劉建友，田四明，呂 剛，劉 方

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司,北京 100844)

引言

隨著隧道工程的不斷發(fā)展，目前鉆爆法以其施工方式靈活、效率高及成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于隧道開挖[1]。但隧道在爆破開挖過程中會(huì)引起鄰近邊坡失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)物開裂、設(shè)施設(shè)備破損及人員傷害等不利爆破振動(dòng)效應(yīng)，因此必須對(duì)這種不利效應(yīng)進(jìn)行控制。為了減小隧道爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，國內(nèi)外學(xué)者在爆破機(jī)制和振動(dòng)效應(yīng)兩方面已有豐碩的研究成果。對(duì)爆破機(jī)制研究有：Gosh.A等[2]對(duì)Leocnt及 Morris提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。目前，我國《爆破安全規(guī)程》[3]也采用應(yīng)用廣泛的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算爆破振動(dòng)安全允許距離。Mancini.R[4]提出通過提高鉆孔精度可以提高爆破輪廓線精度，減少對(duì)圍巖的破壞，以達(dá)到節(jié)約爆破成本和支護(hù)成本，加快施工進(jìn)度的目的。而由爆破振動(dòng)應(yīng)力波引起的爆破振動(dòng)導(dǎo)致的各種振動(dòng)現(xiàn)象及破壞稱為爆破振動(dòng)效應(yīng)[5]，對(duì)于爆破振動(dòng)效應(yīng)的研究，Song.Ki-II[6]采用數(shù)值模擬法分析了預(yù)裂爆破方法，指出其可有效降低爆破產(chǎn)生的振動(dòng)，并減少對(duì)圍巖的損傷和爆破超挖，同時(shí)指出減少對(duì)圍巖的損傷和爆破超挖是降低開控成本的重要措施。G.A[7]主要研究采礦場和礦山爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑物及構(gòu)筑物的影響，針對(duì)破壞現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。隨著美國、前蘇聯(lián)、日本等國地下核試驗(yàn)和核防護(hù)工程的大量修建，工業(yè)爆破工程得到了前所未有的快速發(fā)展，以Thoenen、WIndes、Crandell、Duvall、Fogelson、Edwards、Northwood、Devine、Atwell、Langefors.U和薩道夫斯基等[8-10]為代表的各國研究人員，對(duì)工程爆破的地震效應(yīng)問題進(jìn)行了研究和分析；其中包括爆破地震波的衰減規(guī)律、爆破振動(dòng)強(qiáng)度的影響因素、爆破振動(dòng)的破壞準(zhǔn)則學(xué)等，并對(duì)不同的建筑物制定了一系列區(qū)域性的破壞標(biāo)準(zhǔn)，王樹強(qiáng)[11]、Song.Ki-II[6]、Kim.J.G等[12]結(jié)合隧道爆破工程實(shí)際，利用數(shù)值模擬等方法分析了在隧道輪廓鉆設(shè)減振孔或水射流切割減振帶對(duì)爆破地震波傳播途徑的阻隔機(jī)理，并根據(jù)現(xiàn)場振動(dòng)測試驗(yàn)證了此類方法是降低隧道開挖爆破時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度的一種有效途徑。在干擾爆破降振技術(shù)理論基礎(chǔ)上，田振農(nóng)等[13]發(fā)展提出了利用精確延時(shí)起爆確保爆炸波到達(dá)被保護(hù)點(diǎn)時(shí)錯(cuò)開約1/2周期的錯(cuò)相減振爆破理論，并將其應(yīng)用于城市隧道開挖爆破中達(dá)到了預(yù)期的降振效果。

余紅燏[14]和朱家穩(wěn)等[15]對(duì)城市淺埋隧道的控制爆破進(jìn)行了研究，吳圣智[16]對(duì)順層軟巖隧道的微振爆破開展了研究，王剛等研究了微振爆破在隧道換拱中的應(yīng)用[17-18]。

技術(shù)人員對(duì)微振爆破開展了大量的研究工作，也取得了豐富的研究成果，但在爆破振動(dòng)控制機(jī)理及控制標(biāo)準(zhǔn)方面，尤其是振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)與材料強(qiáng)度之間的關(guān)系，仍然存在認(rèn)識(shí)不清的問題。

1 爆破振動(dòng)的分級(jí)

根據(jù)目前各種爆破技術(shù)的特點(diǎn)和降振水平，降振技術(shù)劃分為常規(guī)爆破、弱振爆破、微振爆破和靜態(tài)爆破4個(gè)層次。

(1)常規(guī)爆破

常規(guī)爆破是指以追求爆破效率為目標(biāo)，以最小成本達(dá)到最大爆破效果的常規(guī)爆破技術(shù)。常規(guī)爆破一般應(yīng)用于周邊無建(構(gòu))筑物的場地，周邊環(huán)境對(duì)爆破振動(dòng)無要求，因此常規(guī)爆破的設(shè)計(jì)僅需考慮爆破的成本和效果兩個(gè)參量。

(2)弱振爆破

弱振爆破是以保護(hù)圍巖或保護(hù)周邊一般建(構(gòu))筑物為目標(biāo)，通過采用低威力低爆速的炸藥、適當(dāng)減小裝藥量、選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)、減小爆破進(jìn)尺、采用掌子面分部爆破、預(yù)裂爆破等手段，從而減小爆破振動(dòng)的一種爆破技術(shù)。弱振爆破技術(shù)一般應(yīng)用于周邊存在普通建(構(gòu))筑物的場地，弱振爆破的設(shè)計(jì)需要考慮振動(dòng)對(duì)圍巖及周邊環(huán)境的影響。

(3)微振爆破

微振爆破是以保護(hù)周邊敏感建(構(gòu))筑物為目標(biāo)，采用電子雷管等精準(zhǔn)起爆材料，將爆破過程在時(shí)間上分開，使各個(gè)炮孔逐個(gè)起爆，從而大幅降低爆破振速的一種降振技術(shù)。微振爆破技術(shù)一般應(yīng)用于周邊存在敏感建(構(gòu))筑物的場地，且弱振爆破技術(shù)無法滿足爆破振動(dòng)的控制要求[19-20]。

實(shí)現(xiàn)微振爆破目前有兩種方法，分別是跨主振周期法和干擾降振法。單個(gè)藥包爆破后一般產(chǎn)生一個(gè)主振和兩個(gè)次振，第一次振幅值為主振幅值的1/3，第二次振幅值為主振幅值的1/10?？缰髡裰芷诜ㄊ侵盖昂笈诳灼鸨瑫r(shí)間間隔大于前炮孔爆破振動(dòng)的主振周期，使前后炮孔爆破的主振振動(dòng)相互隔開而不發(fā)生疊加。干擾降振法是指前后炮孔起爆時(shí)間間隔控制在主振周期的一半，使前后炮孔產(chǎn)生的爆破振動(dòng)在同一目標(biāo)點(diǎn)波峰和波谷相互抵消，從而大幅度降低振動(dòng)速度。干擾降振法的降振效果更好，但其技術(shù)難度更高，當(dāng)間隔時(shí)間控制不當(dāng)反而會(huì)出現(xiàn)波峰與波峰相互疊加，從而增大振動(dòng)速度的情況，因此在復(fù)雜場地復(fù)雜傳播路徑下，干擾降振法技術(shù)難度非常大?？缰髡裰芷诜夹g(shù)難度相對(duì)較小，也相對(duì)可靠成熟。

(4)靜態(tài)爆破

靜態(tài)爆破一般分為試劑靜態(tài)爆破和機(jī)械靜態(tài)爆破兩種爆破方法。試劑靜態(tài)爆破是把一些硅酸鹽和氧化鈣等固體膨脹劑加水?dāng)嚢韬?，放入鉆孔中發(fā)生水化反應(yīng)，固體硬化，溫度升高，體積膨脹，把巖石漲破。機(jī)械靜態(tài)爆破是采用液壓機(jī)械方式使巖石開裂，利用液壓驅(qū)動(dòng)分裂棒內(nèi)的油缸產(chǎn)生巨大推動(dòng)力，脹裂巖石。

2 爆破振動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)是開展控制爆破，評(píng)價(jià)爆破對(duì)保護(hù)對(duì)象影響的基礎(chǔ)。爆破振動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)是保護(hù)對(duì)象本身的屬性，與爆破施工無關(guān)，主要受保護(hù)對(duì)象的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、穩(wěn)定性現(xiàn)狀、使用要求等因素的影響。

控制爆破的首要目標(biāo)是防止結(jié)構(gòu)變形開裂，因此可以根據(jù)彈性力學(xué)波動(dòng)理論，計(jì)算保護(hù)對(duì)象應(yīng)力和應(yīng)變與彈性波振動(dòng)速度之間的關(guān)系，如下式所示

(1)

(2)

(3)

c1——彈性波的傳播速度，m/s；

ρ——質(zhì)點(diǎn)的密度，kg/m3。

上式表明，建筑物受到的拉壓應(yīng)力主要受質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度、彈性模量、泊松比和密度的影響，其中近接工程的彈性模量、泊松比和密度是常量，因此，可以采用振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)對(duì)建筑物影響的控制指標(biāo)。

根據(jù)混凝土的抗拉和抗壓強(qiáng)度，采用式(1)和式(2)可以反算出爆破振動(dòng)速度的極限值，并采用下式確定建筑物振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)

(4)

式中 [V]——爆破振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)，cm/s；

Vmax——爆破振動(dòng)速度的極限值，cm/s；

K——爆破振動(dòng)安全系數(shù)，根據(jù)建筑物的重要程度取值1.4～2.0，如表1所示；

γs——建筑物服役狀態(tài)折減系數(shù)，可根據(jù)建筑物的服役年限和現(xiàn)狀評(píng)估取0～1.0，如表2所示。

表1 爆破振動(dòng)的安全系數(shù)K建議值

以混凝土結(jié)構(gòu)為例，假設(shè)結(jié)構(gòu)物采用了C35混凝土，且不允許出現(xiàn)裂縫，取C35混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.57 MPa，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到C35混凝土爆破振動(dòng)速度的極限值為16.3 cm/s，對(duì)于重要建筑物安全系數(shù)取2.0，如表1所示，對(duì)于新建工程且服役狀態(tài)良好，服役狀態(tài)折減系數(shù)取1.0，如表2所示，C35混凝土爆破振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)為8.2 cm/s，如表3所示。

表2 建筑物服役狀態(tài)折減系數(shù)γs建議值

表3 建筑物爆破振動(dòng)速度極限值及控制標(biāo)準(zhǔn)建議值cm/s

注：表中振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)取2.0，折減系數(shù)取1.0。

表3中的振動(dòng)速度極限值Vtmax和Vcmax是分別根據(jù)混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度計(jì)算得到，分別為了確?；炷猎诒普駝?dòng)作用下不出現(xiàn)受拉破壞和受壓破壞。對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)來說，其初支噴射混凝土和二襯模筑混凝土主要以受壓為主，因此可以允許混凝土出現(xiàn)裂縫并實(shí)現(xiàn)帶縫工作，但應(yīng)對(duì)裂縫寬度進(jìn)行控制，因此隧道噴射混凝土和模筑混凝土的振動(dòng)速度極限值Vsmax應(yīng)介于Vtmax和Vtmax之間，建議按下式計(jì)算

Vsmax=Vtmax+γc(Vcmax-Vtmax)

(5)

式中Vtmax——受拉強(qiáng)度控制的振動(dòng)速度極限值，cm/s；

Vcmax——受壓強(qiáng)度控制的振動(dòng)速度極限值，cm/s；

Vsmax——隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度極限值，cm/s；

γc——裂縫寬度修正系數(shù)。

裂縫寬度修正系數(shù)主要取決于隧道的類型和混凝土的類型，建議按表4取值。以交通隧道為例，按上述公式和取值可計(jì)算得到隧道噴射混凝土和模筑混凝土的振動(dòng)速度極限值和控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，如表5所示，C30噴射混凝土振動(dòng)速度可按22～28 cm/s進(jìn)行控制，C35模筑混凝土振動(dòng)速度可按8～16 cm/s進(jìn)行控制。

表4 裂縫寬度修正系數(shù)γc建議值

表5 交通隧道工程振動(dòng)速度極限值及控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

注：振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)取2.0，折減系數(shù)取1.0。

3 微振爆破設(shè)計(jì)方法

微振爆破的關(guān)鍵在于控制各個(gè)炮孔的起爆時(shí)間，這主要依賴于精準(zhǔn)的起爆材料，包括導(dǎo)爆管雷管和電子雷管。

3.1 跨主振周期法

跨主振周期法前、后相鄰炮孔的起爆時(shí)間間隔相對(duì)較長，使后起爆的地震波避開了前起爆的地震波主振周期，從而減少地震波的疊加?？缰髡裰芷诜ǖ钠鸨瑫r(shí)間間隔可根據(jù)現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測確定，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，典型單孔爆破主振波持續(xù)時(shí)間約為60 ms，因此，跨主振周期法的起爆間隔時(shí)間一般大于60 ms。

跨主振周期法有兩種實(shí)施方法，一種為電子雷管單孔連續(xù)起爆網(wǎng)路；另一種為電子雷管和高段位導(dǎo)爆管雷管聯(lián)合起爆網(wǎng)路，即隧道掏槽眼及擴(kuò)槽眼采用電子雷管單孔連續(xù)起爆，掘進(jìn)眼、內(nèi)圈眼、底板眼和周邊眼利用高段位導(dǎo)爆管雷管起爆，利用高段位導(dǎo)爆管雷管的起爆誤差實(shí)現(xiàn)單孔起爆。

導(dǎo)爆管雷管的段位數(shù)量有限，不能滿足每個(gè)炮孔都使用不同段位逐個(gè)起爆的要求，電子雷管可以設(shè)置電子雷管的起爆時(shí)間，實(shí)現(xiàn)單孔逐個(gè)起爆。但是電子雷管價(jià)格昂貴，在大斷面隧道中，炮孔較多，若全部使用電子雷管單孔逐個(gè)起爆，每循環(huán)需要電子雷管數(shù)量較多，增加了爆破成本，因此采用電子雷管和高段位導(dǎo)爆管雷管聯(lián)合起爆是經(jīng)濟(jì)成本較小的微振爆破方式。

其中爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)表5取得，單孔裝藥量根據(jù)被保護(hù)對(duì)象爆破振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)，采用薩道夫斯基公式確定:

Q=([V]/K)3/a·R3

(6)

式中Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，kg；

[V]——爆破振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)，cm/s；

R——爆破振源與被保護(hù)對(duì)象之間的距離，m；

K，α——爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

3.2 干擾降振法

干擾降振的關(guān)鍵是確定合理的間隔時(shí)間，使前后起爆的地震波出現(xiàn)波峰和波谷疊加的相互干擾?？梢詫⒈频卣鸩ê喕癁檎也?，在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，周期相同，為達(dá)到波峰波谷相互疊加，間隔時(shí)間應(yīng)滿足下式要求

T/3<Δt<2T/3

(7)

式中T——爆破振動(dòng)的主振周期，ms；

Δt——前后炮孔起爆的時(shí)間間隔，ms。

理論上，當(dāng)時(shí)間間隔剛好為主振周期的一半時(shí)，波峰和波谷完全抵消，降振效果最好。爆破設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮相鄰炮孔至降振點(diǎn)的距離差對(duì)時(shí)間間隔的影響，按下式修正

(8)

式中 ΔS——相鄰炮孔至降振點(diǎn)的距離差，m；

Vp——地震波的傳播速度，km/s。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，典型單孔爆破主振波持續(xù)時(shí)間約為60 ms，最大波峰和最大波谷之間的主振半周期約為17 ms，因此炮孔延時(shí)間隔10～20 ms時(shí)可以達(dá)到較好的爆破減振效果。

4 工程應(yīng)用

京張高鐵新八達(dá)嶺隧道位于八達(dá)嶺長城風(fēng)景名勝區(qū)，全長12.01 km，最高設(shè)計(jì)速度為250 km/h，為單洞雙線隧道。該隧道并行水關(guān)長城，兩次下穿八達(dá)嶺長城，淺埋下穿老京張鐵路青龍橋車站，洞頂覆土僅5.3 m。八達(dá)嶺隧道內(nèi)設(shè)置了八達(dá)嶺長城站，距離隧道出口約3 km。車站總長470 m，地下建筑面積36 143 m2。八達(dá)嶺長城站層次多、洞室數(shù)量大、洞型復(fù)雜，洞室間距小，其中站臺(tái)層三洞分離段隧道水平間距為2.24～6 m，站臺(tái)層與進(jìn)出站通道層豎向間距為4.55 m，如圖1所示。

圖1 八達(dá)嶺長城站透視

4.1 微振爆破參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)選取

八達(dá)嶺隧道車站施工爆破對(duì)周邊環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是對(duì)長城和老京張鐵路鄰近構(gòu)筑物的影響，一是施工過程中與地下車站相鄰洞室的相互影響。其中，八達(dá)嶺長城站群洞施工爆破對(duì)鄰近洞室圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響最大，已施工完成的支護(hù)結(jié)構(gòu)分別為C30噴射混凝土和C35模筑混凝土。修正的振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)分別取25 cm/s和12 cm/s。根據(jù)車站圍巖的力學(xué)測試，完整花崗巖巖塊抗壓強(qiáng)度約60 MPa，抗拉強(qiáng)度約6 MPa，巖體完整性系數(shù)約0.2，巖體的抗壓強(qiáng)度約12 MPa，抗拉強(qiáng)度約1.2 MPa?？箟簭?qiáng)度和抗拉強(qiáng)度控制的完整巖塊的振動(dòng)速度極限值分別為668 cm/s和67 cm/s，考慮裂隙切割影響后的巖體的振動(dòng)速度極限值分別為135 cm/s和14 cm/s，安全系數(shù)K取2，裂縫寬度修正系數(shù)γc取0.5，則圍巖爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)為37 cm/s。

4.2 微振爆破開挖

車站站臺(tái)層三洞分離段先施工左、右到發(fā)線再開挖中洞正線，左、右到發(fā)線超前正線50～80 m，左、右洞錯(cuò)開距離>20 m，三個(gè)洞室共計(jì)分成10步進(jìn)行爆破，如圖2所示。其中左、右到發(fā)線為兩臺(tái)階開挖法采用跨主振周期減振法的非電毫秒雷管起爆，根據(jù)公式(6)計(jì)算的單孔最大裝藥量1.68 kg；中洞正線采用中導(dǎo)洞超前開挖法，采用干擾降振法的電子雷管起爆，分六部爆破開挖，根據(jù)公式(8)計(jì)算電子雷管延遲時(shí)間間隔10 ms，中洞正線隧道炮孔布置及延遲時(shí)間如圖3所示，單孔最大裝藥量1.905 kg。

圖2 八達(dá)嶺長城站站臺(tái)層爆破施工順序(單位：cm)

圖3 中洞正線隧道炮孔布置及延遲時(shí)間(單位：ms)

4.3 微振爆破監(jiān)測結(jié)果

開挖爆破過程中，對(duì)現(xiàn)場振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，爆破引起的中巖墻圍巖、初支和二襯的振動(dòng)速度分別為32.5，17.7 cm/s和8.9 cm/s，而根據(jù)修正的爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)C30噴射混凝土和C35模筑混凝土分別為37，25 cm/s和12 cm/s。結(jié)果滿足振動(dòng)速度的控制要求，有效減少了京張高鐵新八達(dá)嶺隧道及車站掘進(jìn)爆破過程中對(duì)鄰近建筑物的干擾。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)爆破引起的振速大小，可以將爆破劃分為常規(guī)爆破、弱振爆破、微振爆破和靜態(tài)爆破四個(gè)等級(jí)。

(2)微振爆破根據(jù)其降振機(jī)理可分為跨主振周期法和干擾降振法兩種，干擾降振法的降振效果更好，但其技術(shù)難度更高，跨主振周期法技術(shù)難度相對(duì)較小，也相對(duì)可靠成熟。

(3)建筑物振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度確定其極限振動(dòng)速度，根據(jù)建筑物的重要性和服役狀態(tài)選取安全系數(shù)和折減系數(shù)，根據(jù)建筑物運(yùn)營對(duì)裂縫寬度的要求確定裂縫寬度修正系數(shù)，從而得到建筑物振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)。爆破振動(dòng)的安全系數(shù)根據(jù)建筑物的重要性等級(jí)可取值1.4～2.0，建筑物服役狀態(tài)根據(jù)建筑物的服役年限和現(xiàn)狀損傷情況取值0～1.0，裂縫寬度修正系數(shù)根據(jù)裂縫控制要求取值0～1.0。

(4)京張高鐵八達(dá)嶺長城站地下洞室群爆破施工相關(guān)干擾大，為減小爆破對(duì)圍巖及已有支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，左、右到發(fā)線采用了微振爆破跨主振周期法，中洞采用了干擾降振法，圍巖、噴射混凝土和模筑混凝土爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)分別為37，25 cm/s和12 cm/s?，F(xiàn)場監(jiān)測表明，爆破引起的中巖墻圍巖、初支和二襯的振動(dòng)速度分別為32.5，17.7，8.9 cm/s，滿足振速控制要求，效果良好。