劉俊LIU Jun

（北京建工集團（廣州）建設有限公司，廣州 510000）

0 引言

隧道爆破施工是大型隧道工程中常用的方法之一，然而，爆破振動對周圍環(huán)境和建筑物可能造成不可忽視的影響，甚至可能引發(fā)安全問題。因此，研究和開發(fā)有效的隧道爆破減震技術顯得尤為重要。隨著科技的發(fā)展和對工程安全性要求的提高，各種減震技術被提出并應用于實際工程中。本文將針對隧道爆破減震技術展開深入的研究，通過實驗和數(shù)據(jù)分析，驗證減震技術的有效性和可行性，為隧道施工提供更加安全、高效的爆破方案。

1 爆破與監(jiān)測的工程背景和方案

1.1 工程背景

廣州市軌道交通五號線東延段及同步實施工程雙崗站～廟頭路站暗挖區(qū)間隧道，為4 線折返，總長度為273.14m，區(qū)間埋深為16.5～35.3m 之間，穿越地層主要為中風化花崗巖、微風化花崗巖，地下水主要為第四系地層孔隙潛水、基巖裂隙水，局部分布第四系土層上層滯水。

1.2 爆破方案

爆破方案的制定是工程施工中至關重要的一環(huán)，它需要根據(jù)諸多因素如水文地質(zhì)條件、圍巖等級等來進行綜合考慮。本工程選用了兩步法進行施工，上段單循環(huán)進尺為2.4m，下段為3.0m。為了實現(xiàn)準確的巖石破碎，采用了直徑為40mm 的YT-28 型鑿巖機。為了保障爆破的效果，炸藥選擇了具備防水性能的RJ-2 型乳化炸藥。在具體的爆破孔組設計中，上部爆破孔和凹槽的布置采用了圖1 所示的方案。針對爆破孔的直徑，周圍爆破孔組的直徑為25mm，而其他爆破孔組的直徑為32mm。此外，為了保證爆破效果，爆破孔之間的距離也進行了精確的設計，包括爆破孔間距為50cm，內(nèi)環(huán)爆破孔間距為120cm，垂直爆破孔間距為20cm，以及底板爆破孔間距為100cm。爆破過程中使用了普通毫秒起爆工業(yè)8 號雷管，采用了分段爆破的方式（圖中1－15），共分為1 至15 節(jié)進行分段。為了實現(xiàn)爆破效果的控制，采用了光面爆破技術，同時外圍爆破孔采用非耦合裝藥，間隔分量加載的策略也得以應用。

圖1 上部爆破孔和凹槽的布置圖

1.3 現(xiàn)場監(jiān)控方案

現(xiàn)場監(jiān)控方案在工程實施過程中具有至關重要的作用，尤其是在涉及爆破作業(yè)的情況下。合理布置測量點對于準確監(jiān)測振動傳播以及分析其規(guī)律至關重要。在進行隧道開挖工程至DK42+430 段的爆破試驗區(qū)時，一個科學合理的監(jiān)控方案得以制定并付諸實施，其中對于測量點的布置進行了特別的考慮。

針對爆破減振的要求，爆破方案需要在保證施工效果的前提下，盡可能減小振動對周圍環(huán)境的影響。在實際操作中，單級大楔形切割爆破可以取得較好的效果，但同時也伴隨著炸藥使用量較大和夾巖效應較強的問題。為了減小振動強度，需要在設計過程中充分考慮減振措施，而這也需要對減振方案進行詳細的設計與分析。

在減振方案設計中，采用多級切割方案以降低各級切割的裝藥量，同時上級切割的爆破可以為下級切割提供自由表面，從而減小夾巖效應。這種合理的減振方案設計有助于在爆破過程中減小振動對周圍環(huán)境的影響。

同時，在實際監(jiān)測中，測量點的布置也顯得尤為重要。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，將增強型TC-4850 爆破地震儀安裝在工作面前方的中心線上方，分別距離工作面0m、15m、25m、45m 和60m 的位置。這樣的布置方式能夠捕捉到不同距離下振動傳播過程的變化，提供更為全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

這些地震儀具備三個通道，分別為水平方向的x 和y通道，以及垂直方向的z 通道。這種多通道的設計使得地震儀能夠同時收集來自不同方向的振動數(shù)據(jù)，包括粒子速度、主頻率和持續(xù)時間等關鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)的采集有助于更準確地分析爆破引發(fā)的地震波在多個方向上傳播的規(guī)律，從而為工程實施提供更為可靠的數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，現(xiàn)場監(jiān)控方案的制定和測量點的合理布置對于爆破工程的減振效果和環(huán)境影響有著重要的影響。通過科學的方案設計和仔細的測量點布置，可以更好地控制爆破引起的振動影響，保障施工的安全性和環(huán)境可持續(xù)性。

2 爆破減振方案設計與分析

單級大楔形切割爆破效果較好，但由于炸藥數(shù)量較多，夾巖效應也較強，導致振動強度非常強。因此，為了達到爆破減震的目的，對爆破減振方案進行了設計與分析。

2.1 爆破減振方案

采用多級切割可以減少各級切割的裝藥量，且上級切割爆破可以為下級切割爆破提供自由表面，大大降低了夾巖效應。因此，爆破減振方案如表1 所示。

表1 爆破減振方案技術方案

多級復合楔形切割技術是一種在爆破領域廣泛采用的方法，它以其出色的減振效果而聞名。然而，采用這種引人注目的方法可能會面臨一些挑戰(zhàn)。其中之一是在實際應用中，為了達到預期的減振效果，可能需要使用1-7 節(jié)雷管，這導致了一個問題：后續(xù)的孔雷管段可能會出現(xiàn)不足的情況。因此，在采用多級復合楔形切割技術時，需要仔細權衡減振效果和雷管使用量之間的平衡。

預設的隔振孔涉及圍繞開挖邊界或主爆炸區(qū)鉆出的密集孔。每隔一個隔振孔就放進去一個鋼管，并且管壁上沒有開口。爆破地震波的傳播特性主要取決于介質(zhì)的波阻抗特性。當隧道開挖剖面設置阻尼孔時，爆破振動波到達阻尼孔時，由于波阻抗特性的差異，振動波會產(chǎn)生反射和透射。拉伸波將返回爆炸區(qū)，而一部分壓縮波將被傳輸，傳輸波強度將減弱，從而減少了隔離帶后面的振動。在切割爆破中，空孔可以為爆破提供自由表面，減少夾巖的產(chǎn)生，增加巖石破碎和膨脹的補償空間，改變局部阻力線，有利于切割效果的實現(xiàn)。因此，隔振孔可以達到更好的減振效果。

通過引入這些爆破減振技術，將臺階上的爆破開挖區(qū)劃分為6 個爆破區(qū)。每個爆破區(qū)均采用外空差速爆破技術，并采用成堆孔。使用不同的延遲雷管連接外部空氣中的雷管。雷管在空氣外延時間中的延遲時間應根據(jù)每個爆破區(qū)差速爆破的延遲時間計算確定，以避免重炮現(xiàn)象，導致爆破振動過大。根據(jù)隧道段大小和單循環(huán)穿透深度，劃分了爆破區(qū)，能夠進一步優(yōu)化爆破方案，減少對周圍環(huán)境和建筑物的影響，提高施工的安全性和可控性。同時，也可以針對不同情況采取相應的措施，以確保爆破施工過程中的振動和震動不會對周邊建筑物和結構造成損害。

布孔減震技術能夠在爆破施工過程中顯著減少振動和震動的影響，有效保護周邊環(huán)境和建筑物的安全，同時提高爆破施工的可控性和效率。這種技術在實際工程中的應用將為爆破施工提供更可靠的減震解決方案。

2.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)分析

采用隧道區(qū)爆破減振方案后，在爆破控制區(qū)內(nèi)，1 棟建筑距離隧道拱門垂直方向約32m，距離隧道中線水平方向約47m。采用了TC-4850 監(jiān)測儀器對該建筑基礎的顆粒速度進行了9 次觀測。爆破振動的時間歷程曲線如圖2所示。

圖2 爆破振動的時間歷程曲線

從監(jiān)測結果可以看出，采用分區(qū)爆破阻尼模型能夠較好地實現(xiàn)爆破的振動控制。最大垂直速度為1.12cm/s，低于振動速度控制標準值1.2cm/s，比振動控制理想值8.0cm/s低了9 倍。爆破最大粒子振動速度對應的頻率主要集中在44.3-86.4Hz 的高頻范圍內(nèi)，與建筑物的固有振動頻率相差甚遠。

從爆破振動的時間歷程曲線可以看出，隨著時間的變化，爆破振動存在許多峰值，但爆破振動強度明顯降低。通過區(qū)域爆破技術減少各段炸藥量，交錯爆破峰值。隔振孔降低了爆破傳播過程中爆破振動的強度。爆破的最大振動仍主要由切割噴砂引起，但由于多級復合切割噴砂，切割拋丸引起的振動峰值較多。同時可以看出，第一階段沒有出現(xiàn)最大峰值，主要是因為采用了中心淺孔領先技術。

2.3 減震模型爆破信號的頻譜分析和時能分析

利用MATLAB 軟件編寫了傅里葉變換和功率譜密度程序，對振動信號進行了傅里葉變換并計算了其功率譜密度。同時，使用MATLAB 軟件編譯了分析程序，采用db8作為小波函數(shù)，將爆破信號分析為時間-能量分布圖，如圖3 所示。

圖3 爆破振動信號時能分布圖

從爆破振動信號的功率譜密度圖可以看出，爆破振動信號在頻域中分布廣泛，但主要集中在45-70Hz 和110-120Hz 兩個頻域內(nèi)。在主頻域中出現(xiàn)了多個主頻，其中在45-70Hz 頻域中出現(xiàn)了一個非常明顯的凸峰，該峰對應的頻率為55Hz。因此，分區(qū)爆破減振技術產(chǎn)生的振動主要頻率與建筑物的固有頻率相去甚遠，不會引起共振現(xiàn)象。

從時能關系圖可以看出，采用分區(qū)爆破技術后爆破振動信號的能量值減小。雖然爆破能量主要來自切割爆破（0-120ms 周期），但后續(xù)爆破能量值非常小。在爆破能量隨時間的變化中，有多個峰值，每個峰值都表示在炸藥引爆的相應時刻能量的突然變化。與爆破延遲時間相比，可以發(fā)現(xiàn)能量峰值對應的時間與爆破雷管延遲時間一致，說明采用分區(qū)爆破技術可以有效實現(xiàn)爆破能量的延遲釋放，從而減小爆破振動的峰值。

3 結束語

本研究通過對隧道爆破減震技術的探討和實驗驗證，證明了多級復合楔塊技術、隔振孔技術、隧道區(qū)爆破減振技術和布孔減震技術在減少爆破振動對周圍環(huán)境的影響方面的有效性。通過頻譜分析和時能分析，得出了減震方案對爆破振動能量和頻率的有效控制，確保了爆破施工的安全性和高效性。然而，仍有一些挑戰(zhàn)和改進空間，如減震技術在不同地質(zhì)條件下的適用性、施工成本和實施難度等方面需要進一步研究和改進。未來，我們將繼續(xù)致力于隧道爆破減震技術的研究，不斷完善和優(yōu)化減震方案，為大型隧道工程的安全施工貢獻更多的科研成果。