分岔段超小凈距隧道爆破圍巖振動(dòng)衰減特征

劉傳陽(yáng)，楊年華，張雷彪，黃仕凱

(1.中鐵電氣化局鐵路工程公司，北京100036；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京100081)

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，交通隧道中經(jīng)常遇到一條雙線隧道分岔成兩條單線隧道的情況，在隧道分岔段兩條單線隧道的隔墻間距非常小，相鄰隧道爆破可能造成鄰近隧道嚴(yán)重的爆破振動(dòng)安全問(wèn)題，直接影響隧道隔墻的安全穩(wěn)定。筆者結(jié)合臺(tái)州市域鐵路S1線城南藤嶺隧道分岔段爆破施工的經(jīng)驗(yàn)，研究了鄰近隧道的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，對(duì)超小凈距隧道爆破振動(dòng)控制有重要參考價(jià)值。

1 工程概況

臺(tái)州市域鐵路S1線城南隧道城區(qū)段采用盾構(gòu)法施工，山嶺段隧道采用鉆爆法掘進(jìn)，從S1DK48+332開(kāi)始向小里程方向，由單洞雙線分岔為雙洞單線，如圖1所示。勘察資料表明S1DK48+363～S1DK48+270段圍巖整體為中～弱風(fēng)化凝灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育，巖體呈塊狀，屬于Ⅲ級(jí)圍巖。分岔處圍巖隔墻僅厚2.4 m，前進(jìn)62 m后隔墻厚度逐漸增至4.2 m，該段隧道屬于超小凈距隧道施工區(qū)。雙洞單線部分隧道寬7 m、高9 m，開(kāi)挖面積56.05 m2；單洞雙線部分隧道寬16.4 m、高12.8 m，開(kāi)挖斷面積在143.3 m2。

2 隧道分岔段爆破施工方法和振動(dòng)測(cè)試方案

2.1 爆破施工方法

在確保安全的前提下，為加快施工進(jìn)度，右線隧道先行，右線隧道掌子面前進(jìn)70 m以后再開(kāi)挖左線隧道。左線隧道鉆爆開(kāi)挖時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中隔巖墻的安全監(jiān)測(cè)，并采用分部爆破法掘進(jìn)。即先爆破開(kāi)挖遠(yuǎn)離中隔巖墻的大半斷面，再爆破靠近隔墻的預(yù)留光爆層(見(jiàn)圖2)。

圖2 爆破開(kāi)挖順序及預(yù)留光爆層炮孔布置Fig.2 Blasting excavation sequence and blast-holes layout for smooth blasting of preserved layer

由于預(yù)留光爆層爆破有良好的臨空面條件，可最大限度減弱爆破對(duì)隧道中隔墻巖體的損傷破壞，還能最大限度降低相鄰先行隧道的爆破振動(dòng)。另外，在先爆破的①區(qū)，因掏槽爆破孔盡量遠(yuǎn)離中隔巖墻，從而降低了掏槽爆破的振動(dòng)影響，達(dá)到安全高效掘進(jìn)的目的。爆破設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。但在實(shí)際鉆孔爆破過(guò)程中受地質(zhì)條件變化及鉆爆人員的操作影響，不可能完全按照設(shè)計(jì)的孔數(shù)和藥量爆破，后面的振動(dòng)衰減規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析都是以現(xiàn)場(chǎng)跟蹤記錄獲得每一炮的真實(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)。

表1 左線隧道技術(shù)參數(shù)

2.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和模擬計(jì)算，相鄰隧道爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)最大值基本位于隧道起拱處或直墻中部[1-2]。因此在右線先行隧道段的隔墻中部布置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最具有代表性(見(jiàn)圖1)。圖1b中1#～5#測(cè)點(diǎn)分別距離分岔點(diǎn)為5、10、20、40、62 m，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度傳感器埋放在墻壁內(nèi)。為研究隧道分岔處后行左線隧道爆破對(duì)相鄰右線隧道隔墻的振動(dòng)安全問(wèn)題，分為4組分析研究爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。①區(qū)掏槽爆破和②區(qū)預(yù)留光爆層爆破對(duì)前方未形成中隔墻區(qū)段和后方已形成中隔墻區(qū)段的振動(dòng)傳播和影響關(guān)系如圖3所示。

圖3 爆破振動(dòng)波向隔墻前后傳播Fig.3 Seismic wave propagates to the front and back of the partition rock wall

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 4組爆破振動(dòng)衰減規(guī)律對(duì)比分析

從隧道分岔處開(kāi)始向前70 m范圍隧道圍巖都是中～弱風(fēng)化凝灰?guī)r，地質(zhì)條件基本相同，中隔巖墻厚度變化較緩，可以當(dāng)成2條超小間距隧道看待。因此在本區(qū)段開(kāi)展的4組爆破振動(dòng)測(cè)試狀況具有可比性，試驗(yàn)成果也可用于類似超小凈距隧道的爆破振動(dòng)控制。

圖4 未形成隔墻區(qū)段的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律Fig.4 Attenuation law of the blasting vibration on the front without partition wall

從圖4～圖5的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律來(lái)看，可以得到。

1)相鄰隧道爆破對(duì)前方未形成中隔巖墻區(qū)段的爆破振動(dòng)相對(duì)較小，但衰減較慢；對(duì)后方已形成中隔巖墻區(qū)段的爆破振動(dòng)系數(shù)K值比前方未形成中隔巖墻區(qū)段要大1.4倍左右。分析其原因，主要因中隔巖墻兩側(cè)都臨空后自由度增大，且振動(dòng)波發(fā)生往復(fù)反射疊加，使得臨空的中隔巖墻對(duì)振動(dòng)有一定放大作用。表現(xiàn)為爆源附近最大振動(dòng)速度分量為垂直臨空面的x方向；隨著振動(dòng)波傳播距離增大，測(cè)點(diǎn)至爆源徑直方向逐漸趨向平行臨空面的y方向，所以20 m以外的測(cè)點(diǎn)基本上最大振動(dòng)速度分量為y方向。雖然爆源附近中隔巖墻的振動(dòng)強(qiáng)度有所放大，但隧道挖空后中隔巖墻兩面臨空，爆源向中隔巖墻后方傳輸?shù)恼駝?dòng)能量減小，距離越遠(yuǎn)后方的振動(dòng)波能比前方更顯著衰減，表現(xiàn)為爆破振動(dòng)幅值衰減較快，實(shí)測(cè)振動(dòng)衰減指數(shù)α大于1.5。

2)①區(qū)掏槽爆破的振動(dòng)明顯大于②區(qū)預(yù)留光爆層的爆破。分別將圖4、圖5中圖a和圖b對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圖a中①區(qū)掏槽爆破的振動(dòng)系數(shù)K值比圖b偏大約1.2倍。實(shí)際上雖然②區(qū)預(yù)留光爆層爆破的單段藥量達(dá)5～10 kg，但對(duì)應(yīng)洞壁上測(cè)得的爆破振動(dòng)速度峰值并不大，多數(shù)情況下都小于①區(qū)掏槽爆破單段藥量為3～5 kg的爆破振動(dòng)幅值。其主要原因是：①區(qū)掏槽爆破臨空面條件差，爆破夾制作用大，所以有更多的爆破振動(dòng)能量傳入圍巖中，而②區(qū)預(yù)留光爆層爆破已經(jīng)有充足的臨空面條件，爆破破巖產(chǎn)生的反作用力較小，從而只有更小的爆破振動(dòng)能量傳入圍巖中。

3.2 各段別雷管爆破振動(dòng)衰減規(guī)律對(duì)比分析

通常分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律時(shí)，只統(tǒng)計(jì)最大單響藥量及對(duì)應(yīng)的最大爆破振動(dòng)速度峰值，如果不對(duì)應(yīng)振動(dòng)波形的時(shí)段分析，這樣簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)回歸分析，可能會(huì)因最大單響藥量與最大爆破振動(dòng)速度值不能對(duì)應(yīng)，而得出錯(cuò)誤的結(jié)論。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，我們知道掏槽爆破產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度最大[2-3]，這基本上是公知的認(rèn)識(shí)。本次試驗(yàn)完整地對(duì)每個(gè)雷管段別的炮孔數(shù)及藥量總和進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)應(yīng)地分析了各段雷管起爆時(shí)間對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)峰值速度，據(jù)此全面對(duì)比分析各段別雷管爆破對(duì)應(yīng)的振動(dòng)衰減規(guī)律，①區(qū)MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13段雷管爆破對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度衰減規(guī)律如圖6所示，因使用MS1段雷管爆破炮次較少，受炮數(shù)限制在此只能放棄MS1段雷管的對(duì)比。

圖6 各段雷管的爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律Fig.6 Attenuation law of the particle vibration velocity for blasting in each delay group

從以上統(tǒng)計(jì)規(guī)律中得到如下認(rèn)識(shí)。

1)隨導(dǎo)爆管雷管段位增大，同段炮孔起爆時(shí)差的離散性增大[2-6]，回歸統(tǒng)計(jì)分析得到的相關(guān)性變差。鑒于雷管段位越高，同段位各炮孔實(shí)際起爆時(shí)間偏差越大。MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13段雷管爆破的實(shí)測(cè)波形如圖7所示。

圖7 典型實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)波形Fig.7 Typical waveform of blasting vibration measured in site

從圖7看出，MS7段以內(nèi)的雷管爆破振動(dòng)波形時(shí)寬較窄，說(shuō)明各炮孔基本同時(shí)爆炸，振動(dòng)波時(shí)段比較集中。MS7段以上雷管爆破振動(dòng)波形時(shí)寬明顯變長(zhǎng)，尤其MS11段雷管炮孔數(shù)最多(16孔)，振波顯示MS11段雷管在420～510 ms時(shí)段發(fā)生爆炸，所以振動(dòng)波比較分散；MS13段雷管共3個(gè)炮孔，振動(dòng)波時(shí)寬也在620～680 ms范圍，基本上為各孔單獨(dú)爆炸。波形分析表明高段位雷管不適合將所有炮孔的藥量合并，再按單響藥量來(lái)回歸分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。我們嘗試單獨(dú)統(tǒng)計(jì)各段位雷管爆破藥量及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度最大值，發(fā)現(xiàn)掏槽爆破的MS3段雷管對(duì)應(yīng)的回歸分析參數(shù)K、α值比較合理，且趨勢(shì)線相關(guān)性很好；MS5段雷管對(duì)應(yīng)的回歸分析參數(shù)K、α值可供參考，趨勢(shì)線相關(guān)性好；MS7段以上雷管爆破所得回歸趨勢(shì)線超出合理范圍了，且相關(guān)性逐漸變差。說(shuō)明對(duì)于隧道爆破且距離較近的范圍內(nèi)，非掏槽爆破的高段位雷管引爆，難以獲得準(zhǔn)確的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。因?yàn)槠涓叨挝焕坠芷鸨舆t誤差很大，而且擴(kuò)槽孔或周邊孔分布距離分散，導(dǎo)致各炮孔至測(cè)振點(diǎn)的距離變化較大，難以準(zhǔn)確計(jì)算出真實(shí)的單響起爆藥量和爆源距離，所以按照薩道夫斯基公式分析時(shí)，不能將爆破振動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)真實(shí)的單響起爆藥量和爆源距離。如果該測(cè)振點(diǎn)處于10倍洞徑以外，擴(kuò)槽孔或周邊孔的距離分散致使同段爆源距離發(fā)生的變化可以忽略，但高段位雷管的延時(shí)誤差仍然不能忽略。因此，高段位雷管爆破預(yù)測(cè)的振動(dòng)衰減規(guī)律可靠性很低。

2)隨導(dǎo)爆管雷管段別增大，且相應(yīng)的爆破臨空面條件變好，振動(dòng)系數(shù)K值變小，高段位雷管單段起爆藥量可以顯著增加。隧道爆破掘進(jìn)一般由中間掏槽向外擴(kuò)爆，首爆掏槽孔臨空面條件最差，后續(xù)各段爆破臨空面條件逐漸變好。根據(jù)各段波形峰值速度判讀及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)回歸趨勢(shì)線分析，完好映證了MS3段雷管掏槽爆破振動(dòng)峰值速度最大，隨后各段位爆破臨空面條件逐漸變好，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)峰值速度顯著降低，表現(xiàn)為K值明顯變小(見(jiàn)圖6)。當(dāng)然高段位雷管爆破振動(dòng)系數(shù)K值變小的原因也與同段位雷管非同時(shí)起爆有關(guān)，但是根據(jù)各段爆破藥量和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰值速度分析，最重要的原因是臨空面條件變好、爆破夾制作用減小，極大地降低了爆破振動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)致K值明顯變小。因此MS7段以上雷管爆破單段藥量可以加大，雷管段位越高單段藥量可以更大，而且MS7段以上雷管不需跳段使用，雷管段位連續(xù)排列不會(huì)導(dǎo)致爆破振動(dòng)疊加，也不會(huì)影響爆破效果，反而更加方便降減單響藥量，提高爆破進(jìn)尺。

4 結(jié)語(yǔ)

1)后行隧道爆破對(duì)前方未形成中隔巖墻區(qū)段的振動(dòng)相對(duì)較小，但衰減較慢；對(duì)后方已形成中隔巖墻區(qū)段的爆破振動(dòng)有所放大，表現(xiàn)為振動(dòng)系數(shù)K值比前方未形成中隔巖墻區(qū)段大1.4倍左右。

2)掏槽爆破的振動(dòng)大于預(yù)留光爆層的爆破，表現(xiàn)為掏槽爆破的振動(dòng)系數(shù)K值比預(yù)留光爆層爆破約大1.2倍。

3)隨導(dǎo)爆管雷管段別增大，炮孔起爆時(shí)差的離散性增大，回歸統(tǒng)計(jì)得到的相關(guān)性變差，按薩道夫斯基公式統(tǒng)計(jì)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律性較差。

4)由掏槽向周邊擴(kuò)挖爆破，導(dǎo)爆管雷管段別逐漸增大，且相應(yīng)的爆破臨空面條件變好，振動(dòng)系數(shù)K值變小，MS7段以上高段別雷管單段起爆藥量可以顯著增加。