切縫藥包預(yù)裂爆破減振技術(shù)試驗研究

楊仁樹，車玉龍，馮棟凱，王強勛

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

在城市地鐵建設(shè)中，因造價低、拆遷少、所需專用設(shè)備少等特點，鉆爆法廣泛應(yīng)用于地鐵爆破開挖的施工[1-2]。爆破開挖對地表建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的震動危害亦愈受重視,如何將爆破震動災(zāi)害降至最低已為工程界、學(xué)術(shù)界所關(guān)注[3-9]。地鐵區(qū)間隧道爆破主要面臨爆破振速滿足設(shè)計要求、周邊成型達到設(shè)計要求及安全高質(zhì)高效施工等三方面。其中爆破振速為首控因素。為降低爆破振速，陳慶等[10]從合理微差時間、單段起爆藥量、微差起爆、掘進進尺及預(yù)裂爆破等五方面提出爆破減振技術(shù)措施；張永興等[11]針對開挖順序提出減振措施；傅洪賢等[12]研究表明電子雷管降振效果良好，但成本較高。以上均以開挖掌子面全部炮眼為研究對象，而實際的城市地鐵隧道爆破施工中，掏槽眼爆破所致爆破振動最大，降低該振速在一定程度相當(dāng)于降低峰值最大振速，常規(guī)降振方法[13]為減小循環(huán)進尺(但會影響工期)及改變掏槽方式[14]。如采用大空孔直眼掏槽[15]或分級復(fù)式楔形掏槽[16]等方式，其缺點是增加打眼時間，間接影響工期。采用預(yù)裂爆破既不改變掏槽方式，亦無需減小循環(huán)進尺，但周邊眼預(yù)裂爆破因炮眼多、藥量大及自由面少等因素，導(dǎo)致預(yù)裂爆破本身振動較大，故較少采用[17]。楊仁樹等[18-20]通過對切縫藥包(聚能管)定向斷裂爆破研究應(yīng)用表明，切縫藥包在切縫處具有能量匯聚作用，而在非切縫處能保護被爆巖體，有助于實現(xiàn)預(yù)裂爆破。

基于上述研究成果，結(jié)合青島地鐵3號線爆破施工，本文提出新的減振措施，即采用切縫藥包在掏槽眼上方一定距離處，橫向布置數(shù)個炮孔進行預(yù)裂爆破，使掏槽眼與保護區(qū)之間形成具有一定寬、深度的預(yù)裂縫，以阻礙、隔斷掏槽眼爆破產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波向上傳播，降低掏槽眼爆破振速，因而降低峰值振動速度。該方法既能保證循環(huán)進尺，又無需對掏槽方式進行大改變，故能實現(xiàn)安全高效施工。

1 切縫藥包預(yù)裂爆破減振原理

圖1 地震波繞過預(yù)裂縫

用切縫藥包對掏槽眼上方預(yù)裂孔實施爆破，使其在預(yù)裂孔位置形成爆炸裂縫及裂隙區(qū)；再爆破掏槽眼，其產(chǎn)生的應(yīng)力波由兩部分[21]組成，一部分直接傳播到預(yù)裂縫下表面，在界面處發(fā)生反射、折射及透射，消耗大部分地震波能量，進入保護區(qū)能量較小，可有效降低保護區(qū)振動；一部分繞過預(yù)裂縫進入上表面向上傳播，其地震波強度亦被削弱，見圖1。故預(yù)裂縫的存在將減少、阻礙地震波向上傳播，導(dǎo)致地面質(zhì)點振速降低。

圖2 切縫藥包爆破原理

普通爆破時應(yīng)力波及爆轟氣體壓力共同作用，即沖擊波“壓碎”藥包附近巖石，應(yīng)力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙，爆轟氣體“楔入”裂隙中，使其延伸、擴張致巖體脫落破碎。而切縫藥包爆炸時，在非切縫處爆轟產(chǎn)物直接沖擊外殼表面，因外殼密度大于爆轟波陣面上產(chǎn)物的密度，且外殼壓縮性一般小于爆轟產(chǎn)物的壓縮性，故爆轟產(chǎn)物由該表面反射產(chǎn)生反射沖擊波[22]；透射波經(jīng)衰減后，作用于孔壁的能量大大降低，減少非切縫區(qū)域孔壁產(chǎn)生徑向裂縫的可能性；而在切縫方向，爆轟產(chǎn)物直接沖擊空氣介質(zhì)產(chǎn)生沖擊波，形成集中高速、高壓射流定向作用于切縫向炮孔壁。若其沖量密度大于巖體臨界沖量密度，則在炮孔壁上產(chǎn)生破裂，預(yù)先形成初始裂縫。爆轟氣體反射后向切縫方向集中，增強切縫方向的破壞作用[23-24]。切縫藥包定向斷裂控制爆破特點為巧妙利用炸藥的動、靜作用，爆炸能量利用更趨合理。切縫藥包爆破原理見圖2。

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 工程概況及地質(zhì)情況

青島地鐵3號線長25.93 km，全部為地下線路，采用鉆爆法施工。試驗區(qū)位于K15+999 m處，斷面為馬蹄形，寬5.8 m，高6.1 m，斷面積30.8 m2，埋深22 m，采用楔形掏槽形式進行全斷面爆破，工程地質(zhì)條件見圖3。施工采用Φ32 mm×300 g的2號巖石乳化炸藥，試驗所用切縫藥包結(jié)構(gòu)[24]見圖4，套管為硬質(zhì)PVC管，內(nèi)徑36 mm，外徑40 mm，壁厚2 mm，預(yù)制裂縫寬4 mm。

圖3 工程地質(zhì)條件

圖4 切縫藥包結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 切縫藥包預(yù)裂爆破成縫試驗

采用切縫藥包預(yù)裂爆破能否將待爆巖石破裂開及預(yù)裂后裂紋及裂隙區(qū)情況如何備受關(guān)注，尤其巖石較完整且堅硬時，其預(yù)裂爆破效果已成阻礙其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為觀察切縫藥包預(yù)裂爆破效果，對掌子面拱頂進行5孔切縫藥包預(yù)裂爆破，爆破方案見圖5，炮孔深度2 m，單孔裝藥量600 g。采用軸向空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，用導(dǎo)爆索連接炸藥，5個預(yù)裂孔同時起爆，見圖6。爆破后的裂縫效果見圖7。除渣后效果見圖8。由圖7看出，切縫藥包預(yù)裂爆破形成的裂縫長度約3 m，寬度約6-9 cm。由圖8看出，切縫藥包預(yù)裂爆破成型規(guī)整。其原因為用切縫藥包進行預(yù)裂爆破時能量沿切縫即輪廓線方向優(yōu)先并大量釋放，導(dǎo)致裂紋長、寬度增加；在非切縫方向因切縫管外殼的存在，導(dǎo)致作用于孔壁的能量大大降低，使非切縫區(qū)域孔壁產(chǎn)生的徑向裂縫大大減少，故周邊成型規(guī)整，半眼痕率較高。試驗證明采用切縫藥包預(yù)裂爆破能較好將巖石破裂，并形成具有一定長度、寬度的裂縫。

圖5 爆破方案(單位：mm)

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)

圖7 爆破生成的裂縫

2.3 切縫藥包預(yù)裂爆破減振試驗

(1) 原爆破方案。為對比分析降振效果，先按原方案施工，見圖9，參數(shù)見表1。

(2) 5孔普通藥包預(yù)裂爆破試驗。采用普通藥包進行預(yù)裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5個炮孔，間距600 mm，炮孔深2.2 m，采用普通藥包軸向空氣間隔裝藥，用導(dǎo)爆索連接，其它參數(shù)不變。爆破方案見圖10，具體參數(shù)見表2。

(3) 5孔切縫藥包預(yù)裂爆破試驗。在試驗(2)基礎(chǔ)上將5個預(yù)裂孔的普通藥包改為切縫藥包進行預(yù)裂爆破，其它參數(shù)不變。

圖9 原爆破方案(單位mm)

表1 爆破參數(shù)

表2 爆破參數(shù)

圖10 預(yù)裂爆破試驗方案(單位mm)

表3 不同方案試驗結(jié)果(單位cm/s)

(4) 7孔切縫藥包預(yù)裂爆破。在試驗(3)基礎(chǔ)上將5個切縫藥包預(yù)裂孔增加到7個進行預(yù)裂爆破，其它參數(shù)不變。

為便于對比分析，上述試驗全部按圖1進行爆破振動監(jiān)測，不同方案試驗結(jié)果見表3，爆破方案(1)-(4)的測試波形見圖11-圖18。

圖11 爆破方案(1)點1(拱頂)測試波形

圖12 爆破方案(1)點2(側(cè)向)測試波形

圖13 爆破方案(2)點1(拱頂)測試波形

圖14 爆破方案(2)點2(側(cè)向)測試波形

圖15 爆破方案(3)點1(拱頂)測試波形

圖16 爆破方案(3)點2(側(cè)向)測試波形

圖17 爆破方案(4)點1(拱頂)測試波形

圖18 爆破方案(4)點2(側(cè)向)測試波形

2.4 結(jié)果分析

(1) 將上述試驗過程定義為爆破方案1、2、3、4，據(jù)測點1(拱頂)測試結(jié)果，繪制拱頂振速變化規(guī)律見圖19。由圖19看出，采用預(yù)裂爆破時質(zhì)點三方向振速中Z向(垂向)振速最大，三方向的合成速度高于任一方向。對比爆破方案2、1知，合成速度降低12.6%，X向(徑向)降低45.9%，Y方向(切向)降低32.7%，Z向(垂向)增加5.8%。對比爆破方案3、1知，合成速度降低37.1%，X向降低48.6%，Y向降低36.6%，Z向降低27.7%。對比爆破方案4、1知，合成速度降低27.2%，X向降低43.6%，Y向降低33.2%，Z向降低19.8%。與原方案相比，對拱頂上方質(zhì)點峰值振速，采用5孔切縫藥包預(yù)裂爆破降振效果最明顯。

圖19 拱頂振速變化規(guī)律

圖20 側(cè)向振動變化規(guī)律

(2) 據(jù)測點2(側(cè)向)測試結(jié)果，繪制側(cè)向振速變化規(guī)律見圖20。由圖20看出，采用預(yù)裂爆破，質(zhì)點三方向振速中Y向(垂向)振速最大；三方向合成速度高于任一方向。對比爆破方案2、1知，合成速度降低36.8%，X向降低41.5%，Y向降低14.7%，Z向降低54.6%。對比爆破方案3、1知，合成速度降低21.1%，X向降低48.3%，Y向增加5.6%，Z向降低11.8%。對比爆破方案4、1知，合成速度降低8.5%，X向降低20.3%，Y向降低0.7%，Z向增加6.7%。與原方案相比，對側(cè)向質(zhì)點峰值振速，5孔普通預(yù)裂爆破降振效果最明顯。

(3) 原因分析。將預(yù)裂爆破與原方案比較看出，采用此預(yù)裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5-7個預(yù)裂孔爆破形成裂縫及裂隙區(qū)，能減少、阻礙掏槽眼爆破產(chǎn)生的振動波向上傳播，而預(yù)裂孔本身因炮孔少，段裝藥量較原方案掏槽眼藥量低，兩者共同作用降低爆破振動速度。

對比5孔切縫藥包預(yù)裂及普通藥包預(yù)裂知，在非切縫(拱頂)方向爆轟產(chǎn)物直接沖擊其外殼表面，發(fā)生透射、反射等復(fù)雜現(xiàn)象后再作用于圍巖，爆破能量有所降低，故拱頂質(zhì)點峰值振速降低；但在切縫方向(側(cè)向)相反，由于切縫的存在，使炸藥爆炸能量優(yōu)先沿切縫方向集中釋放，由于管壁對爆生氣體包裹作用，使爆生氣體具有足夠強度及作用時間，導(dǎo)致側(cè)向質(zhì)點峰值振速增加。

對比5孔切縫藥包預(yù)裂爆破與7孔切縫藥包預(yù)裂爆破知，由于預(yù)裂孔數(shù)的增加，使段裝藥量增加，預(yù)裂孔總能量有所增強，故在切縫方向(側(cè)向)及非切縫方向(拱頂)質(zhì)點峰值振速有所增強。

3 結(jié) 論

以青島地鐵3號線區(qū)間爆破開挖為工程背景，通過試驗，結(jié)論如下：

(1) 采用預(yù)裂爆破時拱頂上方質(zhì)點Z向振速最大；側(cè)向質(zhì)點Y向振速最大，Z向次之，X向最小。

(2) 單循環(huán)進尺、炮眼數(shù)、總裝藥量基本相同時，可在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5-7個預(yù)裂孔，采用不同藥包進行預(yù)裂爆破形成裂縫及裂隙區(qū)，能減少及阻礙掏槽眼爆破引起的震動波向上傳播，可有效控制掏槽眼引起的振速。

(3) 與5孔普通藥包預(yù)裂爆破相比，5孔切縫藥包預(yù)裂爆破有助于降低拱頂上方質(zhì)點峰值振速，但側(cè)向質(zhì)點峰值振速有所增大。

(4) 切縫藥包預(yù)裂爆破7孔與5孔相比，隨預(yù)裂孔數(shù)目、段裝藥量的增加，拱頂及側(cè)向質(zhì)點峰值振速均有所增大。

(5) 施工中應(yīng)綜合分析現(xiàn)場實際情況，采用合理的爆破減振技術(shù)，實現(xiàn)安全高效施工。

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