淺埋隧道孔內(nèi)外對稱起爆控爆技術(shù)研究

宋鑫華，吳 港，姜殿科，李 成，閆鴻浩

(1.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,遼寧 大連 116024; 2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司,遼寧 大連 116000)

隨著中國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)成為大城市建設(shè)的新趨勢。城市設(shè)施、交通等地下空間工程不斷興起，目前發(fā)展的地下工程的施工方法有明挖法、半明挖法、盾構(gòu)法和鉆爆法等[1]。其中鉆爆法因其低成本、高效等優(yōu)勢在地下空間工程中被廣泛采用。然而在城市淺埋隧道工程中，鉆爆法會引發(fā)爆破振動效應(yīng)，影響到掘進(jìn)效率、隧道支護(hù)工程和爆破質(zhì)量，甚至對地表建筑物的穩(wěn)定性造成一定程度的影響[2]。所以如何控制爆破振動來減少爆破危害，對于城市淺埋隧道具有重要的工程實踐價值。

根據(jù)國內(nèi)外專家學(xué)者的研究成果表明，控制爆破振動效應(yīng)的方法可通過3種途徑實現(xiàn)，分別為爆源、爆破地震波傳播過程、臨近建筑物的加固保護(hù)[3]。工程中主要以降低爆源來減弱爆破振動效應(yīng)為主，黃勇軍等[4]從布孔、孔深、用藥量、雷管選擇、安全措施等方面對高速公路尾礦庫區(qū)施工的爆破進(jìn)行控制。龔敏等[5]用普通爆破器材進(jìn)行振速精確控制的爆破技術(shù)和參數(shù)確定方法對密集建筑物下隧道開挖爆破進(jìn)行控制。胡葵[6]通過優(yōu)化爆破設(shè)計,綜合采取多種安全有效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的防護(hù)措施,成功將爆破施工過程中的安全危害(爆破振動、飛石、有害氣體、外來電流等)和環(huán)境危害(爆破噪音、粉塵等)控制在許可范圍內(nèi);同時,運(yùn)用LS-DYNA模擬巖石破碎效果,成功控制了大塊率。袁文華等[7]針對煤礦硬巖巷道掘進(jìn)掏槽效果差、炮孔利用率低的難題,采用混凝土作為相似材料進(jìn)行不同掏槽方式的模型試驗研究。Shi X Z 等[8]將EMD識別法應(yīng)用于紫金山露天礦延時爆破延時時間識別，為降低爆破振動和爆破大塊率，以識別結(jié)果為依據(jù)對爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。陳士海等[9]依托單段實測爆破振動信號，借助Matlab軟件編程，分析了特性各異的子信號在不同延時時間下疊加信號的時頻特征，通過引入“降幅率”和“振速比例”的概念，提出了延時爆破疊加信號各特性隨延時時間、起爆順序及子信號特性的變化規(guī)律。

從以上的研究可知，控制爆破振動效應(yīng)的方法很多，且都能夠達(dá)到安全規(guī)程的要求。但對于城市淺埋隧道這種特定復(fù)雜環(huán)境下的爆破，如何設(shè)計一套科學(xué)、低成本、高效的控爆技術(shù)在工程實用中具有重要的價值。筆者以大連市恒隆廣場地下隧道掘進(jìn)工程為背景，設(shè)計了一套基于孔內(nèi)外對稱分布的延時控爆技術(shù)的方法。

1 爆破設(shè)計

1.1 工程背景

工程地質(zhì)特征，強(qiáng)風(fēng)化板巖：黃褐灰褐色,變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造,主要巖石成分為黏土,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯呈碎片狀、碎塊狀和薄餅狀，沖擊鉆進(jìn)困難,遇水易崩解。中風(fēng)化板巖:灰黃、灰色,變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造,層理和節(jié)理裂隙發(fā)育,主要成分為黏土,局部夾石英巖脈,巖芯呈餅狀、短柱狀。

從爆破周邊環(huán)境看，需要保護(hù)的對象有：①燃?xì)狻⒔o水、排水、熱力、電信和電力管線；②既有地鐵2號線長春路站；③奧林匹克地下商場；④星海商城；⑤既有車站出入口；⑥大連測繪院區(qū)域。其地下通道平面和爆破監(jiān)測布點(diǎn)如圖1所示。

圖1 恒隆廣場地下通道平面和爆破監(jiān)測布點(diǎn)Fig.1 Underground floor plan and blasting monitor point of Hang Lung Plaza

綜合分析得到此橫通道的顯著特征：頂埋深較淺，覆土4.9～6.8 m，屬淺埋暗挖區(qū)間；圍巖等級差，橫通道處圍巖等級為VI級；橫通道拱頂位于強(qiáng)風(fēng)化巖層中，下部位于中風(fēng)化巖層中；爆破振動控制嚴(yán)格，應(yīng)減少對巖體完整性的破壞。為安全起見，結(jié)合《爆破安全規(guī)程》[10]的振動控制標(biāo)準(zhǔn)，配合爆破振動監(jiān)測，控制不同爆破距離下的爆破振動大小、調(diào)整爆破參數(shù)。

1.2 方案設(shè)計

施工橫通道的截面高9.4 m，寬5.1 m，計劃開挖7.6 m(見圖2)。鑒于橫通道上面的馬路，以及周邊商場、地下管線等情況，需要控制其爆破振動效應(yīng)，保障上部馬路和周邊建筑物的安全穩(wěn)定。由于內(nèi)部空間限制，不能用大功率的挖掘機(jī)，小的挖掘機(jī)開挖該巖層又十分費(fèi)勁；如果采用常規(guī)的爆破工藝，有多次拱頂出現(xiàn)局部塌孔，十分危險；為此提出一種孔內(nèi)外對稱分布的延時控爆技術(shù)，其起爆網(wǎng)路如圖3所示。拱頂布置空孔的同時預(yù)留厚度1 m左右的非爆層，考慮圍巖的穩(wěn)定性，又在隧道掌子面中間部位預(yù)留核心土，兩邊對稱分布4排、3列孔。起爆后，由于爆破的作用可以將拱頂及核心部位振松，便于小型挖機(jī)開挖。

圖2 橫通道截面尺寸Fig.2 Cross-sectional dimension

注：2、9、11、13表示毫秒雷管段別。圖3 對稱布孔Fig.3 Hole layout with symmetrical distribution

爆破參數(shù)：鉆孔深度為0.8 m，孔徑為42 mm，孔距為0.70～0.85 m，總共36個孔。其中拱頂12孔不裝藥，其余每孔裝藥量為0.15 kg，炸藥共計12 kg?？變?nèi)雷管使用MS9、MS11、MS13導(dǎo)爆管雷管；用MS2導(dǎo)爆管雷管從下向上逐排起爆，實現(xiàn)單段藥量0.30 kg。爆破每次進(jìn)尺0.5 m，在此地域只測試了1次。

2 振動監(jiān)測與分析

采用爆破測振儀[11-13]進(jìn)行現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測，通過三向速度傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號儲存于記錄儀內(nèi)。連接電腦后即可對爆破振動速度、振動頻率及矢量合速度進(jìn)行顯示?？紤]到爆破上方馬路邊上有煤氣管道，且離爆破點(diǎn)最近，重點(diǎn)監(jiān)測此方位(圖1中的No.01)。

2.1 振動速度分析

爆破振動監(jiān)測出的x、y、z三軸速度、合速度和頻率如表1所示。測點(diǎn)1和測點(diǎn)2(位于測點(diǎn)1左邊)處測得的振動速度均小于《爆破安全規(guī)程》中的關(guān)于對民用建筑允許振速1.5～3.0 cm/s[10]?？紤]到重要管線在設(shè)計時都考慮了抗振指標(biāo)，另外直埋管線抗振能力較強(qiáng)，所以對大連市區(qū)的一些重要管線(83石油管線、煤氣管線)的實際控制爆破振動采取了2個控制值：一般對于一次性爆破振動控制在國標(biāo)5.0 cm/s；對于長期爆破振動考慮疲勞影響取為2.5 cm/s。從測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的振動速度可知，測點(diǎn)1離爆破點(diǎn)比較近，爆破振動效應(yīng)對測點(diǎn)1處的馬路和煤氣管道影響較大，故而通過孔內(nèi)外對稱分布延時控爆技術(shù)減弱爆破振動效應(yīng)的影響具有關(guān)鍵作用。

表1 測點(diǎn)振動速度監(jiān)測

2.2 振動波譜分析

測點(diǎn)1離爆破區(qū)域最近，水平距離5 m之內(nèi)，v′為最大振動合速度。測點(diǎn)速度如圖4所示，從3個分速度圖中可以看出爆破共分3個階段，第1個階段在0～300 ms，第2個階段在300～600 ms，第3個階段在600～900 ms。從圖4d可知，其最大合速度為4.846 cm/s，速度控制在國標(biāo)5.0 cm/s之內(nèi)。對測點(diǎn)1的振動合速度vz進(jìn)行快速傅里葉分析[14]，速度波譜如圖5所示。從圖5中的波譜中可知爆區(qū)速度波子波較密集，相互疊加干擾現(xiàn)象顯著，峰值速度較小。從圖5可知測點(diǎn)1的主頻率在40～100 Hz之間，最高峰值頻率為47 Hz，頻域?qū)?、高頻成分多，表明設(shè)計的孔內(nèi)外對稱分布延時控爆方法可以提升主頻范圍，降低對周圍建筑物的影響。

圖4 測點(diǎn)速度Fig.4 Velocity of the measurement point

圖5 測點(diǎn)z方向的傅里葉振動頻譜Fig.5 Fourier vibration spectrum of measuring point of z direction

2.3 振動特征分析

因為現(xiàn)場監(jiān)測的爆破振動信號是速度與時間的線性表達(dá)式[9]，故而可通過單段波形在不同延時時刻共同疊加作用的結(jié)果來表達(dá)，其表達(dá)式為

(1)

式中：s(T﹡)為全局坐標(biāo)系監(jiān)測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度，cm/s；T﹡為全局坐標(biāo)時間，s；Ai為第i段炸藥的藥量振動系數(shù)；si(t-ti)為局部坐標(biāo)系下第i段炸藥在測點(diǎn)產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度，cm/s；ti為局部坐標(biāo)系第i段炸藥從起爆到振動波傳至監(jiān)測點(diǎn)所耗費(fèi)的時間，s；n為段數(shù)；Ti為全局坐標(biāo)下第i段炸藥起爆時刻，s；δ(Ti)為分段函數(shù)，其取值為

(2)

利用導(dǎo)爆管雷管的毫秒延時功能，發(fā)明的孔內(nèi)外對稱分布延時控爆方法，可以通過MS2、MS9、MS11、MS13共4種導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行控制爆破的合理延時時間，使得3段信號的振動特性相近，降低振動效應(yīng)顯著。其中爆破振動速度圖譜表明其疊加信號的主頻隨著爆破延時時間不同呈現(xiàn)鋸齒形跳躍的變化，并集中在以被疊加子信號的主頻為主的3個頻率上。

3 結(jié)論

1)從地面測得的振動合速度4.846 cm/s, 測的主頻率在40～100 Hz之間，振動主頻47 Hz。頻域?qū)挕⒏哳l成分多，表明設(shè)計的孔內(nèi)外對稱分布延時控爆方法可以提升主頻范圍，降低對周圍建筑物的影響。

2)孔內(nèi)外對稱分布延時控爆方法，可以控制爆破的合理延時時間，使得3段信號的振動特性相近，降低振動效應(yīng)顯著。