油溪長江大橋北岸隧道錨爆破開挖試驗(yàn)研究

吳建兵 池忠波 張文龍 陳步高 郭晨陽

（1.浙江華東工程建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310014；2.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 大連 116000；3.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002）

0 引言

隧道式錨碇是懸索橋的關(guān)鍵安全構(gòu)件之一和圍巖共同承擔(dān)纜索拉力。隧道錨開挖具有大傾角、斷面積漸變、相鄰隧道錨洞交叉影響的特點(diǎn)，同時(shí)要求盡可能減小對圍巖的擾動(dòng)。鉆爆法施工地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、施工成本低，但容易造成超欠挖及圍巖損傷，進(jìn)而影響隧道錨質(zhì)量，因此合理的鉆爆設(shè)計(jì)是保證隧道錨順利開挖的關(guān)鍵。

油溪長江大橋北岸隧道錨洞采用鉆爆法開挖，一方面對輪廓面超欠挖及圍巖損傷控制等有很高要求；另一方面受隧道錨址臨近不穩(wěn)定邊坡、相鄰錨洞圍巖穩(wěn)定性、周邊民房及混凝土橋墩等建筑結(jié)構(gòu)安全性等因素影響。通過實(shí)施兩期爆破開挖試驗(yàn)，進(jìn)行爆破振動(dòng)衰減回歸分析，提出振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，對比掏槽方式優(yōu)劣，校核爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，形成了科學(xué)的爆破設(shè)計(jì)方案。

1 工程背景

油溪長江大橋隧道錨的錨體分錨塞體、散索鞍基礎(chǔ)、前錨室暗洞和前錨室明洞四個(gè)部分。其中錨塞體主要承受預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)傳遞的主纜索股拉力，散索鞍基礎(chǔ)主要承受由散索鞍傳遞的主纜壓力。隧洞長70.0m，最大埋深約50.0m，兩側(cè)錨碇最小凈距為19.8m。錨塞體縱斷面設(shè)計(jì)為前小后大的楔形，橫斷面采用圓拱直墻形，前錨面尺寸為10.4m×10.4m，頂部圓弧半徑5.2m，后錨面尺寸為15.0m×15.0m，頂部圓弧半徑7.5m。在離左右錨洞90～500m的距離上分布著辦公室板房、工人宿舍、北岸混凝土橋墩、民房基礎(chǔ)、機(jī)電控制室等建筑。

2 爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)

控制爆破的首要目標(biāo)是防止結(jié)構(gòu)變形開裂。建筑物受到的拉壓應(yīng)力主要受質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度、彈性模量、泊松比和密度的影響。保護(hù)對象應(yīng)力和應(yīng)變與彈性波振動(dòng)速度之間存在如下關(guān)系[1]：

式中：

σx——建筑物受到的拉/壓應(yīng)力，MPa；

εx——建筑物受到拉/壓應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變值；

u——泊松比；

μ?1——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，m/s；

ρ——質(zhì)點(diǎn)密度，kg/m3；

c1——彈性波傳播速度，m/s。

考慮混凝土的抗拉/壓強(qiáng)度限值，通過式（1）～（3）可得到爆破振動(dòng)速度的極限值。錨洞襯砌和附近其他重要結(jié)構(gòu)采用C35混凝土。如按不允許出現(xiàn)拉裂縫考慮，取混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.57MPa，可得爆破振速極限值為[V]=16.3cm/s。初支噴射混凝土和二襯模筑混凝土主要以受壓為主，可以允許混凝土出現(xiàn)裂縫并實(shí)現(xiàn)帶縫工作。

下式可確定混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)：

式中：

[V]——爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，cm/s；

Vmax——爆破振動(dòng)速度極限值，cm/s；

K——爆破振動(dòng)安全系數(shù)，根據(jù)重要程度取1.4～2.0；

γs——建筑物服役狀態(tài)折減系數(shù)，取值0～1.0。

隧道錨作為有很大影響、且不易修復(fù)的重要結(jié)構(gòu)，K取1.8～2.0，影響較小的次要結(jié)構(gòu)K取1.4～1.6，其他取1.6～1.8。對于新建結(jié)構(gòu)，折減系數(shù)γs取1.0。將計(jì)算得到的控制標(biāo)準(zhǔn)值[V]作為允許振速校核值。將結(jié)果再乘以安全系數(shù)作為混凝土結(jié)構(gòu)的允許振速設(shè)計(jì)值。

根據(jù)以往隧道錨開挖的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[2～4]，混凝土測點(diǎn)峰值振速在7～14.0cm/s時(shí)未見明顯破壞。因此，根據(jù)《規(guī)程》[5]，結(jié)合彈性波波動(dòng)理論并參考同類工程經(jīng)驗(yàn)，提出爆破開挖試驗(yàn)安全控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值和校核值，如表1所示。

表1 隧道錨開挖爆破安全允許振速試驗(yàn)值

3 爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用光面爆破法開展兩個(gè)階段的爆破試驗(yàn)，單次循環(huán)進(jìn)尺為1.2m～1.8m。分上下臺階開挖，臺階長度3.0m～5.0m。采用2#巖石乳化炸藥（Φ32，200g/卷），選用非電毫秒延期導(dǎo)爆管雷管。起爆網(wǎng)路、孔位布置及孔間排距如圖1所示，爆破參數(shù)如表2。

圖1 錨塞體起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)（單位：m）

表2 爆破試驗(yàn)參數(shù)

4 爆破試驗(yàn)效果

4.1 一期試驗(yàn)

循環(huán)進(jìn)尺約1.0m～1.2m，輪廓面爆破成形質(zhì)量良好，超欠挖控制滿足技術(shù)要求；圍巖未觀察到明顯爆生裂隙；巖體整體破碎效果良好，塊度基本小于0.5m。爆破空氣沖擊波未對洞口附近的設(shè)備和廠房產(chǎn)生不良影響，爆破飛石大多散落在洞內(nèi)。爆破效果如圖2所示。

圖2 隧道錨作業(yè)面爆破效果

一期爆破試驗(yàn)對左、右洞上臺階開挖爆破共進(jìn)行了5次振動(dòng)監(jiān)測。宿舍板房基礎(chǔ)和橋臺混凝土的振速均小于測振儀器的觸發(fā)閾值0.0175cm/s，基巖、保護(hù)對象的振速均小于對應(yīng)的允許振速校核值；民居基礎(chǔ)處爆破振動(dòng)峰值速度均小于0.1cm/s。

結(jié)果表明，爆破參數(shù)和起爆網(wǎng)路不會對基巖、保護(hù)對象和施工部位造成損傷。基于薩道夫斯基公式，根據(jù)爆破試驗(yàn)采用的裝藥參數(shù)、起爆網(wǎng)路和測點(diǎn)爆源距回歸計(jì)算得到隧道錨掌子面正沖向水平方向和豎直方向的振動(dòng)衰減規(guī)律如下式所示：

將各保護(hù)對象的爆源距和最大允許質(zhì)點(diǎn)峰值振速分別代入式（5）和（6），確定爆破施工所能采用的最大允許單段藥量（表3），水平和豎向振動(dòng)衰減回歸曲線如圖3所示。

表3 爆破最大允許單段藥量校核

圖3 水平向、豎直向的振動(dòng)衰減規(guī)律回歸曲線

分析可知，對隧道錨爆破開挖規(guī)模和單段藥量起控制作用的部位為相鄰錨塞體圍巖，最大允許單段藥量[Q]=14.6kg，大于爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)中掏槽爆破的最大起爆藥量Q掏=8.4kg，表明爆破設(shè)計(jì)的裝藥參數(shù)具有合理的安全余度。

4.2 二期試驗(yàn)

二期試驗(yàn)對比直孔掏槽和斜孔掏槽爆破的差異。循環(huán)進(jìn)尺與一期試驗(yàn)相近，輪廓面質(zhì)量、超欠挖控制、爆堆形狀、爆渣塊度均滿足技術(shù)要求，破碎效果良好。

采用直孔掏槽時(shí)，每段起爆藥量4.8kg，掌子面附近的基巖和混凝土表面的峰值振速控制在0.90cm/s～2.00cm/s范圍內(nèi)。采用斜孔掏槽時(shí)單段藥量9.6kg～12.0kg，基巖和混凝土表面的最大峰值振速為4.33cm/s。綜合考慮，建議采用直孔掏槽方式進(jìn)行爆破開挖施工。

4.3 爆破參數(shù)和起爆網(wǎng)路確定

（1）掏槽形式：前錨面采用平行空孔直線矩形掏槽，適當(dāng)超深20cm～30cm。其中有2個(gè)空孔（可微量裝藥起爆），作為裝藥炮孔爆破時(shí)的輔助自由面和補(bǔ)償空間。

（2）孔位布置：輔助孔0.5m～0.8m；周邊孔0.5m～0.6m，距輪廓線取0.1m～0.2m；底孔間距為0.5m～0.7m；光爆孔間距取0.5m～0.7m，光爆層厚度取0.5m～0.6m。

（3）炸藥單耗：根據(jù)錨塞體所處巖層特點(diǎn)和地質(zhì)條件，炸藥總單耗建議取1.0kg/m3，光爆層線裝藥密度取150g/m～200g/m。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)：上、下臺階爆破除周邊孔采用間隔裝藥外，其余炮孔均采用連續(xù)裝藥，采用反向起爆；光爆孔底加強(qiáng)裝藥100g，中部每50g間隔裝藥。

（5）起爆網(wǎng)路：孔內(nèi)微差低段雷管跳段使用，光爆孔導(dǎo)爆索引出孔外，用主導(dǎo)爆索串聯(lián)或每孔導(dǎo)爆索綁扎在主導(dǎo)爆索形成2條獨(dú)立起爆線路。前錨面上、下臺階爆破網(wǎng)路見圖1。

5 結(jié)束語

（1）隧道錨開挖一般對工程質(zhì)量、進(jìn)尺及安全控制等要求嚴(yán)格，通過爆破試驗(yàn)對爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證是至為關(guān)鍵的。

（2）油溪長江大橋北岸隧道錨開挖進(jìn)行了兩期開挖試驗(yàn)，反饋信息實(shí)現(xiàn)了參數(shù)校核、振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證、衰減規(guī)律的回歸分析，形成科學(xué)合理的爆破施工方案，達(dá)到了預(yù)期的爆破效果。

（3）根據(jù)相關(guān)規(guī)范并結(jié)合彈性波理論、參考相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)提出了油溪長江大橋北岸隧道錨爆破開挖振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，對保護(hù)重要結(jié)構(gòu)物起到了重要的作用。