楊永

摘 要：微振動(dòng)控制爆破技術(shù)可以有效降低爆破振動(dòng)，已在對(duì)爆破振動(dòng)有要求的隧道中廣泛采用。文章結(jié)合莞惠城際6標(biāo)暗挖隧道下穿學(xué)校所采用的微振動(dòng)控制爆破技術(shù)，針對(duì)如改善裝藥結(jié)構(gòu)、優(yōu)化爆破參數(shù)、控制最大一段起爆藥量、采用微差起爆技術(shù)、同一斷面分區(qū)分次起爆等施工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過工程實(shí)踐，最終顯著降低了爆破振速，使爆破達(dá)到預(yù)期效果，為今后類似隧道的爆破開挖施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：微振爆破；參數(shù)；控制

中圖分類號(hào)：F530.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0037-03

引言

城市地鐵隧道常修建在人口密集的街區(qū)，當(dāng)采用礦山法爆破開挖時(shí)，除了控制地表沉降，另外一個(gè)主要問題就是控制爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑物及對(duì)人群的影響。目前我國(guó)《爆破安全規(guī)程（GB6722-2014）》僅對(duì)建筑物爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定，但對(duì)人群的影響卻沒有明確規(guī)定。

莞惠城際軌道交通GZH-6標(biāo)段隧道地處人口密集街區(qū)，并下穿一所小學(xué)，該段隧道爆破開挖時(shí)除了要求對(duì)學(xué)校建筑物不能產(chǎn)生不良影響外，還要求爆破振動(dòng)不能對(duì)學(xué)生造成任何心理影響，因此要求爆破振速不超過1mm·s-1，使人感覺不到振感。

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際，并根據(jù)爆破振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，從控制爆破能量源及控制爆破能量的傳遞著手，采用工程類比法、計(jì)算法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法等，取得爆破參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化微振動(dòng)控制爆破技術(shù)，最終使爆破振動(dòng)達(dá)到預(yù)期效果。

1 工程概況

莞惠城際軌道交通GZH-6標(biāo)段位于廣東東莞市大朗鎮(zhèn)，左線盾構(gòu)隧道起訖里程為GDZK35+432.596～GDZK38+359.000。GDZK38+359.000處為盾構(gòu)始發(fā)井，GDZK35+432.596處為盾構(gòu)吊出井。原設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)井往小里程方向盾構(gòu)吊出井掘進(jìn)。

為了在限定工期內(nèi)完成，經(jīng)設(shè)計(jì)變更，采取在GDZK35+432.596吊出井往大里程始發(fā)井方向進(jìn)行礦山法開挖接應(yīng)盾構(gòu)機(jī)，礦山法隧道施工二襯，盾構(gòu)機(jī)空推不拼管片通過的方案。該段礦山法隧道埋深27～38m，地表建筑密集，交通繁忙，隧道需下穿一所小學(xué)。隧道洞身范圍內(nèi)主要為弱風(fēng)化混合片麻巖，設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，采用爆破開挖，要對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及控制。

2 開挖方案

隧道洞身施工遵守“弱爆破，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測(cè)”的原則。在圍巖開挖中主要采用光面爆破開挖，微振動(dòng)爆破技術(shù)，以盡可能減輕對(duì)圍巖和周圍構(gòu)筑物的擾動(dòng)，維護(hù)圍巖自身穩(wěn)定性，達(dá)到良好的輪廓成形。

洞身開挖采用二臺(tái)階法開挖，開挖循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和初期支護(hù)鋼架間距合理確定。上臺(tái)階長(zhǎng)度5～8m，上臺(tái)階開挖高度約6.1m，開挖斷面約52m2。下臺(tái)階開挖高度約4.2m，開挖斷面約32m2，下臺(tái)階及早封閉成環(huán)。開挖完成后立即施做初期支護(hù)，二次襯砌滿足隧道安全步距要求。

隧道施工爆破后及時(shí)清除開挖作業(yè)面石渣，使用挖機(jī)將石渣裝在載重車上運(yùn)輸?shù)骄谖恢?，由龍門吊將渣吊入渣池，在渣池由挖機(jī)裝車運(yùn)出施工場(chǎng)地到棄渣場(chǎng)。

隧道內(nèi)進(jìn)行圍巖及初期支護(hù)的變形監(jiān)控量測(cè)，地表進(jìn)行爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，對(duì)每次爆破的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，使爆破振動(dòng)達(dá)到理想效果，確保施工安全。

3 施工方法

3.1 微振動(dòng)爆破原理

由巖石爆破機(jī)理可知，炸藥包在巖石中爆炸，爆轟作用形成的應(yīng)力波，由爆炸中心向周圍傳播，先是使臨近藥包周圍的巖石產(chǎn)生壓碎圈和破裂圈，當(dāng)應(yīng)力波通過破裂圈后，由于它的強(qiáng)度急劇衰減，只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生彈性振動(dòng)，并以地震波的形式向外傳播。爆破地震波傳播到地表，引起地表振動(dòng)，即為爆破振動(dòng)。

微振動(dòng)爆破的核心技術(shù)，就是根據(jù)應(yīng)力波疊加原理，在等同裝藥量的情況下，采用毫秒延期雷管分段微差爆破，使爆破地震波的能量在時(shí)空上分散，從而降低爆破地震的強(qiáng)度。因此，通過利用微振動(dòng)爆破技術(shù)對(duì)爆破振速進(jìn)行控制，主要從炸藥品種、裝藥結(jié)構(gòu)、炮眼布置、裝藥量、爆破時(shí)差等爆破參數(shù)的合理確定來實(shí)施。

計(jì)算微振動(dòng)爆破技術(shù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式一般為薩道夫斯基公式：

本段隧道采用二臺(tái)階開挖法，經(jīng)過初期多次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，下臺(tái)階爆破開挖時(shí)爆破振動(dòng)未傳到地表，所以只在上臺(tái)階開挖時(shí)進(jìn)行爆破振動(dòng)控制即可。

3.2 選擇合適的炸藥

炸藥品種對(duì)炸藥的爆破振速有直接影響，根據(jù)爆破理論，炸藥爆轟傳遞效率與巖石波阻抗和炸藥波阻抗有著直接的關(guān)系。炸藥波阻抗和巖石波阻抗匹配系數(shù)β接近1，即可充分發(fā)揮炸藥能量，又有一定的降震效果。

本段隧道爆破選用小直徑2#巖石乳化炸藥，密度ρ0=1.1g/cm3，爆速D=3600m/s，隧道巖體容重ρ=2.0g/cm3，縱波波速V=2500m/s。

根據(jù)公式β=ρ0·D/ρ·V，計(jì)算得β=0.792，能滿足控制爆破效果需要。

3.3 優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)

目前炮孔空氣不耦合裝藥已被廣泛應(yīng)用于光面爆破、預(yù)裂爆破等斷裂成型控制爆破工程中。在鉆孔爆破中采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可以減弱爆破的強(qiáng)沖擊荷載對(duì)炮孔壁的破壞，延長(zhǎng)爆破壓力的作用時(shí)間，比耦合裝藥有明顯的降低爆破地震效應(yīng)的作用。

為了選擇合適的不耦合系數(shù)，通過多次試爆，實(shí)測(cè)爆破振速如表1所示。

經(jīng)過綜合比較，選擇不耦合系數(shù)2.0時(shí)爆破效果最好，本隧道選用的小直徑2#巖石乳化炸藥直徑為2.5cm，故炮眼直徑選擇5cm。

3.4 設(shè)計(jì)合理的爆破參數(shù)

爆破參數(shù)的合理選取是獲得預(yù)期爆破效果的基本前提，必須根據(jù)具體的工程要求與目的，在優(yōu)化確定爆破方案的基礎(chǔ)上，正確設(shè)計(jì)各爆破參數(shù)。隧道光面爆破主要參數(shù)包括：周邊眼間距（E）、周邊眼抵抗線（W）、相對(duì)距離（E/W）、裝藥集中度q。這些參數(shù)可參照鐵路隧道施工規(guī)范選擇，見表2：endprint

根據(jù)以上參數(shù)可以計(jì)算炮眼數(shù)量、最大一段允許裝藥量、總裝藥量等參數(shù)。

3.4.1 計(jì)算炮眼數(shù)量

式中：N-炮眼數(shù)量，不包括未裝藥的空眼數(shù)，個(gè)；q-單位炸藥消耗量，一般取q=1.2kg/m3～2.4kg/m3，硬巖取大值，軟巖取小值；s-開挖斷面積，m2；ɑ-裝藥系數(shù)，裝藥長(zhǎng)度與炮眼全長(zhǎng)的比值，參考表3；γ-每米藥卷的炸藥質(zhì)量，kg/m；Ф2.5cm的2#巖石乳化炸藥γ=1.25。

3.4.2 計(jì)算炮眼深度

本段隧道圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖，每次開挖循環(huán)進(jìn)尺不大于2m，炮眼利用率為0.9。計(jì)算炮眼深度為2.2m，一般掏槽眼炮眼深度加深0.2m，故掏槽眼深度L=2.2+0.2=2.4m，輔助眼、周邊眼深度取2.2m。

3.4.3 確定炮眼直徑

根據(jù)確定的不耦合裝藥系數(shù)及炸藥藥卷直徑，炮眼直徑為5cm。

3.4.4 計(jì)算最大一段允許裝藥量

3.4.5 總裝藥量

炮眼裝藥量的多少是影響爆破效果的重要因素，目前多采取先用體積公式計(jì)算出一個(gè)循環(huán)的總用藥量，然后按照各種類型炮眼的裝藥系數(shù)ɑ進(jìn)行分配，再在爆破實(shí)踐中加以檢驗(yàn)與修正，直到取得良好的爆破效果為止的方法。計(jì)算總用藥量的公式：

式中：QM-一個(gè)爆破循環(huán)的總用藥量，kg；q-爆破每立方米巖石所需炸藥的消耗量，kg/m3，Ⅳ級(jí)圍巖q=1.2；l-每掘進(jìn)循環(huán)的計(jì)劃進(jìn)尺數(shù)，m；s-開挖斷面面積，m2。

本隧道每掘進(jìn)循環(huán)的計(jì)劃進(jìn)尺數(shù)為2m，開挖斷面面積為52m2。

3.5 采用微差爆破技術(shù)

在采用多排炮孔爆破時(shí)，起爆順序及排間的延遲時(shí)間對(duì)爆破作用的影響較大，為了改善爆破效果，降低爆破地震波的危害，爆破中采用同次分段起爆方法，即在同一次爆破中將炮孔劃分成不同的組別，按照一定的先后順序依次起爆。

隧道施工炮孔起爆順序?yàn)椋禾筒劭住o助孔→周邊孔。

為了保證準(zhǔn)確的按設(shè)計(jì)順序起爆，采用微差爆破技術(shù)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，間隔時(shí)間受起爆器材各段的間隔時(shí)間制約。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選取隔段起爆間隔50ms的1～13段毫秒導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)延期起爆法。各個(gè)炮眼所采用的毫秒導(dǎo)爆管雷管段別為：掏槽眼1、3段，輔助眼5、7、9、11段，周邊眼13段。

3.6 同一斷面分區(qū)分次起爆

在上臺(tái)階爆破開挖過程中，通過采用基本的微振動(dòng)控制技術(shù)，可將爆破振速控制在《爆破安全規(guī)程》對(duì)建筑物爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。但當(dāng)隧道通過學(xué)校時(shí)，需將爆破振速進(jìn)一步減小。若減少裝藥量，則每循環(huán)開挖進(jìn)尺過小，無法滿足施工工期要求。

經(jīng)過試驗(yàn)改進(jìn)，在施工中采用了將上臺(tái)階斷面劃分為上下兩部分，先起爆下部分，再起爆上部分的分區(qū)分次起爆方法。采用此方法后爆破振速顯著減小，這樣既保證每循環(huán)開挖進(jìn)尺，又滿足隧道通過學(xué)校時(shí)爆破振速的要求。

4 爆破參數(shù)及炮眼布置圖的確定

施工過程中，根據(jù)以往爆破經(jīng)驗(yàn)，對(duì)爆破方案和參數(shù)進(jìn)行選取和設(shè)計(jì)，并通過現(xiàn)場(chǎng)初期多次試爆，對(duì)采集的爆破振速等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行逐步修正，在后續(xù)的爆破中根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整，通過不斷的改進(jìn)和實(shí)踐，最終確定爆破參數(shù)見表5，炮眼布置如圖1。

5 爆破效果

根據(jù)最終確定的爆破參數(shù)及技術(shù)措施，在后續(xù)爆破施工中，對(duì)爆破振速的監(jiān)測(cè)未出現(xiàn)超標(biāo)情況，實(shí)測(cè)爆破振速見表6。

爆破監(jiān)測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)親身感受爆破，在不經(jīng)意間未感覺有振感，對(duì)人體未產(chǎn)生任何心理影響，實(shí)踐證明莞惠城際軌道爆破開挖所采取的爆破技術(shù)和相關(guān)措施是成功的。

6 結(jié)束語

微振動(dòng)控制爆破技術(shù)是爆破降振的有效措施，施工前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算確定合理的爆破開挖方案，施工中通過試驗(yàn)選擇炸藥品種，優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)，調(diào)整爆破參數(shù)等細(xì)部設(shè)計(jì)，采用微差爆破技術(shù)，采取同一斷面分區(qū)分次起爆來控制爆破能量源和爆破能量的傳遞方法，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的降振效果。

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