超小凈距隧道單雙層預(yù)裂爆破振動(dòng)研究

方 寧，楊成和，孫俊鵬，馬玉罄，繆玉松

(大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)金源爆破工程有限公司，遼寧 大連 116600)

超小凈距隧道單雙層預(yù)裂爆破振動(dòng)研究

方 寧，楊成和，孫俊鵬，馬玉罄，繆玉松

(大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)金源爆破工程有限公司，遼寧 大連 116600)

受空間資源的影響，隧道凈距逐漸減小，如何保證超小凈距隧道爆破施工安全，降低爆破振動(dòng)對(duì)中間巖柱的影響是隧道工作者的重點(diǎn)研究對(duì)象。針對(duì)前陡泉隧道0.61 m超小凈距爆破施工狀況，分別應(yīng)用單層、雙層預(yù)裂爆破方案，對(duì)比分析振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出雙層預(yù)裂爆破技術(shù)相比單層預(yù)裂降振率達(dá)53.75%，通過(guò)回歸分析得出雙層預(yù)裂爆破對(duì)振動(dòng)傳播規(guī)律的影響，達(dá)到了預(yù)期的爆破效果。

超小凈距 預(yù)裂爆破 減振 隧道爆破 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

我國(guó)國(guó)土面積的2/3是山地和丘陵，因而在鐵路與公路建設(shè)中隧道數(shù)量眾多。從最近幾年的建設(shè)規(guī)模和速度看，鐵路隧道和公路隧道約以每年300 km和150 km的建設(shè)速度增長(zhǎng)［1-4］。正在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)中的南水北調(diào)、西氣東輸和水電工程等隧道和地下工程中，燕尾式雙線隧道越來(lái)越多，隧道凈距越來(lái)越小。為了避免分離式及連拱式隧道爆破施工的缺陷，下向傾斜掏槽和預(yù)裂爆破技術(shù)被逐漸地應(yīng)用到隧道施工中［5-7］。因此，研究小凈距隧道施工過(guò)程中單、雙層預(yù)裂爆破條件下中間巖柱及巷道的安全穩(wěn)定性就顯得極為必要。本文結(jié)合0.61 m超小凈距前陡泉隧道，分別對(duì)單、雙層預(yù)裂爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析雙層預(yù)裂爆破減振效果，研究?jī)?nèi)容對(duì)爆破設(shè)計(jì)中的單段最大裝藥量計(jì)算和圍巖安全穩(wěn)定性判據(jù)具有顯著意義。

1 工程概況

前陡泉隧道位于黃土梁峁區(qū)，全長(zhǎng)2.737 km。地形起伏較大，表層覆蓋新黃土，開(kāi)挖寬度為6.94 m，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。隧道洞身大部分由左、右兩條線組成，受力薄弱，穩(wěn)定性差，圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜。為節(jié)約資源及工期要求，決定采用超小凈距隧道工藝施工，隧道凈距最近處僅為0.61 m。以后每進(jìn)尺1 m，中間巖柱厚度增加0.075 m。開(kāi)挖方案采用上下臺(tái)階分層開(kāi)挖技術(shù)，上下臺(tái)階分界線選在起拱處，下臺(tái)階高度不小于2 m，上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)距離以不影響相互間施工為前提。上臺(tái)階采用掏槽掘進(jìn)爆破，下臺(tái)階采用水平孔拉槽爆破，上下臺(tái)階開(kāi)挖示意如圖1。

圖1 上下臺(tái)階開(kāi)挖示意

為保證0.61 m中間巖柱的穩(wěn)定性，大膽嘗試應(yīng)用雙層預(yù)裂爆破技術(shù)，即采用先預(yù)裂后掏槽起爆法，達(dá)到了預(yù)裂縫所需的寬度，對(duì)側(cè)面保護(hù)層起到有效保護(hù)，減少了爆破對(duì)中間巖柱的影響，雙層預(yù)裂爆破炮孔布置如圖2所示。

圖2 預(yù)裂爆破示意(單位:m)

2 爆破振動(dòng)測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試儀器

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的調(diào)查了解，決定選用2套加拿大Instantel公司生產(chǎn)的MiniMatePlus8智能爆破地震監(jiān)測(cè)儀，采樣速率為2 048 bit/s，觸發(fā)門(mén)檻 2.0 mm/s，最大量程254 mm/s，連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間記錄。

2.2 測(cè)試方法

1)根據(jù)上導(dǎo)和下導(dǎo)方向分別布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)(圖3)，每一測(cè)點(diǎn)同時(shí)布置三維(切向、徑向、垂向)傳感器。

2)對(duì)振動(dòng)記錄儀器進(jìn)行量程、采樣率、延時(shí)和觸發(fā)等設(shè)置，每次測(cè)試按照測(cè)點(diǎn)實(shí)際情況對(duì)儀器設(shè)置項(xiàng)進(jìn)行修改。

3)在測(cè)試時(shí)，傳感器與基石之間使用石膏粘附，以保證傳感器與測(cè)點(diǎn)表面牢固結(jié)合。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

隨著隧道掘進(jìn)深度的深入，選定后行洞掘進(jìn)開(kāi)始的前10次爆破，進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)得的振動(dòng)數(shù)值及平均衰減率計(jì)算如表1所示。

表1 振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)比

爆破振動(dòng)遠(yuǎn)區(qū)主振頻率主要集中于10～50 Hz(個(gè)別 ＜10 Hz)，依據(jù)爆破安全規(guī)程(GB 6722—2011)，該頻率范圍內(nèi)交通隧道質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度不應(yīng)大于12～15 cm/s。采用單層預(yù)裂爆破時(shí)，1號(hào)和3號(hào)點(diǎn)的振動(dòng)峰值超過(guò)了安全標(biāo)準(zhǔn)，而采用雙層預(yù)裂爆破時(shí)，振動(dòng)峰值遠(yuǎn)小于規(guī)程要求處于安全范圍之內(nèi)，各點(diǎn)爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間位于0.26～2.35 s之間。由實(shí)測(cè)表1和振動(dòng)三向傳播振速對(duì)比(圖4)可知，采用雙層預(yù)裂爆破時(shí)振速峰值遠(yuǎn)小于單層預(yù)裂振速峰值，平均衰減度達(dá)53.76%。說(shuō)明雙層預(yù)裂爆破技術(shù)能夠起到很好的降振作用，采用該技術(shù)能夠滿足安全、高效施工的要求。

圖4 爆破振動(dòng)三向傳播振速對(duì)比

2.4 回歸分析

爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度主要受一次最大起爆藥量和測(cè)點(diǎn)與爆源間距離的影響。另外，工程地質(zhì)條件中的節(jié)理、裂隙及巖石波阻抗等特性也會(huì)對(duì)振動(dòng)傳播產(chǎn)生影響。目前，爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)最常用的公式是薩道夫斯基公式［8-9］

式中:V為爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)速度，cm/s;k，α為與爆破工程地質(zhì)有關(guān)的衰減系數(shù);Q為最大一次起爆藥量，kg;R為測(cè)點(diǎn)距離爆源中心的距離，m。

根據(jù)實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)速度和測(cè)點(diǎn)距離，應(yīng)用最小二乘法反推爆破振動(dòng)的k和α值，得出反應(yīng)振動(dòng)速度預(yù)測(cè)的回歸曲線為

單層預(yù)裂爆破:

雙層預(yù)裂爆破:

從回歸曲線和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況可以得出，由于雙層預(yù)裂爆破增大了主爆區(qū)與中間巖柱的間隔距離，能夠更好地起到降低振動(dòng)的作用，該回歸方程可為后續(xù)的爆破作業(yè)提供參考。

3 結(jié)論

1)在施工過(guò)程中堅(jiān)持“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，精心施工，及時(shí)支護(hù)，勤于量測(cè)”的原則。合理選取開(kāi)挖方式、開(kāi)挖順序及支護(hù)參數(shù)，能較好地減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減小圍巖變形，確保中間巖柱的穩(wěn)定。

2)當(dāng)遇到小凈距隧道施工時(shí)，單層預(yù)裂爆破技術(shù)難以保證中間巖柱的安全穩(wěn)定性要求，此時(shí)，可采用雙層預(yù)裂爆破施工技術(shù)，降低振動(dòng)對(duì)中間巖柱和圍巖穩(wěn)定性的影響。

3)雙層預(yù)裂爆破技術(shù)能夠加大主爆區(qū)與中間巖柱的預(yù)裂縫寬度，改變爆破振動(dòng)的衰減系數(shù)，起到降低振動(dòng)的作用。

4)通過(guò)回歸分析的方法對(duì)已測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，能夠反映出工程地質(zhì)條件對(duì)爆破衰減規(guī)律的影響，亦可運(yùn)用該回歸方程判斷爆破參數(shù)對(duì)保護(hù)結(jié)構(gòu)的影響程度。

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［2］龔建伍，夏才初，鄭志東，等．鶴上三車(chē)道小凈距隧道爆破振動(dòng)測(cè)試與分析［J］．巖石工程與力學(xué)學(xué)報(bào)，2007(9):1882-1887．

［3］劉玉山，陳建平．大軒嶺小凈距隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析［J］．爆破，2008(6):92-94．

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U455.6

A

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1003-1995(2015)07-0058-03

2014-09-23;

2015-04-24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB08B06)

方寧(1966— )，女，遼寧大連人，工程師。

(責(zé)任審編 趙其文)