吳純明

（中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 襄陽 441100）

0 引言

復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工的常用方法有明挖法、盾構(gòu)法與鉆爆法等，其中鉆爆法不但能提高隧道施工效率，還能降低施工成本[1]。但在地表建筑物較多、人口密集的市區(qū)中，采用鉆爆法進(jìn)行隧道爆破開挖，由爆破形成的振動(dòng)效應(yīng)會(huì)影響地表建筑結(jié)構(gòu)的安全性。為此，需要研究復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動(dòng)影響規(guī)律，進(jìn)而控制爆破災(zāi)害，達(dá)到降振的目的。本文以某城市隧道為研究對象，研究復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動(dòng)影響及降振技術(shù)。

1 工程概況

以某城市隧道為研究對象，該隧道為高速鐵路隧道，單洞雙線，隧道凈寬12.5m，凈高9m，隧道穿越灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖地層，開挖采用鉆爆法施工，隧道為淺埋隧道，最大埋深80m，出口段300m下穿鄢家花園還建房小區(qū)，最大埋深40m。該隧道的具體參數(shù)見表1。

表1 隧道具體參數(shù)

2 城市隧道施工爆破振動(dòng)影響及降振技術(shù)

2.1 復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動(dòng)影響

2.1.1 對地表建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響

通過FLAC3D有限差分軟件，分析城市隧道施工爆破對地表建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響。炸藥與鉆爆參數(shù)見表2。

表2 炸藥及鉆爆參數(shù)

以出口開挖為例，共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測和分析城市隧道施工爆破對地表建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響，地表建筑結(jié)構(gòu)可承受的最大振動(dòng)速度為1.2cm/s，分析結(jié)果見表3。

表3 爆破施工地表建筑結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點(diǎn)的振速變化情況

根據(jù)表4可知，隧道爆破施工過程中，各監(jiān)測點(diǎn)的地表建筑結(jié)構(gòu)振速變化趨勢基本一致，在X、Y、Z三個(gè)方向上，各監(jiān)測點(diǎn)隨著掌子面里程的提升，均呈先上升后下降的趨勢。在X方向上，當(dāng)掌子面里程為30m時(shí)，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振速均達(dá)到最大值，分別是0.69cm/s、0.98cm/s、0.41cm/s；在Y方向上，當(dāng)掌子面里程為40m時(shí)，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振速均達(dá)到最大值，分別是0.72cm/s、1.05cm/s、1.08cm/s；在Z方向上，當(dāng)掌子面里程為50m時(shí)，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振速均達(dá)到最大值，分別是0.81cm/s、0.82cm/s、0.58cm/s；在X、Y、Z三個(gè)方向上，隧道爆破施工過程中，地表建筑結(jié)構(gòu)的最大振速分別為0.98cm/s、1.08cm/s、0.82cm/s，均在地表建筑結(jié)構(gòu)可承受的最大振動(dòng)速度以內(nèi)，說明隧道爆破施工不會(huì)損壞地表建筑結(jié)構(gòu)。

2.1.2 爆破振動(dòng)對居民心理承受能力的影響

表4 不同影響程度爆破振動(dòng)速度的置信區(qū)間

該隧道上部建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)居住人群，不僅包含青壯年人群，還包含中老年與兒童。為最大程度地降低隧道爆破施工對附近居民的影響，對隧道爆破施工附近居民進(jìn)行了爆破振動(dòng)施工時(shí)的人員心理承受能力調(diào)查工作[2]。調(diào)查過程中，通過考慮調(diào)查居民的年齡、性別與職業(yè)等因素，全面描繪各種人群構(gòu)成特征與測試環(huán)境對隧道爆破振動(dòng)反應(yīng)的差異情況，共設(shè)置4種影響程度級別，分別是無影響、輕微影響、可接受影響、不可接受影響。對隧道爆破施工附近居民共發(fā)放480份問卷調(diào)查，對不同隧道爆破施工振動(dòng)速度的接受程度進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖1所示。

圖1 居民對不同隧道爆破施工振動(dòng)速度的接受程度

根據(jù)圖1可知，隨著隧道爆破施工振動(dòng)速度區(qū)間的提升，無影響等級的居民數(shù)量越來越少，當(dāng)爆破振動(dòng)速度區(qū)間超過0.6~0.8cm/s時(shí)，所有居民均認(rèn)為隧道爆破施工對居民生活有影響，且爆破振動(dòng)速度區(qū)間越高，不可接受影響等級的居民數(shù)量越來越多。

通過t分布曲線對圖1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，劃分各影響程度的振速置信區(qū)間，見表4所示。按照表4的置信區(qū)間，構(gòu)造隧道爆破施工振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果見表5。根據(jù)表5可知，附近居民覺得爆破振動(dòng)速度的可接受范圍是0.80~1.10cm/s，為此，在進(jìn)行隧道爆破施工過程中，考慮爆破施工對居民與地表建筑結(jié)構(gòu)的影響，需將爆破振動(dòng)速度控制在1.10cm/s以內(nèi)，才能最大限度降低對居民與地表建筑結(jié)構(gòu)的影響。

表5 隧道爆破施工振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2 城市隧道施工爆破降振技術(shù)

復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動(dòng)強(qiáng)度的影響因素較多，例如爆破器材、炸藥量與炮孔深度等。城市隧道施工爆破降振技術(shù)主要有：設(shè)計(jì)合理的爆破時(shí)差，選擇合理的爆破參數(shù)，選擇合理的掏槽形式，選擇合理的開挖方式，加強(qiáng)爆破振動(dòng)監(jiān)測等。

2.2.1 設(shè)計(jì)合理的爆破時(shí)差

當(dāng)單段爆破炸藥量一致時(shí)，不同爆破方式形成的地表振速相差較小，這就說明僅有炸藥量會(huì)影響地表振動(dòng)速度。在隧道爆破施工中，通過確保每段雷管內(nèi)包含足夠的起爆時(shí)差，便可有效將地表振速控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，保證爆破振動(dòng)波形不會(huì)出現(xiàn)彼此疊加現(xiàn)象[3]。同時(shí)，爆破時(shí)差不可過大，否則便會(huì)降低爆破效果。通過增加電雷管段數(shù)，爆破時(shí)差可控制在100~150ms之間。

2.2.2 選擇合理的爆破參數(shù)

通過設(shè)置合理的爆破參數(shù)，能夠提升隧道爆破施工質(zhì)量。對隧道爆破施工質(zhì)量影響較多的爆數(shù)有：掏槽形式、炮眼數(shù)量、單孔炸藥量與炮孔深度等[4]。設(shè)置爆破參數(shù)時(shí)，不僅要考慮城市隧道建設(shè)的地質(zhì)條件與隧道斷面尺寸等因素，還要考慮爆破參數(shù)間的相互關(guān)系，以及爆破參數(shù)對爆破質(zhì)量的影響。

2.2.3 選擇合理的掏槽形式

線性布置與線性起爆具備較優(yōu)的啟重作用，為此，選擇線性布置與線性起爆方式，提升炸藥利用率。以不耦合裝藥結(jié)構(gòu)為隧道爆破掏槽眼，這種掏槽眼結(jié)構(gòu)不僅能夠提升爆破效果，還能達(dá)到降振目的。

隧道爆破施工過程中，最大振速的位置為掏槽，為此，按照隧道開挖斷面尺寸選擇復(fù)式楔形掏槽，能提升隧道施工爆破的降振效果。

2.2.4 選擇合理的開挖方式

選擇合理的開挖方式，可降低單管裝藥量，控制爆破規(guī)模。因?yàn)槌鞘兴淼罏闇\埋隧道，其上半斷面圍巖軟弱，炸藥量需求較少，所以采用人工開挖方式，上半斷面開挖結(jié)束后，為下半斷面爆破形成有利的臨空面，利于提升隧道爆破施工振動(dòng)的降振效果。當(dāng)隧道開挖地層較硬時(shí)，選擇反臺(tái)階法預(yù)留光爆層施工方式，在最下層放置掏槽，提升掏槽部位的爆心距。

2.2.5 加強(qiáng)爆破振動(dòng)監(jiān)測

隧道爆破施工時(shí)，通過計(jì)算爆破振動(dòng)速度V，實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道爆破施工時(shí)的振動(dòng)情況，將爆破施工振動(dòng)速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。爆破振動(dòng)速度V的計(jì)算公式如下：

式中：Q——最大單段炸藥量；

R——爆心距；

G——與爆破方式相關(guān)的待定系數(shù)；

A——與地質(zhì)條件相關(guān)的待定系數(shù)。

應(yīng)用上述降振技術(shù)設(shè)計(jì)該隧道爆破施工的降振爆破參數(shù)，其中，爆破段位數(shù)量為11段，設(shè)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 爆破降振參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用本文技術(shù)設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，該隧道爆破施工時(shí)的振動(dòng)速度變化情況分析結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)圖2可知，應(yīng)用本文技術(shù)設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)后，該隧道爆破施工過程中，3個(gè)方向的振動(dòng)速度變化趨勢基本一致，X方向的最大振動(dòng)速度在0.59cm/s；Y方向的最大振動(dòng)速度在0.82cm/s；Z方向的最大振動(dòng)速度在0.70cm/s；3個(gè)方向上的最大振動(dòng)速度均未超過1.10cm/s，符合復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)。對比表4可知，應(yīng)用本文技術(shù)后的最大振動(dòng)速度明顯低于應(yīng)用前，說明本文技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)隧道施工爆破的降振目的。

圖2 應(yīng)用本文降振技術(shù)后的振速波形變化曲線

4 結(jié)束語

受工程地質(zhì)條件影響，部分城市隧道施工需采用爆破施工方式，但爆破施工會(huì)影響隧道地表建筑結(jié)構(gòu)的安全性，為此，本文研究復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動(dòng)影響及降振技術(shù)，為提升城市隧道施工爆破降振效果提供技術(shù)支撐。試驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用本文技術(shù)設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)后，該隧道在X、Y、Z三個(gè)方向上的最大振動(dòng)速度分別是0.59cm/s、0.82cm/s、0.70cm/s，均明顯低于應(yīng)用本文技術(shù)前，說明本文技術(shù)具備較優(yōu)的隧道施工爆破降振效果。