了炸藥的選取、藥量的控制、爆破時(shí)差的選擇、鉆爆參數(shù)的制定等。

炸藥爆速與質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度密切相關(guān)，呈現(xiàn)正比關(guān)系。為降低爆破振動(dòng)影響，應(yīng)盡量采用低爆速的炸藥。在青島爆破工程中常用的炸藥有乳化炸藥及水膠炸藥兩種。2號(hào)巖石乳化炸藥爆速趨近于3 200 m/s，可有效減少因炸藥爆速對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的影響。表1為2號(hào)巖石乳化炸藥的主要指標(biāo)。

表1　2號(hào)巖石乳化炸藥性能指標(biāo)

爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的衰減規(guī)律一般用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式表示。根據(jù)式(1)可知，單段起爆藥量Q越大，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V也隨之增大。在地質(zhì)條件一定的情況下，為了降低爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響，較為有效的方式就是限制單段最大起爆藥量。因此，爆破中應(yīng)降低同段位起爆的雷管數(shù)目及單孔裝藥量。

(1)

式中：V是保護(hù)對(duì)象的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；Q是最大單段炸藥量，kg；R是爆源與保護(hù)對(duì)象質(zhì)點(diǎn)間的最短距離，m；K、α分別是與地質(zhì)條件等相關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

理想狀況下，若微差爆破時(shí)間選擇合理，則可以使得幾個(gè)爆源在某個(gè)時(shí)刻實(shí)現(xiàn)波的反向疊加，即所謂的波峰和波峰相互疊加，降低波的振幅，實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的削弱，避免受保護(hù)物的共振現(xiàn)象。一般而言，爆破時(shí)差Δt越大，減振效果越好。同時(shí)，考慮到振動(dòng)持續(xù)時(shí)間因素，爆破的時(shí)差不宜取過(guò)大。根據(jù)相關(guān)研究，微差時(shí)間在50～200 ms范圍內(nèi)時(shí)，爆破震動(dòng)效應(yīng)可得到有效控制。

鉆爆參數(shù)的制定包含了掏槽形式的選擇、減排距及孔深的確定等。隧道爆破中，掏槽主要以楔形掏槽及直眼掏槽兩種形式為主。直眼掏槽需在爆破前鉆取中空孔增加自由面，使得爆炸能量得到有效釋放，減少爆破振動(dòng)向周?chē)鷰r體的傳播。炮孔間排距及孔深制定上，應(yīng)遵循“多打眼、短進(jìn)尺”的原則。

2.2傳播過(guò)程控制

爆破傳播過(guò)程中，若作為傳播介質(zhì)的圍巖整體性好，爆破振動(dòng)衰減較慢；當(dāng)圍巖自身整體性不好或人為破壞后，爆破振動(dòng)衰減速率隨之增加。所以改變傳播過(guò)程條件可降低爆破振動(dòng)的影響?，F(xiàn)階段，主要應(yīng)用的技術(shù)手段包括了預(yù)裂爆破、隧道周邊靜態(tài)破碎、開(kāi)挖隔振溝槽等方法。以預(yù)裂爆破及靜態(tài)破碎為例，爆破時(shí)鉆孔的數(shù)目增多，增加了施工作業(yè)時(shí)間及藥劑成本，在本研究中未采用此種振動(dòng)控制方式。

3爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

本區(qū)間隧道分上下臺(tái)階施工，上臺(tái)階超前下臺(tái)階5 m。因上臺(tái)階緊靠管道且沒(méi)有良好的自由面，為本次研究的重點(diǎn)控制對(duì)象。隧道上臺(tái)階開(kāi)挖面積15.08 m2，循環(huán)進(jìn)尺取0.75 m，采用大直徑中空孔直眼掏槽爆破技術(shù)。上臺(tái)階炮眼共計(jì)89個(gè)，比鉆眼數(shù)7.36個(gè)/m2，炸藥總藥量16.3 kg，單耗為1.44 kg/m3。爆破共分3次，按照順序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ依次起爆。圖3為隧道上臺(tái)階炮眼布置圖，圖中阿拉伯?dāng)?shù)字表示雷管段別，羅馬數(shù)字表示開(kāi)挖炮次。

3.1掏槽眼參數(shù)的確定

為充分利用輔助自由面及良好的空孔效應(yīng)，采用的中空孔直徑越大，掏槽效果愈好。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備條件，中空孔孔徑選擇150 mm的大孔徑。為提高施工效率及保證中空孔位置的準(zhǔn)確性，水平布置的中空孔一次鉆鑿深度7～10 m。掏槽眼以中空孔為中心，四個(gè)掏槽眼及四個(gè)擴(kuò)槽眼環(huán)形分布。

首響孔與中空孔距離決定著掏槽效果及爆破振動(dòng)控制，其決定因素是藥包爆炸能量能否有效破碎巖體、掏槽爆落區(qū)體積是否大于脹碎后的體積等因素。按照爆破作用指數(shù)理論，空孔與首響孔間距

(2)

圖3　上臺(tái)階炮眼布置圖

式中：a為首響孔與大直徑空孔距離；R為空孔半徑；n為爆炸作用指數(shù)，取值范圍0.1～0.75，當(dāng)空孔半徑較小時(shí)n取小值[8]。當(dāng)R取75 mm時(shí)，n取0.42。計(jì)算得最內(nèi)側(cè)掏槽眼距中空孔250 mm，掏槽眼間距向外逐步擴(kuò)大[9]，見(jiàn)圖4。

圖4　掏槽眼布置示意圖

掏槽眼炮孔孔深與循環(huán)進(jìn)尺成正比關(guān)系。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)進(jìn)尺750 mm，掏槽眼孔深取900 mm。通過(guò)薩道夫斯基公式可知，單段最大起爆藥量越大，其相應(yīng)的振動(dòng)影響也越明顯。為減少對(duì)地面的擾動(dòng)、同時(shí)達(dá)到良好的掏槽效果，掏槽單孔裝藥量取0.2 kg，單孔單響，即單段最大起爆藥量為0.2 kg。

3.2周邊眼參數(shù)

周邊眼決定著隧道的成型效果。周邊眼應(yīng)沿開(kāi)挖輪廓線布設(shè)，孔底位于同一平面上，同時(shí)保持有3%～5%的外插斜率。隧道上臺(tái)階主要處于中風(fēng)化巖層中，圍巖相對(duì)較軟，參考表2炮眼間距E取350 mm。當(dāng)周邊眼密集系數(shù)K(炮眼間距E與光爆層厚度W的比值)接近0.8時(shí)，可達(dá)到良好的光面爆破效果，故W取450 mm。

表2　光面爆破參考數(shù)值

本設(shè)計(jì)中，根據(jù)炮眼間距E、光爆層厚度W等參數(shù)，確定周邊眼的單孔裝藥量。由于隧道上臺(tái)階周邊的圍巖相對(duì)較軟，裝藥集中度取0.15 kg/m，則0.8 m的炮孔長(zhǎng)度單孔裝藥量為0.12 kg。

3.3輔助眼參數(shù)

直線形與弧線形是輔助眼的兩種基本布置方式，本方案將兩種方式充分結(jié)合。輔助眼間距a、排距b應(yīng)大于周邊眼的最小抵抗線W，而且a、b的取值與炮眼的單孔裝藥量有關(guān)。本設(shè)計(jì)取a=500～600 mm,b=500～600 mm。輔助眼的單孔裝藥量與炮眼的間排距及圍巖硬度等緊密相關(guān)。循環(huán)進(jìn)尺為0.75 m，取炮孔深度0.8 m，單孔裝藥量0.15 kg。

4振動(dòng)控制與分析

為最大限度的監(jiān)控隧道爆破對(duì)管線的振動(dòng)影響，監(jiān)測(cè)儀器均布置于爆破掌子面上方、給水管線軸線對(duì)應(yīng)的地表位置，同時(shí)采集管線上方在垂直方向、水平軸向及水平切向三個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)。所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與地下管線振動(dòng)相應(yīng)速度有所不同，但在工程實(shí)踐中，因爆破監(jiān)測(cè)條件限制，默認(rèn)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為管線振速。爆破地震波特性參數(shù)包含了振幅、頻率及持續(xù)時(shí)間[10-11]?，F(xiàn)階段，爆破振動(dòng)廣泛依據(jù)振動(dòng)速度進(jìn)行判斷。

為有效證明方案的控制效果，對(duì)連續(xù)20個(gè)開(kāi)挖循環(huán)炮次的3個(gè)方向峰值振動(dòng)速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表3所示。前20個(gè)開(kāi)挖循環(huán)炮次的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，最大振速出現(xiàn)在第6炮，振速0.917 cm/s，未發(fā)生超振。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，全部振動(dòng)速度均控制在1.0 cm/s，爆破的振動(dòng)速度集中控制在0.25～0.75 cm/s，爆破振動(dòng)控制效果良好。垂直方向平均最大振動(dòng)速度為0.484 cm/s，水平軸向平均振動(dòng)速度為0.356 cm/s，水平切向平均速度為0.346 cm/s，進(jìn)一步說(shuō)明采取大直徑空孔直眼掏槽、嚴(yán)格控制單段最大藥量微振動(dòng)控制措施的可行性。

表3　開(kāi)挖循環(huán)與各方向的振速峰值

5結(jié)論與建議

結(jié)合下穿高壓給水管線隧道開(kāi)挖施工對(duì)爆破振動(dòng)的控制要求，通過(guò)爆破的微振動(dòng)控制，提出可行的掏槽形式、控制炮孔的單孔裝藥量及單段最大藥量、選擇合理的間排距、分炮次開(kāi)挖等一系列措施，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，得出主要結(jié)論如下：

1)采用150 mm大直徑中空孔，掏槽孔及擴(kuò)槽眼均采用單孔單響，首響孔與中空孔中心距離250 mm，可滿足掏槽處微振動(dòng)控制的要求，可將掏槽處振速控制在1.0 cm/s范圍內(nèi)。

2)輔助眼孔深0.8 m，輔助眼單孔裝藥量0.15 kg，間排距500～600 mm，可實(shí)現(xiàn)良好的爆破效果且滿足微振動(dòng)控制要求。

3)分炮次爆破可以保證形成良好自由面，規(guī)避大段別延期起爆復(fù)雜網(wǎng)路易出現(xiàn)的殘管風(fēng)險(xiǎn)，有效控制振動(dòng)速度。

本研究將設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了微振動(dòng)控制的目標(biāo)，針對(duì)下穿高壓管線采用的爆破控制方法具有一定的實(shí)施性和指導(dǎo)意義。但是，微振動(dòng)控制舉措較多，針對(duì)受保護(hù)構(gòu)筑物微振動(dòng)控制措施還應(yīng)進(jìn)一步研究。同時(shí)，將地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為管線振動(dòng)速度的研究尚需探討。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Study on Micro-vibration Blasting Control for Shallow Tunnel Crossing Underneath High Pressure Water Supply Pipelines

WANG Xiaopeng1, WANG Hailiang2

(1. China Railway No. 9 Group Co. Ltd, Shenyang, Liaoning 110000, China 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Abstract:In order to reduce the disturbance of tunnel blasting to the underground high pressure water supply pipelines, it is necessary to carry out micro-vibration blasting control. Based on the tunnel of Qingdao metro crossing underneath high pressure water supply pipeline DN1200 with the nearest distance of only 8.9m and the surrounding rock of grade IV ～ V and combined with blasting construction experience, a special design of micro-vibration blasting control was carried out. The blasting vibration was effectively controlled by selecting the large diameter empty hole and blasting parameters reasonably. At the same time, dynamic monitoring of blasting vibration was conducted and the effect of blasting vibration was analyzed. The results show that with a footage rate of 750 mm, 150 mm diameter empty hole, annular arrangement of cut holes and sub shot blasting, the vibration velocity can be controlled within 1 cm/s and good damping effect can be achieved, which provides a reference for similar projects.

Key words:blasting; parallel cut; micro-vibration control; high pressure pipeline; near distance

收稿日期：2016-01-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10672091)

作者簡(jiǎn)介：王曉鵬(1980—)，男，遼寧撫順人，主要從事地鐵隧道工程等方面的研究工作.E-mail:xwldzs_1456@163.com 王海亮(1963—),男,河北石家莊人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事工程爆破、地下工程、安全評(píng)價(jià)理論等方面的研究，本文通信作者.E-mail:tlgcbp@263.net

中圖分類(lèi)號(hào)：TB41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3767(2016)03-0061-06