楊仁樹，車玉龍，馮棟凱，王強(qiáng)勛

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

在城市地鐵建設(shè)中，因造價低、拆遷少、所需專用設(shè)備少等特點(diǎn)，鉆爆法廣泛應(yīng)用于地鐵爆破開挖的施工[1-2]。爆破開挖對地表建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的震動危害亦愈受重視,如何將爆破震動災(zāi)害降至最低已為工程界、學(xué)術(shù)界所關(guān)注[3-9]。地鐵區(qū)間隧道爆破主要面臨爆破振速滿足設(shè)計要求、周邊成型達(dá)到設(shè)計要求及安全高質(zhì)高效施工等三方面。其中爆破振速為首控因素。為降低爆破振速，陳慶等[10]從合理微差時間、單段起爆藥量、微差起爆、掘進(jìn)進(jìn)尺及預(yù)裂爆破等五方面提出爆破減振技術(shù)措施；張永興等[11]針對開挖順序提出減振措施；傅洪賢等[12]研究表明電子雷管降振效果良好，但成本較高。以上均以開挖掌子面全部炮眼為研究對象，而實(shí)際的城市地鐵隧道爆破施工中，掏槽眼爆破所致爆破振動最大，降低該振速在一定程度相當(dāng)于降低峰值最大振速，常規(guī)降振方法[13]為減小循環(huán)進(jìn)尺(但會影響工期)及改變掏槽方式[14]。如采用大空孔直眼掏槽[15]或分級復(fù)式楔形掏槽[16]等方式，其缺點(diǎn)是增加打眼時間，間接影響工期。采用預(yù)裂爆破既不改變掏槽方式，亦無需減小循環(huán)進(jìn)尺，但周邊眼預(yù)裂爆破因炮眼多、藥量大及自由面少等因素，導(dǎo)致預(yù)裂爆破本身振動較大，故較少采用[17]。楊仁樹等[18-20]通過對切縫藥包(聚能管)定向斷裂爆破研究應(yīng)用表明，切縫藥包在切縫處具有能量匯聚作用，而在非切縫處能保護(hù)被爆巖體，有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)裂爆破。

基于上述研究成果，結(jié)合青島地鐵3號線爆破施工，本文提出新的減振措施，即采用切縫藥包在掏槽眼上方一定距離處，橫向布置數(shù)個炮孔進(jìn)行預(yù)裂爆破，使掏槽眼與保護(hù)區(qū)之間形成具有一定寬、深度的預(yù)裂縫，以阻礙、隔斷掏槽眼爆破產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波向上傳播，降低掏槽眼爆破振速，因而降低峰值振動速度。該方法既能保證循環(huán)進(jìn)尺，又無需對掏槽方式進(jìn)行大改變，故能實(shí)現(xiàn)安全高效施工。

1 切縫藥包預(yù)裂爆破減振原理

圖1 地震波繞過預(yù)裂縫

用切縫藥包對掏槽眼上方預(yù)裂孔實(shí)施爆破，使其在預(yù)裂孔位置形成爆炸裂縫及裂隙區(qū)；再爆破掏槽眼，其產(chǎn)生的應(yīng)力波由兩部分[21]組成，一部分直接傳播到預(yù)裂縫下表面，在界面處發(fā)生反射、折射及透射，消耗大部分地震波能量，進(jìn)入保護(hù)區(qū)能量較小，可有效降低保護(hù)區(qū)振動；一部分繞過預(yù)裂縫進(jìn)入上表面向上傳播，其地震波強(qiáng)度亦被削弱，見圖1。故預(yù)裂縫的存在將減少、阻礙地震波向上傳播，導(dǎo)致地面質(zhì)點(diǎn)振速降低。

圖2 切縫藥包爆破原理

普通爆破時應(yīng)力波及爆轟氣體壓力共同作用，即沖擊波“壓碎”藥包附近巖石，應(yīng)力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙，爆轟氣體“楔入”裂隙中，使其延伸、擴(kuò)張致巖體脫落破碎。而切縫藥包爆炸時，在非切縫處爆轟產(chǎn)物直接沖擊外殼表面，因外殼密度大于爆轟波陣面上產(chǎn)物的密度，且外殼壓縮性一般小于爆轟產(chǎn)物的壓縮性，故爆轟產(chǎn)物由該表面反射產(chǎn)生反射沖擊波[22]；透射波經(jīng)衰減后，作用于孔壁的能量大大降低，減少非切縫區(qū)域孔壁產(chǎn)生徑向裂縫的可能性；而在切縫方向，爆轟產(chǎn)物直接沖擊空氣介質(zhì)產(chǎn)生沖擊波，形成集中高速、高壓射流定向作用于切縫向炮孔壁。若其沖量密度大于巖體臨界沖量密度，則在炮孔壁上產(chǎn)生破裂，預(yù)先形成初始裂縫。爆轟氣體反射后向切縫方向集中，增強(qiáng)切縫方向的破壞作用[23-24]。切縫藥包定向斷裂控制爆破特點(diǎn)為巧妙利用炸藥的動、靜作用，爆炸能量利用更趨合理。切縫藥包爆破原理見圖2。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 工程概況及地質(zhì)情況

青島地鐵3號線長25.93 km，全部為地下線路，采用鉆爆法施工。試驗(yàn)區(qū)位于K15+999 m處，斷面為馬蹄形，寬5.8 m，高6.1 m，斷面積30.8 m2，埋深22 m，采用楔形掏槽形式進(jìn)行全斷面爆破，工程地質(zhì)條件見圖3。施工采用Φ32 mm×300 g的2號巖石乳化炸藥，試驗(yàn)所用切縫藥包結(jié)構(gòu)[24]見圖4，套管為硬質(zhì)PVC管，內(nèi)徑36 mm，外徑40 mm，壁厚2 mm，預(yù)制裂縫寬4 mm。

圖3 工程地質(zhì)條件

圖4 切縫藥包結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 切縫藥包預(yù)裂爆破成縫試驗(yàn)

采用切縫藥包預(yù)裂爆破能否將待爆巖石破裂開及預(yù)裂后裂紋及裂隙區(qū)情況如何備受關(guān)注，尤其巖石較完整且堅硬時，其預(yù)裂爆破效果已成阻礙其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為觀察切縫藥包預(yù)裂爆破效果，對掌子面拱頂進(jìn)行5孔切縫藥包預(yù)裂爆破，爆破方案見圖5，炮孔深度2 m，單孔裝藥量600 g。采用軸向空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，用導(dǎo)爆索連接炸藥，5個預(yù)裂孔同時起爆，見圖6。爆破后的裂縫效果見圖7。除渣后效果見圖8。由圖7看出，切縫藥包預(yù)裂爆破形成的裂縫長度約3 m，寬度約6-9 cm。由圖8看出，切縫藥包預(yù)裂爆破成型規(guī)整。其原因?yàn)橛们锌p藥包進(jìn)行預(yù)裂爆破時能量沿切縫即輪廓線方向優(yōu)先并大量釋放，導(dǎo)致裂紋長、寬度增加；在非切縫方向因切縫管外殼的存在，導(dǎo)致作用于孔壁的能量大大降低，使非切縫區(qū)域孔壁產(chǎn)生的徑向裂縫大大減少，故周邊成型規(guī)整，半眼痕率較高。試驗(yàn)證明采用切縫藥包預(yù)裂爆破能較好將巖石破裂，并形成具有一定長度、寬度的裂縫。

圖5 爆破方案(單位：mm)

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)

圖7 爆破生成的裂縫

2.3 切縫藥包預(yù)裂爆破減振試驗(yàn)

(1) 原爆破方案。為對比分析降振效果，先按原方案施工，見圖9，參數(shù)見表1。

(2) 5孔普通藥包預(yù)裂爆破試驗(yàn)。采用普通藥包進(jìn)行預(yù)裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5個炮孔，間距600 mm，炮孔深2.2 m，采用普通藥包軸向空氣間隔裝藥，用導(dǎo)爆索連接，其它參數(shù)不變。爆破方案見圖10，具體參數(shù)見表2。

(3) 5孔切縫藥包預(yù)裂爆破試驗(yàn)。在試驗(yàn)(2)基礎(chǔ)上將5個預(yù)裂孔的普通藥包改為切縫藥包進(jìn)行預(yù)裂爆破，其它參數(shù)不變。

圖9 原爆破方案(單位mm)

表1 爆破參數(shù)

表2 爆破參數(shù)

圖10 預(yù)裂爆破試驗(yàn)方案(單位mm)

表3 不同方案試驗(yàn)結(jié)果(單位cm/s)

(4) 7孔切縫藥包預(yù)裂爆破。在試驗(yàn)(3)基礎(chǔ)上將5個切縫藥包預(yù)裂孔增加到7個進(jìn)行預(yù)裂爆破，其它參數(shù)不變。

為便于對比分析，上述試驗(yàn)全部按圖1進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，不同方案試驗(yàn)結(jié)果見表3，爆破方案(1)-(4)的測試波形見圖11-圖18。

圖11 爆破方案(1)點(diǎn)1(拱頂)測試波形

圖12 爆破方案(1)點(diǎn)2(側(cè)向)測試波形

圖13 爆破方案(2)點(diǎn)1(拱頂)測試波形

圖14 爆破方案(2)點(diǎn)2(側(cè)向)測試波形

圖15 爆破方案(3)點(diǎn)1(拱頂)測試波形

圖16 爆破方案(3)點(diǎn)2(側(cè)向)測試波形

圖17 爆破方案(4)點(diǎn)1(拱頂)測試波形

圖18 爆破方案(4)點(diǎn)2(側(cè)向)測試波形

2.4 結(jié)果分析

(1) 將上述試驗(yàn)過程定義為爆破方案1、2、3、4，據(jù)測點(diǎn)1(拱頂)測試結(jié)果，繪制拱頂振速變化規(guī)律見圖19。由圖19看出，采用預(yù)裂爆破時質(zhì)點(diǎn)三方向振速中Z向(垂向)振速最大，三方向的合成速度高于任一方向。對比爆破方案2、1知，合成速度降低12.6%，X向(徑向)降低45.9%，Y方向(切向)降低32.7%，Z向(垂向)增加5.8%。對比爆破方案3、1知，合成速度降低37.1%，X向降低48.6%，Y向降低36.6%，Z向降低27.7%。對比爆破方案4、1知，合成速度降低27.2%，X向降低43.6%，Y向降低33.2%，Z向降低19.8%。與原方案相比，對拱頂上方質(zhì)點(diǎn)峰值振速，采用5孔切縫藥包預(yù)裂爆破降振效果最明顯。

圖19 拱頂振速變化規(guī)律

圖20 側(cè)向振動變化規(guī)律

(2) 據(jù)測點(diǎn)2(側(cè)向)測試結(jié)果，繪制側(cè)向振速變化規(guī)律見圖20。由圖20看出，采用預(yù)裂爆破，質(zhì)點(diǎn)三方向振速中Y向(垂向)振速最大；三方向合成速度高于任一方向。對比爆破方案2、1知，合成速度降低36.8%，X向降低41.5%，Y向降低14.7%，Z向降低54.6%。對比爆破方案3、1知，合成速度降低21.1%，X向降低48.3%，Y向增加5.6%，Z向降低11.8%。對比爆破方案4、1知，合成速度降低8.5%，X向降低20.3%，Y向降低0.7%，Z向增加6.7%。與原方案相比，對側(cè)向質(zhì)點(diǎn)峰值振速，5孔普通預(yù)裂爆破降振效果最明顯。

(3) 原因分析。將預(yù)裂爆破與原方案比較看出，采用此預(yù)裂爆破，即在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5-7個預(yù)裂孔爆破形成裂縫及裂隙區(qū)，能減少、阻礙掏槽眼爆破產(chǎn)生的振動波向上傳播，而預(yù)裂孔本身因炮孔少，段裝藥量較原方案掏槽眼藥量低，兩者共同作用降低爆破振動速度。

對比5孔切縫藥包預(yù)裂及普通藥包預(yù)裂知，在非切縫(拱頂)方向爆轟產(chǎn)物直接沖擊其外殼表面，發(fā)生透射、反射等復(fù)雜現(xiàn)象后再作用于圍巖，爆破能量有所降低，故拱頂質(zhì)點(diǎn)峰值振速降低；但在切縫方向(側(cè)向)相反，由于切縫的存在，使炸藥爆炸能量優(yōu)先沿切縫方向集中釋放，由于管壁對爆生氣體包裹作用，使爆生氣體具有足夠強(qiáng)度及作用時間，導(dǎo)致側(cè)向質(zhì)點(diǎn)峰值振速增加。

對比5孔切縫藥包預(yù)裂爆破與7孔切縫藥包預(yù)裂爆破知，由于預(yù)裂孔數(shù)的增加，使段裝藥量增加，預(yù)裂孔總能量有所增強(qiáng)，故在切縫方向(側(cè)向)及非切縫方向(拱頂)質(zhì)點(diǎn)峰值振速有所增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

以青島地鐵3號線區(qū)間爆破開挖為工程背景，通過試驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1) 采用預(yù)裂爆破時拱頂上方質(zhì)點(diǎn)Z向振速最大；側(cè)向質(zhì)點(diǎn)Y向振速最大，Z向次之，X向最小。

(2) 單循環(huán)進(jìn)尺、炮眼數(shù)、總裝藥量基本相同時，可在掏槽眼上方600 mm處橫向布置5-7個預(yù)裂孔，采用不同藥包進(jìn)行預(yù)裂爆破形成裂縫及裂隙區(qū)，能減少及阻礙掏槽眼爆破引起的震動波向上傳播，可有效控制掏槽眼引起的振速。

(3) 與5孔普通藥包預(yù)裂爆破相比，5孔切縫藥包預(yù)裂爆破有助于降低拱頂上方質(zhì)點(diǎn)峰值振速，但側(cè)向質(zhì)點(diǎn)峰值振速有所增大。

(4) 切縫藥包預(yù)裂爆破7孔與5孔相比，隨預(yù)裂孔數(shù)目、段裝藥量的增加，拱頂及側(cè)向質(zhì)點(diǎn)峰值振速均有所增大。

(5) 施工中應(yīng)綜合分析現(xiàn)場實(shí)際情況，采用合理的爆破減振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全高效施工。

[1] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2010.

[2] 高文學(xué)，顏鵬程，李志星，等.淺埋隧道爆破開挖及其振動效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011,30(S2)：4153-4157.

GAO Wen-xue，YAN Peng-cheng，LI Zhi-xing,et al.Blasting excavation and vibration effects of shallow tunnel excavation [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011,30 (S2):4153-4157.

[3] 李夕兵，凌同華，張義平.爆破震動信號分析理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[4] 蔣耀港，沈兆武，楊昌德.市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下大藥量爆破降振及振動監(jiān)測分析的研究[J].振動與沖擊,2012,31(1):156-161.

JIANG Yao-gang，SHEN Zhao-wu，YANG De-chang.Big charge blasting vibration damping and vibration monitoring analysis under intracity complicated environment[J].Journal of Vibration and Shock，2012,31(1):156-161.

[5] 丁凱，方向，范磊，等.減震溝對爆破地震波能量特性影響試驗(yàn)研究[J].振動與沖擊,2012,31(13):113-118.

DING Kai，F(xiàn)ANG Xiang，F(xiàn)AN Lei，et al.Characteristics variation of blasting seismic wave energy affected by a damping ditch[J].Journal of Vibration and Shock，2012，31(13):113-118.

[6] 史秀志，周健，杜坤，等.爆破振動對民房破壞效應(yīng)預(yù)測的BDA模型及應(yīng)用[J].振動與沖擊,2010,29(7):60-65.

SHI Xu-zhi，ZHOU Jian，DU Kun，et al.BDA model for predicting destructive effect of blast vibration on housing[J].Journal of Vibration and Shock，2010,29(7):60-65.

[7] 言志信，言浬，江平，等.爆破振動峰值速度預(yù)報方法探討[J],振動與沖擊,2010,29(5):179-182.

YAN Zhi-xin，YAN Li，JIANG Ping，et al.Prediction methods for blast ing-induced ground vibration velocity [J].Journal of Vibration and Shock，2010,29(5):179-182.

[8] 李洪濤，盧文波，舒大強(qiáng)，等.爆破地震波的能量衰減規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(S1):3364-3369.

LI Hong-tao，LU Wen-bo，SHU Da-qiang，et al.Study of energy attention law of blast-induced seismic wave[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S1):3364-3369.

[9] 宗琦，汪海波，周勝兵.爆破地震效應(yīng)的監(jiān)測和控制技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(5):938-945.

ZONG Qi，WANG Hai-bo，ZHOU Sheng-bing.Research on monitoring and controlling techniques considering effects of seismic shock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008,27(5):938-945.

[10] 陳慶，王宏圖，胡國忠，等.隧道開挖施工的爆破振動監(jiān)測與控制技術(shù)[J].巖土力學(xué),2005,26(6):964-967.

CHEN Qing，WANG Hong-tu，HU Guo-zhong，et al.Monitoring and controlling technology for blasting vibration induced by tunnel excavation[J].Rock and Soil Mechanics，2005,26(6):964-967.

[11] 張永興，張遠(yuǎn)華.隧道爆破開挖條件下地表建筑振動速度響應(yīng)研究[J].地震工程與工程振動,2010,30(6):112-119.

ZHANG Yong-xing，ZHANG Yuan-hua.Research on vibration velocity responses of surface building under the condition of blasting excavation in tunnel[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2010，30(6):112-119.

[12] 傅洪賢，沈周，趙勇，等.隧道電子雷管爆破降振技術(shù)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，3 (31): 598-603.

FU Hong-xian，SHEN Zhou，ZHAO Yong,et al.Experimental study of decreasing vibration technology of tunnel blasting with digital detonator[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012,3(31):598-603.

[13] 楊年華，張志毅.隧道爆破控制技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2010,1:82-86.

YANG Nian-hua，ZHANG Zhi-yi.Research on the control technology for tunnel blasting vibration[J].Journal of Railway Engineering Society，2010,1:82-86.

[14] 張俊兵，胡國偉.淺埋不良地質(zhì)條件下小凈距隧道掘進(jìn)與減振爆破技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2011,1:51-56.

ZHANG Jun-bing，HU Guo-wei.Research on driving and damping blasting technologies for construction of shallow small clear-distance tunnel under favorable geological conditions [J].Journal of Railway Engineering Society，2011，1:51-56.

[15] Yang Ren-shu,Che Yu-long,Tong Xing，et al.Experimental study on the technology of middle empty hole in parallel hole cut blasting[J].Advanced Material Research，2012，594/597: 1314-1317.

[16] 東兆星，李佃平，李正龍，等.隧道掘進(jìn)常用掏槽方式及參數(shù)合理性評價與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(9):1478-1482.

DONG Zhao-xing，LI Dian-ping，LI Zheng-long,et al.Evaluation and analysis on the rationality of undermine patterns and parameters for tunneling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22 (9):1478-1482.

[17] 唐海，李海波，周青春，等.預(yù)裂爆破震動效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(11):2277-2284.

TANG Hai，LI Hai-bo，ZHOU Qing-chun，et al.Experimental study of vibration effect of presplit blasting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010,29(11): 2277-2284.

[18] 楊仁樹，佟強(qiáng)，楊國梁.聚能管裝藥預(yù)裂爆破模擬試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，39(5)：631-635.

YANG Ren-shu，TONG Qiang，YANG Guo-liang.Pre-splitting blasting with binding energy tube charges simulations and experimental research[J].Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(5)：631-635.

[19] 楊國梁，楊仁樹，佟強(qiáng).切縫藥包掏槽爆破研究與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2012,3:385-388.

YANG Guo-liang，YANG Ren-shu，TONG Qiang.Research and application of cut blasting with slotted charge[J].Journal of China Coal Society，2012,3:385-388.

[20] 楊仁樹，張召冉，楊立云，等.基于硬巖快掘技術(shù)的切縫藥包聚能爆破試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013,32(2): 317-323.

YANG Ren-shu，ZHANG Zhao-ran，YANG Li-yun，et al.Cumulative blasting experiment study on slotted cartridge based on hard-rock rapid driving technology[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013,32(2): 317-323.

[21] 王幸榮.預(yù)裂縫減振效果研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2006.

[22] 蒲傳金，張志呈，郭學(xué)彬.切縫藥包爆破的研究現(xiàn)狀和存在的問題[J].四川冶金,2006,28(4):1-5.

PU Chuan-jin，ZHANG Zhi-cheng，GUO Xue-bin，et al.Current situation of cutting seam cartridge blasting and existent problems[J].Sichuan Metallurgy,2006,28(4):1-5.

[23] 姜琳琳.切縫藥包定向斷裂爆破機(jī)制與應(yīng)用研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué),2010.

[24] 羅勇，沈兆武.切縫藥包巖石定向斷裂爆破的研究[J].振動與沖擊,2006,25(4):155-158.

LUO Yong，SHEN Zhao-wu.Study on the directional fracture controlled blasting with slit-charge in rock[J].Journal of Vibration and Shock，2006,25(4):155-158.