西部高海拔環(huán)境下山嶺隧道施工中的微振控制爆破技術(shù)?

王景春 劉凱林 李永昊

石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)診斷與控制研究所(河北石家莊，050043)

引言

隨著西部地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，基于多山、高海拔的復(fù)雜地理環(huán)境，特高、特長的山嶺隧道成為西部交通建設(shè)的必然選擇[1]。故需要對隧道鉆爆法施工產(chǎn)生的振動進行精確控制。

學(xué)者們對于隧道鉆爆施工減振控制方面開展了許多卓有成效的工作。周慈亮等[2]詳細介紹了某型電子雷管在隧道控制爆破中的應(yīng)用，介紹了電子雷管的概念、主要功能及在隧道控制爆破中的優(yōu)勢。趙志剛等[3]為減少超大斷面黃土隧道開挖爆破對既有隧道中人、車通行安全的影響，對爆破參數(shù)及施工工序進行了設(shè)計研究，提出了合理的爆破施工參數(shù)及控制技術(shù)。王松青等[4]利用現(xiàn)場條件與爆破器材，通過對鉆爆法施工方案和爆破參數(shù)進行修改，有效地控制了爆破振動對周圍建筑物的擾動，在復(fù)雜環(huán)境隧道控制爆破中有較好的應(yīng)用。陳至昊等[5]依據(jù)控制爆破的相關(guān)理論，優(yōu)化掏槽形式、改變炮孔排間距，使爆破振速降至0.5 cm/s 以內(nèi)，實現(xiàn)了淺埋隧道微振控制爆破。傅洪賢等[6]在隧道施工中引入電子雷管，并在現(xiàn)場進行單孔連續(xù)起爆試驗，根據(jù)振動監(jiān)測結(jié)果優(yōu)化爆破參數(shù)和減振措施，形成有效的隧道微振爆破技術(shù)。

這些研究的背景各具特點，但大部分爆區(qū)周圍環(huán)境復(fù)雜性相對較弱，爆破施工對周邊危害小，受保護對象和所需考慮因素單一。目前，復(fù)雜環(huán)境下山嶺隧道的爆破振動控制和爆破施工技術(shù)研究較少[7]，對低振速要求下掘進尺、爆破參數(shù)以及施工方法等尚無較好的確定方法，更少有施工遇到影響少數(shù)民族生活區(qū)(人文敏感地帶)的特殊情況。

以高海拔山嶺隧道——夏河隧道為工程背景，綜合考慮隧道近距離穿越周圍有藏民生活區(qū)的山嶺、環(huán)境復(fù)雜、房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等特點，從爆破施工和振動控制方面入手，對復(fù)雜環(huán)境隧道微振控制爆破技術(shù)進行研究，以實現(xiàn)安全爆破開挖以及對人文、生態(tài)環(huán)境的保護。

1 工程概述

夏河隧道地處甘肅省甘南藏族自治州夏河縣，整體呈東西走向，海拔3 030～3 542 m。隧道右線K24 ＋572～K25 ＋084，左線ZK24 ＋560～ZK25 ＋109，兩線間距20 m，跨度12.16 m，斷面形狀為馬蹄形。隧道施工采用新奧法，由東向西單向爆破開挖，施工時左線先行25 m。所在山體陡峻，洞身巖性為三疊系薄層泥質(zhì)板巖夾砂質(zhì)板巖，節(jié)理發(fā)育，圍巖級別以Ⅳ級為主，最大埋深約220 m。

1.1 周邊環(huán)境

爆破地點K25 ＋084 與ZK25 ＋109 及其以東沿線200 m 周邊環(huán)境復(fù)雜，如圖1 所示。黃茨灘村房屋分布在秦達公路兩旁:公路東邊房屋緊鄰開挖山體，與隧道水平距離為30 m；公路西邊房屋密集，最近距離50 m。隧道北邊為家禽養(yǎng)殖場，距離50 m；西南側(cè)為明德小學(xué)。洞口段外與高架橋相連，隧道軸線地面標(biāo)高與村莊地面標(biāo)高相差10 m。

1.2 工程難點

人在安靜環(huán)境下對于大于0.6cm/s的地面振速會有明顯的不適感覺，而廣義的微振爆破概念為不會讓人有不適感覺[8]。鑒于本工程隧道圍巖強度低、洞壁穩(wěn)定性較差，且周邊環(huán)境復(fù)雜等情況，將其概念量化，認為當(dāng)振速控制在0.5 cm/s 以下，即實現(xiàn)微振爆破。

項目工程難點如下:

1)高海拔地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，施工條件受限，人員及機械設(shè)備的工效大幅下降，有效工作時間短，爆破質(zhì)量難以保證。在工期內(nèi)安全順利通成隧道，時間緊、任務(wù)重、難度大[9]。

2)附近有村莊、學(xué)校、養(yǎng)殖場，四周需要保護的目標(biāo)較多，距離近、要求高、安全顧慮大。

3)村莊房屋類型多為20 世紀70～80 年代修建的土坯房、磚房，部分墻體存在可見裂縫，自身抗拉和抗剪強度低，存在安全隱患。因此，對爆破振動控制是本次工程重點之一。

4)該地段為藏民生活區(qū)域，屬人文環(huán)境敏感地帶，爆破與施工的不良影響需從生態(tài)與人文多點出發(fā)考慮。

2 爆破方案

2.1 原爆破方案及效果分析

原爆破方案采用上、下臺階法開挖，上臺階超前開挖12.0 m，單循環(huán)進尺3.0 m，炮孔直徑42 mm。掏槽為多級復(fù)式楔形掏槽，孔深3.3 m，單孔裝藥量1.20 kg；周邊孔深3.1 m，孔間距0.6 m，單孔裝藥量0.63 kg，線裝藥密度0.20 kg/m，密集系數(shù)為0.83；輔助孔深3.1 m，單孔裝藥量0.60 kg，孔間距0.7～1.0 m；底板孔深6.2 m，單孔裝藥量0.65 kg，孔間距0.6 m。受高海拔嚴寒條件影響，乳化炸藥極易凍結(jié)、硬化、變形[10]，降低裝填與爆破質(zhì)量；故選用2＃巖石硝銨炸藥，規(guī)格為?32 mm、200 g。除周邊光面孔采用間隔裝藥外，其他炮孔為連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。起爆方式為孔內(nèi)毫秒延期起爆，導(dǎo)爆管連接，雷管起爆。

施工后發(fā)現(xiàn)，村莊以及養(yǎng)殖場處多次感受到明顯振感。經(jīng)檢測，村中部分地區(qū)爆破振動強度超過安全標(biāo)準(zhǔn)要求，房屋結(jié)構(gòu)安全存在隱患。除此之外，還存在噪音擾民的情況。

原爆破方案設(shè)計主要為提高施工效率，縮短施工工期，減少高海拔地區(qū)惡劣環(huán)境下作業(yè)時間；而當(dāng)開挖接近復(fù)雜區(qū)域時，未能顧及對周邊環(huán)境的影響。原方案爆破振動強度過大，究其原因主要有:第一，掘進尺選擇過長，單次爆破開挖量大，對周圍環(huán)境擾動明顯，且增加了方案整體設(shè)計的炸藥用量；第二，采用的多級復(fù)式楔形掏槽，雖有利于提高循環(huán)進尺，擴大槽腔體積，但掏槽深、炮孔多、藥量大，掏槽孔單段最大起爆藥量超標(biāo)；第三，起爆網(wǎng)路設(shè)計不合理，雷管延期起爆時間間隔選擇過短，而所需分部起爆的段別過多，傳統(tǒng)雷管段別有限，且高段位雷管漂移時間大，引爆誤差明顯，同時起爆炮孔最多達80 個，振動疊加效應(yīng)顯著。

2.2 爆破方案優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)果，重新將周邊復(fù)雜環(huán)境納入考慮，堅持多打孔、弱爆破、少擾動的原則，對方案進行優(yōu)化。

2.2.1 掘進尺優(yōu)化

原爆破方案為增大有效進尺，僅設(shè)計單循環(huán)炸藥量達210 kg，各段別藥量偏大，而段別數(shù)量有限，有害效應(yīng)難以控制。

現(xiàn)方案決定，減小單次爆破規(guī)模，以控制不影響周圍房屋的安全振速為前提。經(jīng)計算并結(jié)合現(xiàn)場測量反饋后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)循環(huán)進尺控制在1.0 m 左右時，單段藥量適宜，可確保爆破掘進安全高效，易于實現(xiàn)微振爆破要求。因此，現(xiàn)方案采用1.0 m 短進尺、上臺階超前開挖5.0 m 的小臺階控制爆破方案。

2.2.2 掏槽孔優(yōu)化

掘進尺縮短后，對掏槽形式進行修改?？紤]到隧道所在山體的圍巖裂隙及節(jié)理發(fā)育，采用有利于降低爆破振動的直眼掏槽方式。掏槽孔布置為小直徑中空直孔掏槽形式，分為兩圈，形狀如圖2 所示。中心圓圈的空孔可為掏槽孔增加自由面，減小巖石的夾制作用，降低掏槽孔爆破時的振動。

2.2.3 減振控制

高海拔、低溫條件將影響傳統(tǒng)爆破器材的各項使用性能，進而影響控制爆破的效果。由于數(shù)碼電子雷管有著較好的抗水性、抗寒性，且能夠根據(jù)實際需要來設(shè)置延期間隔時間，因此，更能滿足高海拔復(fù)雜環(huán)境下的減振需求[11]。決定引入數(shù)碼電子雷管代替原方案的導(dǎo)爆管雷管，以提高延期精確性，降低振動疊加效應(yīng)，實現(xiàn)爆破的精細化控制。

入孔前，對數(shù)碼電子雷管掃描錄入時做好分組標(biāo)記，每組電子雷管按錄入順序用記號筆寫上段別，不僅利于工人掌握，且方便后續(xù)組網(wǎng)與在線檢測，確保無故障可靠起爆。每孔雙發(fā)雷管，分別裝在藥柱底部1/3 和2/3 處，兩發(fā)雷管起爆時間一致。延期時間方面:周邊孔、輔助孔相鄰段別間延期50 ms；掏槽孔、底板孔相鄰段別間延期100 ms；不同炮孔之間延期100 ms。

最后，根據(jù)隧道整體施工狀況與地面振動情況不斷調(diào)整，優(yōu)化出適合該地段的隧道掘進爆破參數(shù)，形成了適用于夏河隧道復(fù)雜環(huán)境下短進尺、小臺階、微振動的控制爆破方案。其中，光面孔距0.5 m，最小抵抗線0.6 m，線裝藥密度0.24 kg/m，裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合裝藥；鉆孔后保證孔壁干燥，避免積水結(jié)冰；裝藥完及時用沙子、巖粉等干固體填塞，注意填塞質(zhì)量；按照設(shè)定延期時間起爆。具體爆破參數(shù)見表1。炮孔布置以及段別見圖2。

表1 臺階法開挖炮孔參數(shù)Tab.1 Parameters of blasting holes in excavation by bench method

2.3 爆前準(zhǔn)備工作

1)由GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中的公式v=K(Q1/3/Rα)[12]，嚴格控制振速來驗算最大單段裝藥量是否安全。海拔高、空氣稀薄、氣候干燥等特殊條件下，即使同類巖體，系數(shù)K與衰減指數(shù)α也會存在較大差異。為確?？刂菩Чㄟ^現(xiàn)場試爆試驗對K、α進行修正。

2)將人群密集區(qū)域和存在安全隱患的民房設(shè)置為重點監(jiān)測地點，以實時監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合藏民感受，對爆破方案進行動態(tài)調(diào)整[13]。

3)施工前做好協(xié)商工作，爆破活動安排在每天固定時間段內(nèi)，避開休息時間，周圍300 m 設(shè)定為警戒區(qū)域，爆破前釋放警戒信號。

3 爆破振動及效果

本爆破工程的主要危害效應(yīng)是爆破振動。采用中國科學(xué)院TC-4850 爆破測振儀監(jiān)測，儀器布置在距隧道較近民房附近。

幾次試爆后，選取代表性地點監(jiān)測結(jié)果波形圖，見圖3?？梢钥闯?，0～0.5 s 內(nèi)，波形曲線之間具有較為明顯的微差間隔，數(shù)碼電子雷管成功發(fā)揮精細控制作用，相比原方案，爆破振動疊加被有效削弱。另外，圖3 中，爆破峰值振速為0.48 cm/s，略大于采用薩道夫斯基公式計算的理論值，這可能與各段別選取的微差時間間隔有關(guān)，但整體數(shù)據(jù)相差不大。

爆破后測得多組振動數(shù)據(jù)均滿足GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中振動頻率f ＞50 Hz 時對土坯房、毛石房的安全控制要求，且振速控制在0.5 cm/s 以內(nèi)。隨后，對附近居民進行訪問調(diào)查，均感覺振動較小，學(xué)校處幾乎無振感，未對藏民生活造成影響，達到微振爆破標(biāo)準(zhǔn)。

爆破施工后，隧道現(xiàn)場爆破效果良好，單循環(huán)進尺穩(wěn)定在1.0～1.1 m，未見明顯的超欠挖現(xiàn)象，掌子面平滑規(guī)整，炮孔利用率達90%以上，在實現(xiàn)低爆破振速條件下，保障了掘進速度，隧道順利經(jīng)過敏感地區(qū)。實踐證明，設(shè)計的方案可以滿足復(fù)雜環(huán)境下控制爆破的需求，取得了良好的社會效益。

4 結(jié)論

1)高海拔復(fù)雜環(huán)境下，隧道爆破掘進采用1.0 m 短進尺、5.0 m 小臺階、毫秒延期起爆的爆破方法，可以有效保證隧道的施工效率，維持弱圍巖隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低爆破施工對周邊環(huán)境的影響。

2)爆破振動的控制是復(fù)雜環(huán)境下施工的關(guān)鍵。通過對掘進尺、掏槽形式等進行優(yōu)化，改變爆破參數(shù)，采取減振措施，可將建筑物處的振速控制在0.5 cm/s 以下，并極大地消除居民的恐懼心理和不適感覺，滿足微振爆破要求。

3)在高海拔條件下，數(shù)碼電子雷管不僅發(fā)揮了對環(huán)境良好的適應(yīng)性，而且通過設(shè)定不同部位炮孔的延時間隔起爆，有效地發(fā)揮了錯峰降振的作用，可較好地應(yīng)用于高海拔地區(qū)的爆破施工。