復(fù)雜環(huán)境下淺埋隧道智能減震爆破施工技術(shù)

華濤，馬建清，陳勇，張慶明，黃明奎

（1 重慶交通建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401122；2 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

城市地鐵隧道施工環(huán)境多具有地質(zhì)條件差、埋深淺和周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，淺埋暗挖法能克服明挖法對(duì)地面交通造成的影響。相對(duì)于TBM 或盾構(gòu)等機(jī)械開(kāi)挖，鉆爆法對(duì)復(fù)雜地層具有較好的適應(yīng)性和靈活性，已在復(fù)雜環(huán)境工程下的城市地鐵等淺埋隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而，在復(fù)雜環(huán)境下的地下工程施工中采用鉆爆法掘進(jìn)，將不可避免地產(chǎn)生爆破有害效應(yīng)，如爆破震動(dòng)、噪音等，不僅影響工程的開(kāi)挖質(zhì)量和開(kāi)挖支護(hù)效率，而且給周?chē)ǎ?gòu)）物的安全和居民生活帶來(lái)較大影響[2]。因此，如何控制爆破掘進(jìn)過(guò)程中的爆破有害效應(yīng)，已成為復(fù)雜環(huán)境下淺埋隧道鉆爆施工的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，降低爆破有害效應(yīng)主要有三種方式[3]：（1）降低爆破震源的震動(dòng)強(qiáng)度；（2）阻隔或切斷爆破振動(dòng)波的傳播路徑；（3）對(duì)受爆破影響的建（構(gòu)）物加以保護(hù)。國(guó)內(nèi)工程主要以第一種方式降低爆破有害效應(yīng)，如分段微差爆破[4]、減小炸藥用量[5]、減小一次爆破開(kāi)挖斷面或減小爆破進(jìn)尺[6]等。這些方式在一定環(huán)境下雖能將爆破震動(dòng)控制在安全規(guī)程要求的范圍之內(nèi)，但在復(fù)雜環(huán)境下勢(shì)必降低隧道的掘進(jìn)效率，增加施工成本，因此難以在城市等復(fù)雜環(huán)境下被建設(shè)單位采用。所以在城市等復(fù)雜環(huán)境下采用一種高效、科學(xué)以及低成本的隧道爆破減震開(kāi)挖技術(shù)尤為重要[7]。本文以重慶市軌道交通環(huán)線沙玉區(qū)間隧道鉆爆開(kāi)挖工程為背景，研究分析了復(fù)雜環(huán)境下淺埋隧道智能減震爆破施工技術(shù)，在工程實(shí)踐中取得了較好效果，結(jié)果可為類(lèi)似條件下鉆爆施工減震提供借鑒和參考。

1 智能減震爆破施工技術(shù)

爆破振動(dòng)控制是復(fù)雜環(huán)境下淺埋隧道爆破施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)爆破施工工期、工程的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益造成直接影響[8-9]。本文以重慶軌道環(huán)線淺埋隧道鉆爆開(kāi)挖工程為例，對(duì)智能減震爆破施工技術(shù)開(kāi)展研究，得到了如下智能減震爆破施工技術(shù)：

（1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境條件，分析隧道開(kāi)挖引起地應(yīng)力重新分布的特點(diǎn)和規(guī)律，確定圍巖受力合理的隧道分部開(kāi)挖的斷面形狀和尺寸[10]，以調(diào)整和改善隧道開(kāi)挖成形后周邊圍巖受力條件，使分部開(kāi)挖斷面輪廓形成“壓力拱”，充分利用圍巖自承能力，在降低圍巖壓力的同時(shí)，極大減弱后續(xù)主爆炮孔爆破對(duì)“壓力拱”外巖體的影響，減小爆破震動(dòng)；

（2）空孔能有效阻止爆破應(yīng)力波的傳播，當(dāng)應(yīng)力波在傳遞過(guò)程中遇到空孔時(shí)，其能量能夠得到極大的轉(zhuǎn)換和釋放，可極大降低爆破震動(dòng)[11]?；诖嗽恚趥鹘y(tǒng)預(yù)裂爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上，本減震技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)預(yù)裂孔進(jìn)行改造，通過(guò)研究和分析，周邊預(yù)裂孔采用每?jī)蓚€(gè)裝藥孔中間加一個(gè)空孔，即預(yù)裂減震空孔。一方面空孔可改善巖體的夾制作用，為預(yù)裂縫貫通創(chuàng)造有利條件，另一方面還可減小裝藥孔數(shù)量，進(jìn)而減少周邊孔起爆炸藥量從而降低爆破震動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還可改變波的頻率分布，分散主頻段能量。這極大降低了爆破震動(dòng)效應(yīng)，達(dá)到了減震的目的；

（3）為了避免（2）中預(yù)裂減震空孔造成炸藥減少對(duì)爆破效果的影響，通過(guò)波的傳播和疊加原理分析，考慮與周邊孔緊鄰的一圈崩落孔的布置采用與周邊孔形成梅花型的布置形式（圖1），充分提高炮孔炸藥利用率，增強(qiáng)爆破作用效果；

圖1 減震孔、預(yù)裂孔布置示意圖

（4）采用傳統(tǒng)的大空孔掏槽技術(shù)。根據(jù)（1）中確定的開(kāi)挖斷面形狀和尺寸，采用中央大空孔（單空孔、雙空孔或多空孔等）掏槽爆破技術(shù)，改善爆破條件，以減小主爆炮孔爆破對(duì)圍巖和周?chē)ǎ?gòu)）筑物的影響，降低爆破震動(dòng)；

（5）利用當(dāng)前的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，在爆破過(guò)程中采用智能爆破測(cè)振儀、能靈活設(shè)置延期時(shí)間的電子雷管（如EDF-1 工業(yè)電子雷管）、基于物聯(lián)網(wǎng)的電子雷管編碼起爆系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)和地表爆破振動(dòng)同步測(cè)量，實(shí)現(xiàn)爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)施工、爆破振動(dòng)的智能化。通過(guò)系統(tǒng)分析和判斷，及時(shí)掌控爆破方案對(duì)周?chē)舾协h(huán)境的影響，利用震動(dòng)波波峰、波谷疊加減震原理[12]，動(dòng)態(tài)調(diào)整爆破各分段起爆的延遲起爆時(shí)間等爆破參數(shù)，減小爆破振動(dòng)強(qiáng)度和速度，達(dá)到減震和保護(hù)周?chē)ǎ?gòu)）物，減小對(duì)周邊居民正常生活影響的目的。

2 智能減震技術(shù)工程應(yīng)用及效果分析

2.1 工程概況

重慶市軌道交通環(huán)線沙玉區(qū)間隧道工程位于江北區(qū)與渝北區(qū)交界處，通過(guò)地區(qū)地質(zhì)條件及環(huán)境十分復(fù)雜。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)文件，沙玉區(qū)間隧道場(chǎng)地原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，丘包和溝谷相間排列。地層構(gòu)造部位屬沙坪壩背斜西翼，巖層主要產(chǎn)狀270°～320°∠5°～7°，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀290°∠6°。場(chǎng)地存在兩組構(gòu)造裂隙，其中一組偶見(jiàn)鈣質(zhì)充填，裂隙間距約為1.0～2.0m，結(jié)合性較差；另一組則偶見(jiàn)泥質(zhì)充填，裂隙間距2.0～5.0m，，結(jié)合性也差，兩組裂隙均屬于硬性結(jié)構(gòu)面。巖層從上往下依次為第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml），殘坡積層（Q4el+dl），崩坡積層（Q4col+dl）以及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）沉積巖層。隧道所處圍巖以砂巖為主，巖體的Kv=0.71～0.72，較完整；砂巖單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度為26.9～37.5MPa，圍巖的彈性縱波速度為3405～3409 m/s，場(chǎng)地地下水以大氣降水和給排水管道滲漏補(bǔ)給為主，根據(jù)勘察報(bào)告及水力特征等判斷，隧道線路沿線地下水為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

隧道埋深4.3～11.80m，隧頂中等風(fēng)化基巖厚度小于2.0 倍的圍巖壓力拱，為淺埋隧道，成洞條件差。隧道處于城市復(fù)雜環(huán)境條件，下穿住宅小區(qū)，其中下穿3-3 棟（YDK10+556.04～+586.92）、3-4 棟（YDK10+605.053～+641.003）、3-1 棟（YDK10+653.024～+682.250）居民樓區(qū)段隧道洞頂距離居民樓樁基僅3.05～3.66m。在前期，隧道開(kāi)挖采用微弱爆破技術(shù)，雖然每階段爆破施工都分多段進(jìn)行，但仍然對(duì)上部房屋及居民生活造成很大影響。鑒于該段施工的工期壓力，采用機(jī)械開(kāi)挖無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此，為保證上部房屋結(jié)構(gòu)的安全、居民的正常生活，并滿(mǎn)足本區(qū)間隧道的工期要求，經(jīng)過(guò)大量的研究和實(shí)踐，提出智能減震爆破技術(shù)措施進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)。

2.2 智能減震控制技術(shù)及措施

（1）合理確定分部開(kāi)挖斷面

根據(jù)沙玉區(qū)間隧道現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件和隧道斷面大小，合理確定隧道分部開(kāi)挖斷面大小，使洞室圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中受力合理，為爆破減震創(chuàng)造良好的條件。結(jié)合該工程具體地質(zhì)條件：隧道圍巖以砂巖為主，巖體較完整，砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度26.9～37.5MPa，隧道斷面尺寸為12.5（寬）×8.9（高）m。根據(jù)圍巖合理受力的隧道開(kāi)挖形狀和尺寸確定方法和原理，初步確定依托工程隧道開(kāi)挖斷面按三臺(tái)階法開(kāi)挖，其中上臺(tái)階高度為3m，中臺(tái)階高度為3m，下臺(tái)階高度為2.9m。

（2）分段并嚴(yán)格控制微差爆破時(shí)間和裝藥量

斷面采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階爆破分階段進(jìn)行，每階段采用分段微差起爆，對(duì)總裝藥量及單孔裝藥量嚴(yán)格控制。為充分利用智能監(jiān)測(cè)結(jié)果，基于波峰、波谷疊加減震原理，動(dòng)態(tài)調(diào)整藥量及分段爆破延遲時(shí)間，減小質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，使爆破振動(dòng)效應(yīng)降低到安全規(guī)程范圍以?xún)?nèi)。該依托工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和掘進(jìn)效率要求，綜合考慮地表建筑物保護(hù)要求，確定上臺(tái)階炮孔深度為1.2m，單孔裝藥量為200g，單次起爆藥量控制在400g 以?xún)?nèi)；中下臺(tái)階炮孔深度增加至1.9m，分階段多段起爆，單孔裝藥量300g，在鉆爆掘進(jìn)過(guò)程中每階段起爆藥量根據(jù)智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整。其中上臺(tái)階炮孔布置如圖2 所示，各階段裝藥量及爆破相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

圖2 上臺(tái)階分階段炮孔布置示意圖

表1 上臺(tái)階減震爆破參數(shù)表

（3）綜合減震技術(shù)

該工程根據(jù)前述智能減震技術(shù)要求，首先采用雙大空孔掏槽減震技術(shù)，即在上臺(tái)階開(kāi)挖斷面中心偏下豎直方向鉆設(shè)兩個(gè)直徑為150mm 的大直徑空孔，空孔豎直方向凈距不小于300mm，空孔布置示意圖見(jiàn)圖2；其次，在周邊孔采用減震孔預(yù)裂爆破技術(shù)，即在周邊孔中每?jī)蓚€(gè)預(yù)裂孔中間加一個(gè)空孔作為減震孔，同時(shí)對(duì)周邊孔緊鄰的光爆層裝藥孔與周邊孔采用梅花形布置，抵抗線采用65cm；第三，在隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)智能測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，自動(dòng)采集并處理掌子面和地表建（構(gòu)）筑物爆破振動(dòng)有害效應(yīng)等爆破信息，根據(jù)震動(dòng)波的波峰、波谷疊加減震原理，動(dòng)態(tài)調(diào)整各段起爆藥量及時(shí)間間隔等爆破參數(shù)。

（4）減震技術(shù)應(yīng)用效果分析

在依托工程爆破施工過(guò)程中，建設(shè)單位將本文提出的智能減震爆破施工技術(shù)措施應(yīng)用于工程中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)以及地表建（構(gòu)）筑物震動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果和多次對(duì)起爆藥量及各段起爆時(shí)間等爆破參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，在整個(gè)沙玉區(qū)間隧道復(fù)雜環(huán)境段施工過(guò)程中，地表擬保護(hù)的建（構(gòu)）筑物的最大振動(dòng)速度均控制在1cm/s 以?xún)?nèi)，其中地表住宅典型斷面測(cè)試的最大振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)如表2 所示，滿(mǎn)足地表建（構(gòu)）筑物規(guī)范規(guī)定的要求，減震效果十分明顯，同時(shí)也減小了對(duì)上部居民生活的影響，減少了相關(guān)的民事糾紛，使得工程較為順利地通過(guò)了密集的建（構(gòu)）筑物區(qū)段。

表2 爆破振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)智能減震爆破技術(shù)的研究分析以及在依托工程中實(shí)施城市復(fù)雜環(huán)境下地鐵淺埋隧道爆破施工，本文提出的智能減震爆破控制施工技術(shù)可有效地減小爆破振動(dòng)有害效應(yīng)，減少甚至避免了建設(shè)單位與周邊居民間的民事糾紛，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（1）在復(fù)雜環(huán)境地下工程爆破開(kāi)挖過(guò)程中，確定圍巖受力合理的開(kāi)挖洞室形狀和尺寸，是減震爆破較為重要的手段，應(yīng)予以充分重視。

（2）采用大空孔掏槽+減震預(yù)裂孔+光爆層控制爆破等綜合減震技術(shù)，可有效降低地下工程爆破震動(dòng)速度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，該依托工程地表建（構(gòu)）筑物的最大震動(dòng)速度均控制在1cm/s 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足安全規(guī)程的相關(guān)要求。

（3）在減震爆破實(shí)施中采用爆破振動(dòng)智能測(cè)試儀，同步完成爆破現(xiàn)場(chǎng)和地表建（構(gòu)）筑物的爆破震動(dòng)測(cè)試，及時(shí)準(zhǔn)確追蹤爆破減震效果，利用振動(dòng)波的波峰、波谷疊加減震原理動(dòng)態(tài)調(diào)整各段起爆藥量及時(shí)間等爆破控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)爆破減震信息化、智能化。