小間距并行隧道施工爆破振動控制技術(shù)試驗(yàn)研究

孫崔源,張民慶，郭云龍,孟海利，薛 里

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵路總公司 工程管理中心，北京 100844)

隧道在我國的交通運(yùn)輸中起到越來越重要的作用。很多緊鄰既有隧道的新建工程施工或多或少都會對既有隧道產(chǎn)生影響，其中較為典型的工程有并行、上跨和下穿既有隧道爆破施工[1-4]。

爆破施工過程中產(chǎn)生的振動會對相鄰隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生突出影響。例如日本荻津公路初狩隧道、意大利的Locoo Colio公路隧道[5]，國內(nèi)的西康線水溝隧道、湘黔鐵路增建Ⅱ線坪口隧道、流潭隧道等在爆破施工過程中均發(fā)生過振動引起既有隧道襯砌開裂、剝落等現(xiàn)象[6]。由此可見，在緊鄰既有隧道爆破施工過程中，若不采取控爆措施則很有可能對既有隧道產(chǎn)生危害。

目前對小間距并行隧道施工過程中的控制爆破技術(shù)研究還不足。因此，本文針對緊鄰既有隧道爆破施工，開展普通導(dǎo)爆管雷管起爆和數(shù)碼電子雷管起爆現(xiàn)場對比試驗(yàn)研究。

1 工程概況

選取京張高速鐵路八達(dá)嶺地下隧道群中的三洞分離區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。京張高速鐵路八達(dá)嶺火車站位于八達(dá)嶺隧道群內(nèi)，車站規(guī)劃總長470 m，總建筑面積3.6萬m2，車站主體隧道平均埋深約100 m，建成后將成為國內(nèi)埋深最深的高速鐵路車站。三洞水平間距2.2～6.0 m，開挖順序?yàn)橄乳_挖左右線隧道，后開挖中線隧道。

三洞分離區(qū)間長400 m，圍巖等級包括Ⅱ,Ⅲ和Ⅴ級圍巖(如圖1所示)。本次現(xiàn)場試驗(yàn)在中線Ⅲ級圍巖段開挖時(shí)進(jìn)行。

圖1 三洞分離區(qū)間圍巖等級劃分

三洞分離區(qū)間中線隧道與左右線隧道之間，設(shè)計(jì)保留原有巖體，保留巖體的最小厚度為2.2 m，最大厚度為6.0 m。三洞的總寬為51.44 m，洞高最大為12.10 m?，F(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)左右線隧道上臺階爆破開挖已完成，試驗(yàn)測點(diǎn)選在左右線隧道迎爆側(cè)邊墻處。

2 普通導(dǎo)爆管雷管起爆現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 測點(diǎn)的布設(shè)與監(jiān)測

爆破振動測點(diǎn)布設(shè)在左線隧道迎爆側(cè)的邊墻洞壁上，見圖2。圖中待爆破掌子面為中線隧道上臺階，左線隧道為先行線，中線隧道與左線隧道之間保留巖體的厚度為5.5 m。

圖2 待爆破掌子面與測點(diǎn)的位置關(guān)系(單位：m)

圖3 各測點(diǎn)位置關(guān)系(單位：m)

根據(jù)現(xiàn)場情況，共設(shè)置了7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)編號為1#—7#。各測點(diǎn)位置關(guān)系見圖3。其中1#測點(diǎn)與連接通道壁的距離為2.0 m，各測點(diǎn)距下臺階的高度均為1.6 m。試驗(yàn)時(shí)采用了TC-4850爆破振動測試儀，根據(jù)掌子面的推進(jìn)情況進(jìn)行爆破振動監(jiān)測。

2.2 爆破參數(shù)和監(jiān)測設(shè)備

普通導(dǎo)爆管雷管起爆進(jìn)行了3組試驗(yàn)。每組試驗(yàn)的爆破參數(shù)見表1。其中裝藥量為對應(yīng)各段雷管的總裝藥量，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際裝藥量統(tǒng)計(jì)得到。第1組試驗(yàn)總裝藥量為120 kg，采用1，5，7，9和11段雷管起爆；第2組試驗(yàn)總裝藥量為144 kg，采用1,3,5,7和9段雷管起爆；第3組總裝藥量為120 kg，采用1,10,12和13段雷管起爆。

表1 爆破參數(shù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過現(xiàn)場3組試驗(yàn)，得到了相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)處3個(gè)方向的振動速度和合速度波形圖。圖4為各組代表性測點(diǎn)的合速度波形。

圖4 代表性測點(diǎn)合速度波形

從圖4中可知：3組振動速度最大值都出現(xiàn)在1段，對應(yīng)的是掏槽處的爆破振動速度，最大的合速度為23.93 cm/s。

將3組試驗(yàn)各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測的振動速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯弘S著距掌子面距離的增大各方向的振動速度均減小，迎爆側(cè)洞壁處的最大振動合速度可達(dá)23.93 cm/s。

表2 振動速度統(tǒng)計(jì)

對現(xiàn)場實(shí)測的掏槽處普通導(dǎo)爆管雷管爆破產(chǎn)生的振動速度(見表3)進(jìn)行擬合分析。擬合公式采用薩道夫斯基公式[7]，即

(1)

表3 掏槽處起爆各測點(diǎn)振動相關(guān)參數(shù)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動合速度，cm/s；Q為最大單段裝藥量，kg；R為測點(diǎn)到爆源中心的距離，m；K,α分別為與地形地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

將表3中數(shù)據(jù)代入式(1)進(jìn)行擬合，得到掏槽處采用普通導(dǎo)爆管雷管起爆時(shí)產(chǎn)生的振動速度擬合曲線。通過擬合曲線回歸，得到了京張高速鐵路八達(dá)嶺地下車站三洞分離區(qū)間處與地形地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)K和衰減指數(shù)α分別為140.41和1.41，即相應(yīng)公式為

(2)

在后續(xù)的爆破施工中可采用式(2)進(jìn)行爆破振動速度預(yù)測。

3 數(shù)碼電子雷管起爆現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 測點(diǎn)的布設(shè)與監(jiān)測

在中線隧道與右線隧道的連通通道底部布設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，在右線隧道迎爆側(cè)洞壁處布設(shè)4個(gè)測點(diǎn)，見圖5。采用TC-4850爆破振動測試儀進(jìn)行監(jiān)測。

圖5 測點(diǎn)的位置情況(單位：m)

3.2 爆破參數(shù)

現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，炮孔間采用了4種不同延期時(shí)間。炮孔直徑為42 mm，總裝藥量為240 kg，炮孔總數(shù)為122個(gè)，炮孔深度為3.5 m?，F(xiàn)場試驗(yàn)爆破參數(shù)見表4。

表4 數(shù)碼電子雷管起爆爆破參數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

數(shù)碼電子雷管起爆測點(diǎn)振動速度見表5。

表5 數(shù)碼電子雷管起爆測點(diǎn)振動速度

可以看出：數(shù)碼電子雷管起爆時(shí)最大振動速度在連通通道底部2#測點(diǎn)處z方向，其值為14.53 cm/s。

將不同測點(diǎn)各方向振動速度進(jìn)行矢量合成得到合速度波形，見圖6。

圖6 數(shù)碼電子雷管起爆各測點(diǎn)合速度波形

通過表4和圖6可以看出：擴(kuò)槽孔和周邊孔爆破時(shí)采用的孔間延期時(shí)間分別為20 ms和6 ms，其產(chǎn)生的振動波在400～900 ms與 1 550～1 856 ms;與其他類型炮孔爆破的相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的最大合速度相比，這2種 類型的炮孔爆破產(chǎn)生的振動速度較大，合速度最大值為16.2 cm/s?，F(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，掏槽處爆破采用的孔間延期時(shí)間為15 ms，其產(chǎn)生的振動合速度最大值為12.80 cm/s。

3.4 結(jié)果對比

通過對比2種起爆方式的合速度波形圖可以看出，在整體上數(shù)碼電子雷管起爆產(chǎn)生的最大合速度要小于普通導(dǎo)爆管雷管。主要原因是普通導(dǎo)爆管雷管起爆時(shí)，炸藥能量集中釋放和相鄰炮孔爆破產(chǎn)生的振動波相互疊加。若普通導(dǎo)爆管雷管起爆采用與數(shù)碼電子雷管起爆試驗(yàn)時(shí)相同的爆破參數(shù)，通過式(2)計(jì)算，得到掏槽處爆破產(chǎn)生的振動合速度為22.77 cm/s。與普通導(dǎo)爆管雷管起爆相比，數(shù)碼電子雷管起爆掏槽處爆破產(chǎn)生的振動合速度可降低43.78%。

4 結(jié)論

1)通過普通導(dǎo)爆管雷管起爆的3組試驗(yàn)，爆破3個(gè)方向的振動速度隨著距離的增加不斷減小，其中掏槽處爆破產(chǎn)生的振動速度最大，將各測點(diǎn)掏槽處爆破產(chǎn)生的振動速度進(jìn)行擬合回歸，得到了掏槽處爆破產(chǎn)生的振動速度在鄰近既有隧道迎爆側(cè)洞壁的傳播規(guī)律，可用公式v=140.41(Q1/3/R)1.41表示。

2)采用相同的起爆參數(shù)，與普通導(dǎo)爆管雷管起爆相比，數(shù)碼電子雷管起爆振動合速度會明顯降低，其中掏槽處爆破產(chǎn)生的振動合速度可降低43.78%。

3)緊鄰既有隧道控制爆破施工時(shí)，采用數(shù)碼電子雷管起爆可以有效降低爆破振動對既有隧道的影響。