李小剛， 周先齊， 楊杭澎， 付曉強， 俞 縉

(1. 中鐵十二局集團第四工程有限公司， 陜西 西安 710000； 2. 廈門理工學院， 福建 廈門 361021; 3. 華僑大學 福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心， 福建 廈門 361021)

0 引言

當今城市公路分岔隧道正向跨度擴大化和分岔形式復雜化發(fā)展[1-2]，分岔段的中夾巖柱及圍巖穩(wěn)定是隧道施工期和服役期安全的重中之重。公路隧道由于斷面較大，普遍采用鉆爆法掘進，但在爆破掘進的同時必然會引起圍巖及支護結(jié)構(gòu)的損傷,加之大跨度小凈距隧道中夾巖柱受力狀態(tài)復雜，易受爆破振動影響。因此，分岔段的合理凈距、開挖方式、中夾巖損傷和爆破振動控制等方面的研究受到了國內(nèi)外廣泛關注[3-5]，開展中夾巖穩(wěn)定性研究對小凈距隧道建設至關重要。

文獻[6-8]分別以高鐵長城站、鶴上隧道和七沖村1號隧道為工程背景，研究了爆破地震波在小凈距隧道中的分布特征和傳播規(guī)律； 吳小萍等[9]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，分析了爆破作用對隧道洞口巖體的損傷影響范圍； 張國華等[10]結(jié)合大帽山大斷面隧道研究了推進式往復爆破荷載作用下圍巖的損傷范圍；曹峰等[11]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，研究了循環(huán)爆破下小凈距中夾巖體累積損傷演化規(guī)律。然而，以上文獻的研究大多為凈距大于3 m的小凈距隧道，對于3 m以下的超小凈距中夾巖振動規(guī)律與損傷控制尚無可靠的工程實踐經(jīng)驗，相關理論研究也無法很好地指導該類型隧道工程施工。

本文依托廈門海滄疏港通道工程項目A標段分岔隧道工程，該隧道分岔段最小凈距僅為1.22 m，屬于罕見的超小凈距隧道，此外緊鄰分岔段的隧道最大開挖寬度達30.51 m，亦不多見。通過對該隧道分岔段進行現(xiàn)場聲波測速及爆破測振試驗，分析爆破振動對超小凈距中夾巖的影響及其傳播規(guī)律，優(yōu)化現(xiàn)場爆破方案，從而達到控制中夾巖爆破振速及損傷范圍的效果，以期為本工程小凈距隧道爆破施工提供科學依據(jù)和技術(shù)指導，同時也為今后超小凈距分岔隧道的開挖施工及爆破參數(shù)調(diào)整優(yōu)化提供科學指導和經(jīng)驗借鑒。

1 海滄疏港通道分岔隧道工程背景

海滄疏港通道工程作為海滄路網(wǎng)“四縱六橫”中的一橫，為連接第二西通道與廈成高速的集疏運通道，對于促進廈門進出島客貨運的快速集疏散，完善海滄區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加速海滄經(jīng)濟開發(fā)區(qū)建設，促進廈漳經(jīng)濟聯(lián)合，改善廈門灣港口與漳州及龍巖之間交通等具有重要意義。該項目道路等級為城市快速路，雙向6車道，設計速度80 km/h，其中蘆疏段為地下互通工程，包括疏港通道主線隧道、蘆澳路主線(1 597 m)和 4 個轉(zhuǎn)向隧道匝道，其平面示意圖見圖1。

圖1 海滄疏港通道工程平面示意圖

海滄疏港通道工程A標段隧道主要穿越燕山晚期第2次侵入花崗巖地層，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以中風化為主，主要節(jié)理為N10～39°E/65～85°S，部分裂隙填充石英脈，巖體較完整，地下水為基巖裂隙水，主要賦存于花崗巖節(jié)理及裂隙中，隧道開挖采用二臺階法，開挖順序如圖2所示。為了減少大斷面爆破振動對中夾巖墻的不良影響，主洞開挖35 m后，再進行匝道分部開挖，匝道分部開挖進尺同主洞，始終保持在35～40 m，匝道開挖下臺階靠近中夾巖墻側(cè)先行開挖，左右側(cè)錯開至少2～3榀拱架，且后行匝道開挖必須在主洞錨桿施作注漿漿液固結(jié)及初期支護達到一定強度、變形穩(wěn)定后才能進行，開挖后及時架設鋼支撐，施作錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴混凝土。

圖2 分岔隧道施工開挖順序示意圖

現(xiàn)場試驗監(jiān)測點位于疏港通道右線，樁號YK2+640～+670，該標段為花崗巖地層，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以中等風化程度為主,節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整，均為Ⅲ級圍巖，未存在斷層破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造帶。隧道現(xiàn)場施工概況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場施工概況

2 中夾巖振速傳播特性研究

2.1 監(jiān)測方案

為研究在小凈距情況下，隧道爆破開挖對中夾巖柱的影響，在分岔段開口每隔10 m布設4臺TC-4850型三向振速監(jiān)測儀，此處中夾巖厚度為1.22 m。為了避免頻繁布線對測試數(shù)據(jù)的影響，采用自適應集成監(jiān)測方法，定制大容量鋰電池組對儀器持續(xù)供電，將測振主機、連接導線和供電組等集成在定制防護箱內(nèi)，傳感器通過角鐵固定安裝在隧道墻部并放置在儀器防護箱右側(cè)，避免爆破飛石破壞，具體如圖4所示。測試時設置采樣頻率為8 kHz，采樣時長為5 s，以保證采集信號的有效性和完整度。

現(xiàn)場爆破采用光面爆破方式，炮孔直徑為42 mm，在掌子面中心偏下位置布置掏槽眼，輔助眼均勻布置于掏槽眼和周邊眼之間。輔助眼、周邊眼孔深l=1.5 m，掏槽眼深度較輔助眼和周邊眼深10%～20%，周邊眼底部外傾3°～5°，采用1～20段非電毫秒延期雷管爆破。

圖4 測振儀器布置(單位: m)

2.2 爆破方案優(yōu)化

在前期現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測分析中，發(fā)現(xiàn)在原始爆破方案下部分測振數(shù)據(jù)達到了38.90 cm/s(如圖5所示)，超過了GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》標準，即交通隧道在不同頻率下，振速不應大于20 cm/s。

圖5 前期爆破振動監(jiān)測最大數(shù)據(jù)

經(jīng)過現(xiàn)場勘察和分析，發(fā)現(xiàn)由于該隧道采用二臺階法施工，上臺階爆破開挖時自由面較為單一，藥包受到夾制作用較大，產(chǎn)生振動作用較明顯；下臺階在爆破施工時，由于上臺階已開挖臨空面較大，對中夾巖的影響較小。

為此對主線隧道臺階法炮孔進行優(yōu)化： 上部臺階右側(cè)靠近中夾巖柱的炮眼加密，炮孔間距由原來的500 mm調(diào)整為400 mm，并間隔減振空孔隔一裝一，左側(cè)炮孔參數(shù)不變。由于空孔的存在，為空孔與裝藥孔之間的巖體破碎提供了一個自由面，爆破時巖體由傳統(tǒng)的受應力波破壞主導變?yōu)槭芾炱茐闹鲗?，受破壞的巖體擠壓在空孔內(nèi)，有利于隧道輪廓成型，減少超挖欠挖?？湛椎脑O置在減少裝藥量的同時提高了爆破效果，充分發(fā)揮了炸藥的性能；并且，增加的自由面使得后續(xù)裝藥孔爆破產(chǎn)生的應力波得到了削減，從而達到控制中夾巖振速的目的。

優(yōu)化后周邊裝藥孔由35個減少至27個，單孔裝藥量為0.5 kg，單段裝藥量為13.5 kg，采用MS19段雷管起爆； 輔助孔單孔裝藥量由1.2 kg減少至1 kg，單段裝藥量為18 kg，采用MS17段雷管起爆；共設置減振空孔6個，節(jié)省炸藥11.2 kg。優(yōu)化前匝道炮孔布置如圖6所示，受雷管段別限制，底孔采用MS20段雷管，因底孔主要起爆堆拋擲、便于出渣機械鏟裝部的作用，因此底孔段別對爆破效果的影響甚微。優(yōu)化后上部臺階布孔示意圖見圖7，周邊眼裝藥形式如圖8所示。

圖中數(shù)字1，3，5，7，…，19代表雷管段別；下同。

圖7 優(yōu)化后上部臺階布孔示意圖

左側(cè)，炮眼間距500 mm；右側(cè)，炮眼間距400 mm。

實踐表明，炸藥單耗是決定爆破后巖石塊度的重要影響因素，合理的巖石塊度對于減少單循環(huán)作業(yè)時間具有積極作用，也是評價爆破方案優(yōu)劣的主要指標之一。經(jīng)過現(xiàn)場試爆對比，炮孔優(yōu)化后由于炸藥單耗降低導致爆破后偶見大塊，但均可滿足鏟裝機械的出渣要求，爆破效果較為理想，說明上述參數(shù)優(yōu)化是合理且切實可行的。

2.3 中夾巖振速傳播規(guī)律分析

2.3.1 爆破振動速度分析

經(jīng)過后期現(xiàn)場監(jiān)測，海滄疏港通道分岔隧道的監(jiān)測振速已降低至國家標準以內(nèi)，最大振速相較優(yōu)化前振速降低了67.4%，且在16次爆破后中夾巖振速已遠低于業(yè)主規(guī)定值(距掌子面30 m處振速小于5 cm/s)，如表1所示。

表1 部分爆破振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了更好地分析中夾巖的振速傳播規(guī)律及影響因素，取距離掌子面12 m處振速波形圖進行研究，其爆破振速波形及三矢量合成速度結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10可知，由不同炮眼爆炸形成的應力波雖然出現(xiàn)了一些波形重疊的情況，但是只有輕微疊加，可以判斷出不同類型炮孔爆破所對應的質(zhì)點最大振速。測點最大振速由掏槽孔產(chǎn)生，原因在于掏槽孔自由面單一，巖體夾制作用顯著，且其相較于周邊孔和輔助孔裝藥量更為集中。掏槽孔槽腔形成后，為后續(xù)炮孔起爆提供了新的自由面，爆炸能量更多用于巖體移動而非破碎，故此時監(jiān)測到的振速略小。由此可見，影響中夾巖振動的因素主要為掏槽孔的裝藥量和爆心距。并且從圖10可以看出，合成速度振速峰值比3個方向的振速峰值都要大，為11.72 cm/s，這是由于同一段地震波在不同距離內(nèi)沿空間3個方向?qū)r石所造成的振動效應影響有所差異。3個方向的矢量合成速度一般比單向的最大質(zhì)點峰值振動速度大，出現(xiàn)時刻也有所不同。因此，在考慮最大振速安全范圍時，不僅需要判別3個方向的分速度，也要對合成速度進行考察。

(a) x向

(b) y向

(c) z向

圖10 三矢量合成速度結(jié)果

2.3.2 數(shù)學回歸模型分析

大量實測數(shù)據(jù)表明： 采用微差爆破時，單段炮孔的最大裝藥量決定隧道開挖爆破質(zhì)點最大振速，與微差爆破的總裝藥量關系不大[12]。目前，國內(nèi)外研究爆破振動效應及質(zhì)點峰值速度多數(shù)通過薩道夫斯基公式(簡稱薩氏公式)建立數(shù)學模型，來分析和預測隧道爆破振動傳播規(guī)律，具體公式如下：

v=K(Q1/3/R)α。

(1)

式中：v為質(zhì)點振動速度，cm/s;R為爆心距，m;Q為裝藥量，kg，由于本工程采用微差爆破即為單段最大裝藥量;K、α分別為與爆破條件、巖石介質(zhì)特征有關的場地系數(shù)、衰減系數(shù)。

研究表明，薩氏公式不適用于計算隧道近區(qū)的爆破振速，故應根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對隧道遠、近區(qū)進行劃分。本文采用張在晨等[13]提出的以速度衰減曲線斜率k′的大小來區(qū)分隧道遠、近區(qū)。即當k′<-5時，振動速度衰減較快，為隧道爆破振動近區(qū)；當-5≤k′<-1時，振動速度衰減減緩，為隧道爆破振動中區(qū)；當k′>-1時，振動速度衰減較慢，為隧道遠區(qū)。

根據(jù)經(jīng)驗公式擬合可得：

v=131.53(Q1/3/R)1.6324。

(2)

經(jīng)驗公式擬合結(jié)果如圖11所示。

圖11 經(jīng)驗公式擬合結(jié)果

由式(2)可知，巖石介質(zhì)特征衰減系數(shù)α介于中硬巖類的經(jīng)驗取值，場地系數(shù)K符合現(xiàn)場花崗巖地層的巖性特征，較為準確地反映了隧道掘進過程中的場地條件特征。 因此，采用薩式公式進行擬合，精度較高、相關性較好，揭示了爆破地震波在該地段的傳播特性。在后續(xù)隧道施工過程中可參考該公式對爆破振動參數(shù)進行預判。同時，須繼續(xù)加強中夾巖相關監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果不斷調(diào)整和優(yōu)化爆破參數(shù)，保障隧道施工過程安全。

3 超大跨度隧道中夾巖損傷范圍監(jiān)測分析

大量工程實踐表明，大跨度小凈距隧道在爆破沖擊波和爆破地震波作用下，中夾巖體會產(chǎn)生明顯的損傷效應，且通常是由于多頻次爆破損傷累積作用導致圍巖內(nèi)部各種細觀結(jié)構(gòu)缺陷，如微裂紋、微孔隙相互作用、擴展貫通引起的材料或結(jié)構(gòu)的劣化過程[14]。若僅以某次爆破引起的損傷對中夾巖穩(wěn)定情況進行全面的評定，顯然是有失偏頗的。因此，開展多次爆破作用下中夾巖體損傷研究對保持該小凈距隧道施工穩(wěn)定具有重大意義。此外，采用對拉錨桿加固對抑制中夾巖損傷擴展也發(fā)揮著一定積極作用，但由于其影響因素較復雜，本文未考慮中夾巖加固對振動損傷的影響。

3.1 聲波測試方案

測試采用ZBL-U5200非金屬超聲檢測儀和一發(fā)雙收探頭組成的聲波測試儀，測試時沿中夾巖側(cè)拱腰1.5 m，打設傾角10°、孔徑40 mm、深4 m的監(jiān)測孔，孔間距為5 m，具體鉆孔位置剖面和平面示意分別見圖12和圖13。

圖12 隧道鉆孔位置剖面圖

圖13 先行隧道鉆孔位置平面示意圖(單位： m)

測試時往測孔內(nèi)注滿水，將探頭放至孔底，監(jiān)測孔底處的聲波速度，隨后按一定間隔向孔口移動，并同步記錄數(shù)據(jù)，重復此操作循環(huán)測至孔口。

3.2 測試結(jié)果分析

選擇YK2+640典型斷面里程處數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖14所示。

由圖14可得,隧道拱腰深度為1.5～2.7 m時，巖體聲波速度普遍在5 000 m/s以上，說明此范圍內(nèi)圍巖受爆破影響較小，相對較完整。深度為0.5～1.5 m時圍巖聲波速度從5 000 m/s下降至3 000 m/s左右，如圖14(a)所示，此段聲波速度-沿孔深度關系曲線的斜率較大，反映出聲波速度急劇下降，說明此部分巖體受爆破荷載影響較大，應力波在裂隙巖體中傳播，由于裂隙處存在多個反射面，從而在局部產(chǎn)生應力集中，導致局部過度破碎，圍巖完整性變差。

(a) 中夾巖聲波速度

(b) 側(cè)面聲波速度

側(cè)面巖體整體聲波速度高于中部巖體聲波速度，究其原因是爆破振動和施工擾動導致中夾巖柱發(fā)生整體振動，使得中夾巖柱損傷巖體產(chǎn)生相對運動，此時巖體會沿著初次爆破產(chǎn)生的主裂紋發(fā)生一定程度的擴展。前幾次爆破對巖體聲波速度的影響較為強烈，整體聲波速度跌落幅度較大，在后續(xù)測試中巖體聲波速度逐漸趨于穩(wěn)定，究其原因是隨著掘進施工的不斷進行，掌子面與測試斷面的距離加大，爆破振動和施工擾動對中夾巖影響越來越小，巖體中的主裂紋擴展趨于緩慢，故中夾巖及側(cè)面巖體聲波速度趨于穩(wěn)定。

由圖14可以看出，在經(jīng)過爆破荷載作用后，圍巖聲波速度并不是單調(diào)下降，而是呈現(xiàn)波動式下降。這是因為當掏槽眼炸藥爆炸后，爆破產(chǎn)生氣體在炮孔中發(fā)生等熵絕熱膨脹，周圍巖體在爆破荷載和應力波的作用下產(chǎn)生切向拉應力[15]，在拉應力達到巖體的抗拉強度之后，巖體發(fā)生破裂。由于巖體表面的不規(guī)則性及初始裂縫的不均勻性，應力波傳遞至巖體內(nèi)部的大小也有差異，故導致試驗測得的聲波速度也在一定范圍內(nèi)波動。另外，由于巖體內(nèi)存在結(jié)構(gòu)面，不同的結(jié)構(gòu)面以及不同的初始裂隙發(fā)育程度對應力波及爆炸產(chǎn)生的膨脹氣壓也有一定的影響[16]，導致聲波速度波動式下降。

3.3 巖體損傷分析

基于超聲波測試法，同時根據(jù)爆破前后巖石彈性模量的變化[17]，前人給出了損傷變量D的表征方法，如式(3)所示。

(3)

式中E0、E為爆破前、后巖體的彈性模量。

由于采用光面爆破控制隧道開挖，周邊圍巖的力學參數(shù)在爆破前后不會發(fā)生本質(zhì)上的變化[18]，故假定爆破前后巖體的密度和泊松比近似相等，根據(jù)《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》，爆破前后巖體聲波速度變化率>10%時，即判定巖體發(fā)生損傷破壞[19]。所以，損傷變量

(4)

式中：C為爆破后巖體聲波速度；C0為爆破前巖體聲波速度；η為爆破前后巖體聲波速度變化率。

根據(jù)以上規(guī)范和前人的研究成果，取初次爆破前與多頻次爆破后巖體聲波速度變化的10%作為巖體損傷判據(jù)[20]，其對應的損傷變量為D=0.19，本文取臨界損傷變量D=0.2為判斷巖體損傷的臨界損傷閾值。根據(jù)式(4)得出損傷變量D，結(jié)果見圖15。

圖15 YK2+640中夾巖累積損傷統(tǒng)計圖

由圖15可知： 隨著爆破的不斷進行，圍巖的累積損傷逐漸增大，測點斷面越靠近孔口損傷越嚴重，D值最大達到了0.88，說明此時圍巖損傷已經(jīng)臨近破壞，需加強中夾巖表層加固； 同時越接近中夾巖內(nèi)部，巖體的損傷程度越小。當開挖掌子面逐漸遠離監(jiān)測斷面，測孔的損傷變量范圍并沒有不斷擴大，而維持在1.4～1.6 m，這是由于在爆破振動的作用下，巖體的骨架顆粒之間的錯位運動造成應力波的衰減[21]，從而使內(nèi)部巖體受到地震波的影響較小。該段圍巖損傷范圍在1.5 m左右，基于此后續(xù)中夾巖支護可根據(jù)損傷變量范圍采用合理的支護形式。

4 結(jié)論與討論

綜合現(xiàn)場試驗及現(xiàn)場監(jiān)測，得出以下結(jié)論：

1)小凈距隧道爆破的裝藥量和自由面數(shù)量是影響中夾巖爆破振速的主要原因，通過控制中夾巖側(cè)的裝藥量與設置隔振空孔可以大幅度降低中夾巖的爆破振動效應，優(yōu)化前后振速降低了67.4%，減少了爆破對中夾巖的損傷。

2)薩氏公式對預測大跨小凈距隧道中遠區(qū)中夾巖振動的規(guī)律較為準確，從而可準確把握隧道爆破振動波傳播規(guī)律和爆振次生災害的影響范圍，制定相應的應對措施。

3)隧道鉆爆法施工產(chǎn)生的累積損傷，對中夾巖的穩(wěn)定會產(chǎn)生顯著影響，距離爆源越近，受到的損傷越嚴重，其損傷影響范圍為距圍巖表面1.5 m范圍內(nèi)，后續(xù)應加強該范圍內(nèi)損傷監(jiān)測并進行支護方案優(yōu)化。

由于中夾巖加固形式及作用機制的復雜性，本文沒有考慮中夾巖加固對中夾巖損傷范圍的影響，后續(xù)可以結(jié)合中夾巖加固對中夾巖損傷影響進行進一步探究。