隧道爆破振動(dòng)對(duì)上部高壓鐵塔的影響分析

孟 琦，邱明燦，薛建峰,李永軍

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院， 安徽 淮南市 232001; 2.山西江陽(yáng)工程爆破有限公司,山西 太原 030041； 3.特種作戰(zhàn)學(xué)院， 廣東 廣州 510000)

目前國(guó)內(nèi)外隧道仍然主要采用鉆爆法開(kāi)挖施工方式。由于高鐵和地鐵的隧道斷面面積大，一般在隧道中采用多斷面分期鉆爆法，造成整個(gè)隧道及其周?chē)纳襟w多次受到爆破震動(dòng)的影響。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)于爆破震動(dòng)的研究表明[1-2]，淺埋隧道地段地表附近建(構(gòu))筑物受爆破擾動(dòng)的影響尤其明顯。假如隧道上部有重要的輸電線路鐵塔時(shí)，爆破振動(dòng)可能導(dǎo)致塔基下沉或傾斜，因此對(duì)鐵塔塔基的爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)尤為重要。本文實(shí)測(cè)了長(zhǎng)湘高速公路李家沖隧道爆破振動(dòng)峰值，采用塔基“H”型加固及改進(jìn)施工方法等措施減少隧道爆破對(duì)山體上部鐵塔振動(dòng)的影響，保證了輸電鐵塔基礎(chǔ)不受損害。

1 工程概況

長(zhǎng)湘高速公路李家沖隧道位于長(zhǎng)沙市西南側(cè)岳麓區(qū)，長(zhǎng)沙端進(jìn)口洞門(mén)位于蓮花鄉(xiāng)華寶村李家沖東南側(cè)，距機(jī)耕路約200 m，湘潭端出口洞門(mén)位于蓮花鄉(xiāng)華寶村江家沖西北側(cè)，距機(jī)耕路200 m，交通條件較差。隧道左洞長(zhǎng)115 m，右洞長(zhǎng)180 m，隧道設(shè)計(jì)采用雙向六車(chē)道、設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h。隧道區(qū)地貌屬剝蝕丘陵地貌，山體形態(tài)不規(guī)則，其山脈為北西走向，洞身橫穿山體鞍部，山坡植被茂密，溝谷發(fā)育，地形切割強(qiáng)烈，起伏變化較大，地面高程變化在120～170 m之間。隧道設(shè)計(jì)凈寬17.5 m，凈高10.8 m，最大埋深位于K147+120處，埋深39 m。李家沖隧道圍巖為板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖，與次級(jí)向斜大角度相交通過(guò)，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，結(jié)構(gòu)面主要為節(jié)理、裂隙及層面，巖層走向與洞軸線大角度相交。隧道洞身圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，圍巖穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)條件較差。根據(jù)長(zhǎng)湘高速公路李家沖隧道上部高壓鐵塔鑒定報(bào)告并按照《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)的相關(guān)規(guī)定，高壓鐵塔處爆破振速應(yīng)控制在3.5 cm/s以下，以確保高壓鐵塔的安全[3]。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)

2 高壓鐵塔加固及隧道施工

爆破減震措施大致有3種：一是針對(duì)爆源所采取的控制措施，比如干擾降震法[4]，控制最大段藥量，改變爆破方式及參數(shù)[5-6]等；二是針對(duì)受控對(duì)象所采取的措施，如增加吸震器或改變受震結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)特性，如果是混凝土結(jié)構(gòu)，還可以在混凝土中添加早強(qiáng)劑；三是針對(duì)爆破地震波在傳播過(guò)程中所采取的措施，如開(kāi)挖減震溝槽[7-8]，增加臨空面，減小夾制等。

2.1 高壓鐵塔塔基加固措施

李家沖隧道上方高壓鐵塔共有4個(gè)基座，塔基采用“H”形框架梁加固(見(jiàn)圖2)，以提高鐵塔整體的剛度，也使各個(gè)塔基的受力更加均勻。在四個(gè)塔基之間采用地下連續(xù)墻加固措施，即使用挖槽機(jī)械，借助泥漿的護(hù)壁作用，在塔基處挖出深而窄的溝槽，并在溝槽內(nèi)澆筑水泥等材料形成一道具有防滲水、檔土和承重功能的連續(xù)地下墻體。塔基改造加固歷時(shí)12 d，在框架梁強(qiáng)度達(dá)到要求后，先開(kāi)挖距離鐵塔較遠(yuǎn)的右洞，后開(kāi)挖左洞。

圖2 高壓鐵塔塔基“H”型加固結(jié)構(gòu)

2.2 施工方案

爆破施工采用三臺(tái)階分布開(kāi)挖方式。上臺(tái)階爆破掌子面預(yù)留核心土，保持圍巖的穩(wěn)定性，減少爆破對(duì)圍巖的影響。由于中、下臺(tái)階爆破掌子面面積小，自由面多，夾制少，所以對(duì)中、下臺(tái)階爆破，不必做過(guò)多減震措施。

2.2.1 鉆鑿空孔

在掏槽眼附近鉆鑿中心空炮眼，以增加掏槽爆破的臨空面積，減小巖石夾制，空孔深度與掏槽眼深度相通。并且掏槽眼深度比輔助眼深10 cm左右，以減小輔助眼和周邊眼的夾制，降低輔助眼和周邊眼的爆破震動(dòng)效應(yīng)，炮眼布置見(jiàn)圖3。

2.2.2 改變鉆爆設(shè)計(jì)

從鉆爆設(shè)計(jì)著手進(jìn)行降震研究，包括調(diào)整炮孔起爆順序、改變起爆方式等等，其根本目的都是控制最大段藥量和爆破規(guī)模，減小對(duì)圍巖和襯砌的損傷。在原有的鉆爆設(shè)計(jì)中，周邊眼統(tǒng)一用13段雷管引爆，單響藥量比較大，周邊眼爆破對(duì)近處襯砌的影響比較大。從控制最大段藥量的角度出發(fā)，可以把周邊眼由13段雷管統(tǒng)一引爆改為分開(kāi)引爆，從兩肩處向拱頂和拱腳處采用5、7、9、11、13段雷管引爆炸藥，把原來(lái)同時(shí)起爆的周邊眼改為分開(kāi)延時(shí)起爆。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大段藥量占總藥量的比例由原來(lái)的0.3降低為0.191，這樣的設(shè)計(jì)使得最大段藥量向低段別轉(zhuǎn)移，其起爆位置轉(zhuǎn)移到掌子面靠中心的位置，有助于地震波峰值的衰減(見(jiàn)圖4)。

圖3降震優(yōu)化后的炮眼布置

注：：圖中數(shù)字代表雷管段別

2.2.3 改變上臺(tái)階核心土尺寸

有關(guān)研究表明，有自由面爆破的震動(dòng)速度一定比離自由面較遠(yuǎn)的夾制爆破產(chǎn)生的震動(dòng)速度小，而且基本上是離自由面越遠(yuǎn)，夾制作用越大，產(chǎn)生的爆破震動(dòng)越強(qiáng)。因此改善臨空面條件、減小最小抵抗線也能起到降低爆破震動(dòng)的作用[9]。根據(jù)這一原理，可以將核心土的高度增加，拱頂部分的爆破面積會(huì)相應(yīng)減小，爆破藥量也會(huì)相應(yīng)減小，從而起到減小爆破震動(dòng)的作用。另一方面，核心土爆破具有3個(gè)自由面，幾乎沒(méi)有夾制作用，產(chǎn)生的爆破震動(dòng)不大而且只有很少一部分會(huì)傳播到襯砌上。因此，增大核心土的比重，將原本屬于爆破掌子面爆破的部分劃分給核心土，在一定程度上可以起到降低爆破震動(dòng)的作用。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

3.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

結(jié)合測(cè)振目的及測(cè)點(diǎn)布置基本原則，并在高壓鐵塔4個(gè)塔基處布置4個(gè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)采用的儀器為加拿大Instantel公司生產(chǎn)的BlastmateIII爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。在實(shí)施保護(hù)措施以后，對(duì)鐵塔塔基和隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了七次跟蹤監(jiān)測(cè)，分別對(duì)裝藥量、爆點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)的距離(簡(jiǎn)稱(chēng)爆心距)、爆破振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率進(jìn)行了記錄，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 數(shù)據(jù)分析

(1)采取塔基加固措施及改變施工方案后，實(shí)測(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值為2.58 cm/s，在《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)規(guī)定的3.5 cm/s范圍之內(nèi)，即隧道爆破振動(dòng)對(duì)高壓鐵塔的影響被控制在安全范圍之內(nèi)。

圖4 同一爆源不同測(cè)點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)振速與爆心距關(guān)系

(2)表1中2號(hào)爆源數(shù)據(jù)單段最大裝藥量為48 kg，1、2、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)距爆心距離分別為17，16.5，17.5，18 m，質(zhì)點(diǎn)振速峰值分別為2.52，2.58，2.40，2.20 cm/s，爆破振速與測(cè)點(diǎn)距爆心距離呈反比關(guān)系。對(duì)比分析其他爆源數(shù)據(jù)可知：在同一爆源不同測(cè)點(diǎn)處，質(zhì)點(diǎn)峰值爆破振動(dòng)速度隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)距爆心距離減小而增大，如圖4所示。

(3)表1中2、5、6號(hào)爆源單段最大藥量均為48 kg，如2號(hào)測(cè)點(diǎn)爆心距分別為16.5，19.5，20.5 m，爆破振速峰值為2.58，1.88，1.79 cm/s，爆破振速隨爆心距的增大而減小。對(duì)比分析1、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)，可知：不同爆源同一測(cè)點(diǎn)，單段最大藥量相同，質(zhì)點(diǎn)峰值爆破振速隨爆心距的增大而減小。

表1 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié) 論

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)的規(guī)定，對(duì)長(zhǎng)湘高速公路李家沖隧道上方高壓鐵塔采取加固及優(yōu)化施工方案等措施，分析實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：

(1) 高壓鐵塔塔基處采取“H”型框架梁加固措施，并在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，采取了鉆鑿空孔、改變鉆爆設(shè)計(jì)與改變上臺(tái)階核心土尺寸等施工方案，成功將塔基處爆破振動(dòng)速度控制在2.58 cm/s以?xún)?nèi)，既保證了高壓鐵塔的安全又實(shí)現(xiàn)了隧道的快速施工。

(2) 爆破減震措施在李家沖隧道施工過(guò)程中取得了良好的效果，例如采用鉆鑿中心空炮眼、多段別雷管分開(kāi)起爆、增加核心土高度等措施，較為有效的降低了爆破振動(dòng)效應(yīng)。

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