王峰

摘 要：近些年，我國隧道建設進入高速發(fā)展階段，其中淺埋隧道路段的開挖一直是個技術難題。雖然近些年我國對于淺埋隧道開挖技術有了進一步研究，但是與世界先進技術還有一定差距。隧道是我國目前主要的交通運輸方式之一，關系著我國的經(jīng)濟命脈，尤其是城市地鐵隧道有著其他運輸工具不可替代的作用。本文基于微震爆破技術進行地鐵隧道開挖研究，以期對該項技術的特點及控制要點有更加深刻的認識，從而為相關的地鐵淺埋段施工提供有價值和有建設性的參考建議。

關鍵詞：抗震性能;淺埋隧道;爆破施工

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0097-04

Study on Fine Design and Control of Microseismic Blasting in Complex Shallow Geological Tunnel

WANG Feng

（China Railway Tunnel Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In recent years， China's tunnel construction has entered the stage of vapid development， and the excavation of shallow tunnel section has always been a technical problem. Although there has been further research on Shallow Tunnel Excavation Technology in recent years， there is still a certain gap with the world's advanced technology. Tunnel is one of the main modes of transportation in China. It is related to the economic lifeline of our country and plays an irreplaceable role in other means of transportation. In this paper， tunnel excavation is carried out based on microseismic blasting technology. Through the research and analysis of microseismic blasting technology in shallow tunnel， we have a deeper understanding of the characteristics and control points of this technology， and provide constructive suggestions for the construction of using this technology.

Keywords： seismic performance;shallow buried tunnel;blasting construction

以某地區(qū)淺埋地鐵隧道的建設為例，其主要穿越的地層為云母片石區(qū)域，地質(zhì)構造復雜，裂隙斷裂帶較為發(fā)育，上部為淺埋地層。對于該區(qū)域巖層開挖，采用常規(guī)爆破施工會影響上部穩(wěn)定和安全，同時爆破作業(yè)會對巖層的節(jié)理造成影響。淺埋地鐵隧道所處區(qū)域不同，地質(zhì)情況也不相同。對于要求較高的地鐵開挖施工，爆破作業(yè)需要更加精確，要求考慮圍巖的差異性對爆破施工的影響。微差爆破具有明顯的優(yōu)勢，對于地鐵開挖作業(yè)來說，安全性高，開挖尺寸可控，對周邊地質(zhì)情況影響較小。

本工程由于巖層風化較為發(fā)育，地鐵隧道淺埋段受到地下水和降雨量的影響，出現(xiàn)了滲水和滴水現(xiàn)象，在施工中需要嚴格控制開挖進尺，并及時采取有效的措施進行支護。通過水質(zhì)分析，地下水對混凝土無腐蝕危害的風險，需要根據(jù)已有的地質(zhì)災害發(fā)生情況進行具體分析，從而判斷開挖地質(zhì)的穩(wěn)定性。若巖層的斷裂帶與隧道走向呈大角度相交，會對隧道施工造成一定的影響，因此隧道施工前需要進行超前地質(zhì)預報和超前支護。

隧道進出口地層位于山體斜坡處，開挖處屬于淺埋隧道段，根據(jù)實際地質(zhì)狀況分析，自然狀況下巖體較為穩(wěn)定。開挖位置覆蓋層表面屬于V級圍巖，經(jīng)分析，開挖可能會造成坡體滑塌，需要對仰坡巖體加固后進行微震動爆破，以更好地保護巖體結(jié)構的穩(wěn)定性和完整性[1]。

1 淺埋地鐵隧道超欠挖控制措施

1.1 隧道超欠挖成因

1.1.1 地質(zhì)條件因素。在非主觀因素影響下，圍巖的節(jié)理和裂隙發(fā)育對開挖精度影響很大。由于圍巖節(jié)理發(fā)育較好，裂隙寬度較大，炮孔布置的定向爆破擾動破碎圍巖產(chǎn)生塌落會造成超開挖，爆破布藥量不足時就會產(chǎn)生欠開挖。該地層圍巖地質(zhì)較差，超欠挖控制較為困難。

1.1.2 隧道爆破方案不合理。根據(jù)圍巖等級的不同，爆破作業(yè)孔的布置方式也不相同。為更加精準地進行爆破，Ⅲ級圍巖炮孔布置間距可以適當加密，周邊穩(wěn)定巖層不易受到爆破施工破壞，相對爆破開挖精度較容易控制。Ⅴ級圍巖較為破碎，在爆破作業(yè)過程中，布置間距小，則容易導致爆破影響周邊巖體破碎脫落;布置間距過大，則不能夠有效精準開挖。因此，對于爆破作業(yè)，巖層較為破碎的地段更容易發(fā)生超欠挖的情況。

1.1.3 施工管理因素。隧道施工中需要采用合理的組織管理方式和有效的控制措施，才能更好地保證施工質(zhì)量。施工開挖中常會由于施工控制不嚴格，導致超欠挖的情況。為防止由于管理問題導致發(fā)生的超欠挖情況，技術人員需要端正態(tài)度[2]。

1.2 微震爆破技術

將起爆孔布置在開挖輪廓線位置，爆除需要開挖位置的巖體并將其清除，形成一個完整光滑的開挖斷面，即光面爆破。光面爆破是開挖巖體最常用的爆破方法，依據(jù)現(xiàn)場專業(yè)爆破計算后根據(jù)輪廓線確定炮孔的布置間距和布置方式[3]。

不耦合裝藥采用小于炮孔直徑的裝藥方式，空氣隔層能夠在炸藥起爆過程中降低炸藥對炮孔的壓力，延遲了爆炸對開挖面的破壞時間，而且可以通過壓縮空氣對墻壁產(chǎn)生縫隙切割效果，以增加爆破精度。炮孔直徑和裝藥直徑的比值為爆破的不耦合系數(shù)。當不耦合系數(shù)等于1時，說明炮孔就是裝藥的直徑;當炮孔不耦合系數(shù)大于1時，說明炮孔和裝藥之間存在空氣夾層。根據(jù)以往經(jīng)驗，炮孔不耦合系數(shù)和爆破對孔壁的最大剪切應力呈指數(shù)變化，通常在工程實際中取值1.5～2.5。以下通過Ⅲ級圍巖炮孔布置方式（見圖1）和V級圍巖炮孔布置方式（見圖2）更加直觀地了解不同圍巖炮孔的布置形式。

炮眼痕跡保存率=殘留有痕跡的炮眼數(shù)/周邊眼總數(shù)×100% （1）

以下采用微震不耦合爆破方式進行裝藥。延遲起爆破壞是爆破中的一項重要參數(shù)，起爆范圍疊加越大，起爆時間間隔越短，對于降低震動速度越不利，而起爆時間間隔過長則不利于爆破開挖進度和質(zhì)量的控制。根據(jù)工程爆破經(jīng)驗，采用爆破時間間隔大于50 ms的非電毫秒雷管引爆，以減小對開挖面的震動作用[4]。

對于圍巖級別較高的軟弱圍巖結(jié)構，光面爆破時通常采用延時藥包分時間進行起爆，毫秒雷管引爆。為了更好地控制爆破能量和震動破壞力，采用如圖3所示的不耦合裝藥方式，同時結(jié)合毫秒微差起爆裝置進行爆破。

2 微震爆破設計控制

2.1 微震爆破選擇

2.1.1 裝藥結(jié)構控制。根據(jù)地質(zhì)的不同結(jié)構特點選擇周邊眼不同的裝藥結(jié)構和雙傳爆線裝藥結(jié)構，通常適用于巖層結(jié)構較破碎的Ⅳ級、Ⅴ級圍巖;底部適當增加藥量，小直徑藥卷、傳爆線裝藥結(jié)構形式適用于中等Ⅲ級圍巖結(jié)構;采用小直徑光爆連續(xù)裝藥結(jié)構進行完整Ⅰ級、Ⅱ級圍巖爆破。實踐證明，采用炮泥堵塞裝藥部位效果要比堵塞在炮孔口爆破效果好。本次選用的工程開挖方式采用微差爆破，采用雙傳爆線裝藥結(jié)構形式布孔設計，分段微差起爆效果良好[5]。

2.1.2 底板眼起爆設置。通過加大藥量進行底板眼爆破的做法在實際工程中應用最多，爆破采用同時起爆的方式，以最大限度翻出開挖渣體。監(jiān)測表明，隧道開挖爆破產(chǎn)生的震動掏槽眼爆破最大，底板眼爆破影響圍巖次之，因此這兩種爆破方式都不適用于淺埋隧道的開挖作業(yè)，不利于圍巖穩(wěn)定。結(jié)合掏槽眼爆破和底板眼爆破特點采用延時起爆，能減少藥量爆破疊合作用，改變圍巖抵抗線方向，以減弱爆破強度對圍巖的影響。

2.1.3 爆破參數(shù)的選擇及監(jiān)測。通過計算法、現(xiàn)場實驗法和工程類比法選擇合適的爆破參數(shù)，再在實際工程實施過程中不斷進行調(diào)整，可逐步使得爆破工程參數(shù)符合工程實際要求。

結(jié)合爆破作業(yè)周邊的重要影響因素進行爆破監(jiān)測，更好地掌握建筑結(jié)構物和工程支護受爆破震動的影響;通過超欠挖控制分析，選擇合適的鉆爆方法，并進行鉆爆設計。爆破監(jiān)測點設置在拱腳、拱頂以下1 m位置，測點距離掌子面距離以爆破飛石不損壞監(jiān)測點為準。

2.2 微震爆破方案設計

根據(jù)不同的地質(zhì)狀況，采用合適的微震爆破設計至關重要。設計時需要根據(jù)周邊建筑物的分布及影響進行綜合考慮，同時考慮隧道的超欠挖問題，盡可能減小對洞壁圍巖結(jié)構的擾動，充分利用隧道圍巖自穩(wěn)定的受力特點進行設計。有效控制爆破開挖施工作業(yè)對山體的破壞，以保證地表結(jié)構的安全穩(wěn)定，同時達到設計要求的輪廓開挖形狀。根據(jù)薩道夫斯基公式進行炮孔最大裝藥量計算，通過控制最大裝藥量來控制震動波的大小[6]：

Q=RV/K （1）

式中：Q為最大爆破段允許最大裝藥量，kg;V為震動帶的安全控制標準，cm/s;R為震源中心和震速控制點之間的距離，m;K為與地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)、爆破技術有關的系數(shù);α為爆破振動衰減指數(shù)。

本項目裝藥結(jié)構控制按照下列規(guī)定確定。

①周邊眼裝藥結(jié)構可采用間隔裝藥方式、小直徑連續(xù)裝藥方式、導爆索裝藥方式和空氣柱狀裝藥方式（見圖4至圖7）。本次軟弱V級圍巖選用小直徑連續(xù)裝藥方式、導爆索裝藥方式和間隔裝藥方式3種形式。當炮眼深度小于2 m時，通常采用空氣柱狀裝藥方式。

②為提高炸藥的能量和爆破效果，應采用反向裝藥方式;有瓦斯、煤塵爆炸危險的開挖工作面，應采用正向裝藥方式。周邊眼按藥卷直徑的不同應采用連續(xù)裝藥或間隔裝藥方式，其他眼應采用連續(xù)裝藥方式。

③掏槽眼施工方法較為成熟，但是爆破震動大，不適用于淺埋地鐵隧道的施工。改進后為了減小震動影響，將掏槽眼改成楔形掏槽，有利于減少擾動，增加爆破安全性。在地下水位較豐富的地區(qū)，周邊眼采用乳化油光爆炸藥較為合適。采用微差爆破、非電毫秒雷管爆破、電雷管起爆等方式能夠有效控制精準爆破。

已有資料表明，間隔時差爆破具有以下規(guī)律：在爆破頻率100 Hz以下，軟弱圍巖爆破產(chǎn)生的震動影響較小，最大持續(xù)時間在縱橫向最大可達到200 ms左右，豎向最大持續(xù)時間可達到100 ms左右。采用跳段式導爆雷管能夠減小震動后的爆破疊加作用，爆破時差一般采用100 ms間隔較為合適。每次爆破作業(yè)進尺需要根據(jù)實際開挖斷面的地質(zhì)構造特點、工期具體安排以及安全作業(yè)深度等綜合評估后確定。

3 微震爆破的振動效果評價

3.1 監(jiān)測結(jié)構及工作原理

本次爆破監(jiān)測設備由2個接收換能器和1個發(fā)射換能器組成，通過發(fā)射換能器發(fā)送信號至接收換能器進行波變化數(shù)據(jù)接收。對于監(jiān)測使用的換能器，要求徑向無指向性、軸向無指向性、發(fā)射功率要大且有足夠的接收靈敏度。最內(nèi)側(cè)監(jiān)測孔的3次監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線如圖8所示。

3.2 測試結(jié)果評價

由測試點1的3次波速與孔深的變化曲線可以看出，隨著監(jiān)測次數(shù)的增加，同一深度爆破后比爆破前的波速小很多，表明隨著爆破作業(yè)次數(shù)的增多，圍巖的結(jié)構損傷增加。可見，損傷是爆破震動產(chǎn)生的。

4 結(jié)語

通過工程實例對淺埋隧道爆破作業(yè)影響進行綜合分析，系統(tǒng)介紹了淺埋隧道微震爆破的技術特點與質(zhì)量控制要點，綜合分析出降低淺埋隧道爆破作業(yè)風險的有效措施和方法，通過采用微震爆破技術達到了理想的開挖效果?；诎咐霭l(fā)，可為淺埋隧道爆破技術提供參考意見，以期為類似工程爆破施工提供借鑒。

參考文獻：

[1]王莉榮.建筑設計在建筑抗震設計中的作用分析[J].居舍，2021（20）：90-91.

[2]何山，郭劍鋒，韓全吉.山嶺隧道微差爆破技術在周邊建筑物保護中的應用[J].科技通報，2019（1）：15-18.

[3]鄭雨.城市中心區(qū)域淺埋偏壓隧道微振動爆破施工技術[J].市政技術，2018（3）：151-155.

[4]馮叔瑜，呂毅，楊杰昌，等.城市控制爆破[M].北京：中國鐵道出版社，1985：69-73.

[5]婁德蘭.導爆管起爆技術[M].北京：中國鐵道出版社，1995：36.

[6]中國力學爆破專業(yè)委員會.爆破工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992：78-79.

[7]王海亮.隧道工程爆破[M].北京：中國鐵道出版社，2001：25-29.

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