李克先，趙繼增，雷 剛

(1.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000;2.北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，北京 100000)

0 引言

在硬質(zhì)巖層中，鉆爆法由于開挖成本較低，對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)在隧道施工中得以廣泛應(yīng)用。隨著科技不斷進(jìn)步，國內(nèi)外隧道爆破技術(shù)逐漸向自動(dòng)化、數(shù)字化、機(jī)械化和專業(yè)化方向發(fā)展［1］。以地鐵施工為例，由于線路多位于既有道路下方，在爆破施工過程中不可避免地產(chǎn)生爆破振動(dòng)效應(yīng)，對周邊建(構(gòu))筑物造成安全隱患。

為保證建(構(gòu))筑物的安全，必須將爆破振動(dòng)控制在允許范圍之內(nèi)。對此，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。爆破振動(dòng)衰減規(guī)律主要通過介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值與裝藥量和爆心距的變化來反映，通常振動(dòng)速度幅值隨炸藥量增加而增加，隨爆心距離增加而減少［2－4］，工程中經(jīng)常用薩道夫斯基公式來描述其規(guī)律［5－6］。目前對于隧道爆破中控制爆破振動(dòng)的方法主要有干擾降振法、控制最大段藥量法、預(yù)裂隔振帶降振法、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)或低爆速炸藥降振法以及增加臨空面降振法等［7－9］。日本學(xué)者研究表明，采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可有效降低爆破產(chǎn)生的振動(dòng)，如在日本新狩勝隧道爆破振動(dòng)測試結(jié)果顯示，低振速炸藥產(chǎn)生的振動(dòng)能量比2號 Dynamite炸 藥 降 低 20% ～60%［10］。印度 的P.K.Singh等對比了有自由面的炮孔爆破和離自由面較遠(yuǎn)的夾制爆破的峰值速度，研究表明，改善臨空面條件能有效控制振動(dòng)速度［11］。國內(nèi)學(xué)者丁松波等［12］以長沙地鐵汽車北站為例，在強(qiáng)風(fēng)化板巖和中風(fēng)化板巖中對現(xiàn)場有無減振孔爆破進(jìn)行振動(dòng)測試并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到該工程減振孔的減振規(guī)律。郭濤等［13］、方向等［14］以實(shí)際工程為例，通過減振溝開挖前后2個(gè)階段爆破振動(dòng)速度對比，得到減振溝的減振規(guī)律。由于地振波在經(jīng)過減振孔或減振溝時(shí)發(fā)生反射、繞射等，對減振效果沒有明確定量的認(rèn)識。

目前研究的熱點(diǎn)主要是根據(jù)爆破安全相關(guān)規(guī)程對爆破允許振速的規(guī)定，采取一定減振措施以降低爆破對周邊的影響，但對于一些加油站、燃?xì)夤芫€等高危險(xiǎn)建(構(gòu))筑物，未有相關(guān)規(guī)范對爆破安全進(jìn)行詳細(xì)說明。如何保證這些具有高爆炸隱患工程的安全成為一個(gè)較困難的課題。本文以青島地鐵3號線某淺埋暗挖車站為例進(jìn)行爆破振動(dòng)實(shí)測，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，研究高爆炸隱患工程周邊減振孔的減振規(guī)律及效果。本文采用的深大減振孔減振效果優(yōu)于類似減振孔工程，減振效果雖不及減振溝，但由于其施工工藝簡單，對隧道周邊高爆炸隱患工程的保護(hù)效果較好。

1 工程概況

該車站為雙層單拱大跨大斷面礦山法車站，開挖跨度達(dá)22.8 m，埋深11～13 m，位于夏莊路正下方，通過李村斷裂帶，洞身穿越地層以中風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化碎裂巖、微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化細(xì)?；◢弾r等為主。地下水主要為基巖風(fēng)化裂隙水，水量貧，富水性差。車站地質(zhì)斷面圖見圖1。

圖1 車站地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geological profile of the Metro station

車站主體結(jié)構(gòu)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(先拱墻后仰拱)施工，施工期間按“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、勤量測”的方針進(jìn)行施作，超前支護(hù)措施采用在臨時(shí)橫通道內(nèi)向主體方向打設(shè)超前大管棚及超前注漿小導(dǎo)管注漿加固圍巖;及時(shí)施作初期支護(hù)，充分發(fā)揮圍巖自身承載力，初期支護(hù)采用350 mm厚噴射混凝土+格柵鋼架間距0.5 m。

車站主體及B出入口臨近中國石油加油站，經(jīng)調(diào)查，該加油站建于1998年，為埋地油罐，3個(gè)汽油罐，2個(gè)柴油罐，共計(jì)5個(gè)儲(chǔ)油罐，各30 m3，共存油可達(dá)150 m3，油庫埋深4.3 m。該加油站主要服務(wù)于公交停車場600多輛公交車的加油工作。車站B出入口開挖邊線距加油站辦公用房約2.2 m，距加油機(jī)約15 m，風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅱ級。B出入口開挖邊線距加油站更近。車站與加油站位置關(guān)系見圖2和圖3。

綜合以上情況，經(jīng)專家對臨近加油站專項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行評審，形成評審意見:1)為保證加油機(jī)正常運(yùn)行及油庫安全，建議油庫區(qū)爆破振動(dòng)速度控制在0.5 cm/s之內(nèi);2)加油站區(qū)域最大沉降值控制在10 mm之內(nèi)。

掏槽眼和輔助眼采用不耦合連續(xù)裝藥，周邊眼采用不耦合間隔裝藥，不耦合系數(shù)不小于2.0。炮孔的填塞長度為30 cm。先起爆掏槽眼，增加臨空面，而后按順序起爆輔助眼和周邊眼。采用激發(fā)針起爆方式，掏槽鉆2個(gè)120 mm大中空孔，中空孔周邊42 mm掏槽孔呈環(huán)形布置，兩中空孔之間布置1個(gè)42 mm孔。對于車站主體，加油站距車站最近處水平距離取26 m，爆破深度距離地面最小距離11 m，根據(jù)薩道夫斯基公式［5］得到最大分段裝藥量為1.03 kg。對于靠近加油站的B出入口，采用打φ120中空孔，創(chuàng)造臨空面，周邊布置φ42孔。掏槽采用直眼掏槽，最大分段裝藥量為0.637 kg。

圖2 車站與加油站位置關(guān)系平面圖(單位:mm)Fig.2 Plan showing relationship between the Metro station and the gas station(mm)

圖3 車站與加油站位置關(guān)系剖面圖(單位:mm)Fig.3 Profile showing relationship between the Metro station and the gas station(mm)

2 地面減振孔設(shè)計(jì)及施工

2.1 設(shè)計(jì)目的

在爆破施工前，在破碎區(qū)和保護(hù)區(qū)之間打一定直徑和深度的炮孔，以阻隔和干擾爆破產(chǎn)生的地振波向受保護(hù)的加油站的傳播，加快地振波的衰減，降低其對加油站的振動(dòng)效應(yīng)，加強(qiáng)對加油站的保護(hù)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

地面減振孔打設(shè)范圍為B出入口暗挖段以東，靠近加油站一層辦公樓區(qū)域，減振孔布置見圖4。減振孔共286個(gè)，鉆孔直徑110 mm，鉆孔深度30.8 m，鉆孔孔心間距0.3 m，排距0.3m，梅花形布置。鉆孔內(nèi)插外徑90 mm的PE聚乙烯管，此管為兩端封閉的中空管，管長30 m，插管后管頂上方0.8 m的鉆孔需封堵密實(shí)。待車站主體及B出入口施工完畢后，抽出PE聚乙烯管，同時(shí)在鉆孔內(nèi)注入水泥砂漿，將孔回填密實(shí)，恢復(fù)原地面。

由于減振孔鉆孔深度較深，需設(shè)置導(dǎo)向墻導(dǎo)向管保證鉆孔施工精度，導(dǎo)向墻采用C20素混凝土，截面尺寸為0.8 m×0.8 m。導(dǎo)向墻內(nèi)預(yù)埋內(nèi)徑為φ140 mm的導(dǎo)向管。導(dǎo)向墻大樣見圖4。

圖4 導(dǎo)向墻平面示意圖(單位:mm)Fig.4 Plan of guide wall(mm)

2.3 施工注意事項(xiàng)

1)開工前應(yīng)對坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核測量，準(zhǔn)確放線，校核結(jié)構(gòu)與樓房的關(guān)系是否與提供的地形吻合。

2)開挖前詳細(xì)探明是否存在尚未明確的管線，對影響施工的管線及時(shí)和有關(guān)部門溝通協(xié)商，采取措施，保證管線安全和施工進(jìn)度。

3)為保證精度，應(yīng)注意運(yùn)用測斜儀，進(jìn)行鉆孔偏斜度測量，嚴(yán)格控制打設(shè)精度。

4)作好鉆機(jī)和鉆具的選型工作，鉆機(jī)首先應(yīng)適合鉆孔深度和孔徑的要求，鉆機(jī)要求平穩(wěn)靈活。

5)減振孔為減小加油站振動(dòng)的輔助措施，施工單位施工時(shí)，除減振孔之外的其他減振措施不得削減;根本上，還需在爆破時(shí)優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、精心施工，避免振動(dòng)速度較大或速度離散較大，并加強(qiáng)監(jiān)測等。

6)B出入口暗挖段結(jié)構(gòu)目前考慮僅在拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管(L=3.5 m，t=3.5 mm，傾角7°～15°，環(huán)距0.4 m，縱距1.5 m)。出入口施工時(shí)，需嚴(yán)格控制小導(dǎo)管的打設(shè)精度，防止與減振孔發(fā)生碰撞而對其造成破壞。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測目的

通過對受減振孔保護(hù)區(qū)和非保護(hù)區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測，對比分析2組監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異量，從而獲得減振孔措施對爆破振速的消減量，驗(yàn)證減振孔措施對降低爆破施工對周邊環(huán)境影響的有效性和可行性。

3.2 監(jiān)測實(shí)施

3.2.1 監(jiān)測儀器

采用中科測控TC－4850型振動(dòng)監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測。每臺(tái)測振儀有3個(gè)通道，可同時(shí)記錄3個(gè)測點(diǎn)的單向爆破振動(dòng)或1個(gè)測點(diǎn)的三分量振動(dòng)，其記錄精度為 0.01 cm/s，讀數(shù)精度為 1‰［15］。

3.2.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

1)監(jiān)測點(diǎn)分別對稱布設(shè)在加油站位置(監(jiān)測點(diǎn)1處，導(dǎo)向墻內(nèi)側(cè))和相對位置(監(jiān)測點(diǎn)2處，與監(jiān)測點(diǎn)1相對稱處)。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖Fig.5 Layout of monitoring points

2)為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)具有可比性，監(jiān)測過程根據(jù)爆心的里程與相對于軸線的位置，采用丈量法保證2監(jiān)測點(diǎn)與爆心的的距離相等，即L1=L2。

3)隨著掌子面開挖推進(jìn)，兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)也相應(yīng)推進(jìn)，保證L1在爆心與地下油庫的最短連線上。

3.2.3 監(jiān)測注意事項(xiàng)

1)傳感器的測量方向必須準(zhǔn)確，安裝時(shí)應(yīng)使用水平尺及羅盤，確保三維測量方向準(zhǔn)確。

2)傳感器必須與被監(jiān)測物可靠粘結(jié)，粘結(jié)劑可選擇石膏粉、AB膠，也可以選擇以夾具或磁座方式，與被測物形成剛性聯(lián)接。

3)傳感器與儀器的連接必須可靠，連接完成后，可輕拽線纜，確認(rèn)線纜已接好;儀器進(jìn)入信號等待狀態(tài)后，輕輕用手指敲擊傳感器，觀察儀器是否記錄，以確保傳感器及儀器的正常工作。

4 實(shí)測結(jié)果分析

4.1 實(shí)測數(shù)據(jù)對比

自2014年4月2日起，先后對15次爆破進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測，采用爆破方式相同、用藥量相同，共獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)15組。將15組監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取振動(dòng)的峰值速度來評估同等距離下打設(shè)減振孔對爆破產(chǎn)生的影響，進(jìn)而評估減振效果。爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。加油站爆破振速對比見圖6。振速衰減比例見圖7。

表1 爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)表Table 1 Blasting vibration velocity monitoring data

由表1、圖6和圖7可知:

1)采取減振孔措施處，爆破振速均控制在0.5 cm/s，符合設(shè)計(jì)要求;未采取減振孔措施處，爆破振速大部分超過設(shè)計(jì)控制值(0.5 cm/s)。

2)通過打設(shè)減振孔能使爆破振動(dòng)速度明顯衰減，衰減比例平均約為35.4%，有效降低了振動(dòng)強(qiáng)度，減少了爆破對周邊環(huán)境的影響。

圖6 加油站爆破振速對比Fig.6 Blasting vibration velocity measured at gas station

圖7 振速衰減比例Fig.7 Vibration velocity attenuation ratio

4.2 與其他工程對比分析

對比類似爆破情況下減振孔的應(yīng)用效果，文獻(xiàn)［12］針對強(qiáng)風(fēng)化板巖和中風(fēng)化板巖，采用不規(guī)則的深孔臺(tái)階爆破，孔徑90 mm，孔深不同條件為5～6 m，孔距2.0～3.0 m，通過現(xiàn)場測試及分析擬合得到最大減振率為22.4%。與減振孔相比較，文獻(xiàn)［13］采用減振溝，即在爆破區(qū)和受保護(hù)區(qū)之間形成一條一定寬度和長度的溝，對地振波造成一定程度的干擾和阻隔，加快地振波衰減，降低其破壞作用。當(dāng)與爆心距較小時(shí)，減振溝的減振率幾乎達(dá)到50%，減振效果明顯。但從減振孔與減振溝的形成條件來看，減振孔的優(yōu)勢是由鉆孔成孔，減振孔的施鉆對近距離構(gòu)筑物的影響可以忽略，孔距越小減振效果越好，而且可以根據(jù)需要精確設(shè)計(jì)，工藝相對簡單;而由單排孔預(yù)裂形成的減振溝，其預(yù)裂爆破對近距離的構(gòu)筑物會(huì)造成一定程度的損傷，不適合在加油站等高爆破隱患工程周邊應(yīng)用。因此，本地鐵工程根據(jù)地質(zhì)條件和周邊實(shí)際，采用的深孔減振孔達(dá)到了保護(hù)高爆破隱患工程的目的。爆破振動(dòng)減振效果對比見圖8。

圖8 爆破振動(dòng)減振效果對比Fig.8 Comparison of blasting vibration damping effect

5 結(jié)論與建議

結(jié)合青島某淺埋暗挖車站中巖石爆破對周邊加油站的影響，進(jìn)行了地面減振試驗(yàn)，并布設(shè)爆破振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，對減振孔布設(shè)前后爆破振動(dòng)值進(jìn)行對比，研究得到以下結(jié)論:在爆破區(qū)和受保護(hù)區(qū)打一定數(shù)量的深大減振孔，減振效果較好，能有效控制爆破振速，爆破振速平均衰減比例約35.4%;減振效果優(yōu)于長沙地鐵采用的無振減振孔;效果雖不及減振溝，但深大減振孔施工工藝簡單，在城市爆破開挖施工中，對高風(fēng)險(xiǎn)建(構(gòu))筑物的保護(hù)有良好效果，具有實(shí)用和推廣價(jià)值。

目前對于高爆炸隱患工程還沒有爆破振速控制標(biāo)準(zhǔn)及要求，減振孔需達(dá)到的效果也沒有定性要求，可在將來的研究中進(jìn)一步考慮。

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