戴俊搴

(福建省交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局 福建福州 350001)

引 言

本文依托沈海高速公路福建境泉州至廈門(mén)段大帽山隧道2擴(kuò)4施工開(kāi)展微地震精細(xì)爆破技術(shù)應(yīng)用研究。該隧道擴(kuò)建前左右洞均為兩車(chē)道隧道，擴(kuò)建方案為:在原兩洞之間新建一座四車(chē)道隧道后開(kāi)放交通，再將右洞擴(kuò)建為四車(chē)道隧道。擴(kuò)建隧道各級(jí)圍巖均采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，單層初期支護(hù)。Ⅴ級(jí)圍巖采用φ108mm注漿大管棚超前支護(hù)，一般Ⅴ級(jí)圍巖采用φ50mm注漿小導(dǎo)管支護(hù)，Ⅳ級(jí)圍巖以下采用超前錨桿支護(hù)。Ⅴ級(jí)圍巖以機(jī)械開(kāi)挖為主，局部實(shí)施低振動(dòng)的松動(dòng)爆破，Ⅳ級(jí)圍巖以下根據(jù)圍巖情況原則上采用光面控制爆破。為加快施工進(jìn)度，確保人員、設(shè)備、周?chē)?構(gòu))筑物安全和施工工期，復(fù)雜環(huán)境下爆破施工方案應(yīng)優(yōu)先考慮采用微地震精細(xì)爆破技術(shù)。

精細(xì)爆破的核心是定量化和精細(xì)化。主要包含如下幾個(gè)部分:(1)精確數(shù)值化的爆破技術(shù)研究;(2)定量化的工程爆破設(shè)計(jì);(3)高精度高可靠性的爆破器材選型;(4)精細(xì)化的爆破施工技術(shù);(5)精細(xì)化的施工管理方法;(6)定量化的爆破效果評(píng)價(jià)等內(nèi)容。

1 設(shè)計(jì)原則

為了保證隧道爆破后輪廓線的平整度，減少爆破振動(dòng)[1]對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?，采用“短進(jìn)尺、弱爆破”的微差減震光面控制爆破技術(shù)方案。具體方案及設(shè)計(jì)原則如下:

1)以地面建筑物基礎(chǔ)底部(或地面)至爆源中心距離R為安全控制半徑，借助于經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:Qmax為一次起爆最大允許裝藥量，kg;R為爆區(qū)邊緣至保護(hù)建筑物的距離，m;V為被保護(hù)建筑物質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波速度限值，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB4766－6003)取值。

以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波速度限值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行反算各部分所允許的單段用藥量。并進(jìn)行試爆試驗(yàn)，取得合理的爆破參數(shù)。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)及施工條件，控制爆破規(guī)模和控制循環(huán)進(jìn)尺，以達(dá)到控制質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的目的。

3)合理選取鉆爆參數(shù)和單位炸藥消耗量，力求達(dá)到理想爆破效果;對(duì)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用不同的單位炸藥消耗量。

4)必須采用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制圍巖的超挖量;軟巖地段光爆炮眼半孔殘留率控制66%，硬巖90%以上。

5)地面均需配合爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)[2]，及時(shí)調(diào)整鉆爆參數(shù)，滿足環(huán)境及施工要求。

6)除了采用光面爆破施工的減振措施外，必要時(shí)可采用減震措施。如周邊密排空眼減震，開(kāi)挖面增打減振孔、預(yù)留光爆層光面爆破等綜合減振措施。

2 鉆爆參數(shù)初步設(shè)計(jì)

爆破參數(shù)的確定采用理論計(jì)算法、工程類比法與現(xiàn)場(chǎng)試爆相結(jié)合，在保證爆破振動(dòng)速度符合安全規(guī)定的前提下，提高隧道開(kāi)挖成型質(zhì)量和施工進(jìn)度。

2.1 開(kāi)挖爆破

1)掏槽形式及參數(shù)

掏槽眼用來(lái)先掏出開(kāi)挖面上的一部分巖石，增加臨空面，改善其它炮眼爆破條件[3]。掏槽選用直眼和斜眼掏槽。選用直眼掏槽時(shí)，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔時(shí)可采用五梅花型中空孔掏槽，鉆孔臺(tái)車(chē)鉆孔時(shí)可采用大中空孔掏槽。選用斜眼掏槽時(shí)，可采用雙層復(fù)式楔形掏槽。從減震角度應(yīng)采用斜眼掏槽——雙層復(fù)式楔形掏槽。雙層復(fù)式楔形掏槽設(shè)計(jì)有4對(duì)對(duì)稱的斜眼，成對(duì)的在炮眼底集中炸出一個(gè)楔形空間.楔形掏槽眼孔口距為分別80cm、60cm，底口距分別為60cm、60cm，孔深為1.0m、1.7m。炮眼數(shù)量為14個(gè)。

圖1 雙層復(fù)式楔形掏槽

2)周邊孔與底孔

光面爆破效果力爭(zhēng)達(dá)到周邊眼炮痕保留率達(dá)到90%以上，前后兩個(gè)循環(huán)周邊開(kāi)挖輪廓錯(cuò)臺(tái)小于10cm。采用經(jīng)驗(yàn)公式和工程類比法確定。

普通段周邊眼間距 a:a=0.6m，周邊眼抵抗線:W=0.40m，孔底落在輪廓線外10cm。

減震段周邊眼間距E:

式中:d為炮眼直徑。本設(shè)計(jì)為隔孔裝藥，炮眼間距660mm，炮眼直徑46mm，能滿足E值要求。

周邊眼抵抗線W:

底眼:開(kāi)口在底板輪廓線上，炮眼間距為0.66～0.4m，底眼抵抗線W=0.4m，孔底落在輪廓線外10cm處。

3)崩落孔

崩落孔用以擴(kuò)大掏槽的體積，為周邊眼爆破創(chuàng)造有利條件。崩落眼應(yīng)交錯(cuò)均勻地布置在周邊眼與掏槽眼之間，垂直于開(kāi)挖面打眼，力求爆下的石渣塊體大小適合裝渣要求。當(dāng)炮眼直徑在36～46mm的范圍內(nèi)時(shí)，抵抗線W與炮眼深度L有如下關(guān)系式:

在堅(jiān)硬難爆的巖體中，或炮眼較深時(shí)，應(yīng)取較小的系數(shù)，反之則取較大的系數(shù)。

爆破炮孔間距:0.86 ～0.9m，抵抗線0.7 ～0.9m。

4)裝藥量計(jì)算

爆破一次總裝藥量估算:

式中:Q為爆破一次總裝藥量，kg;K為爆破每m3巖石所需炸藥量，kg/m3;L為炮眼深度，m;s為隧道上臺(tái)階斷面積，m3;η 為炮眼利用率，η =0.8～0.96;

各級(jí)圍巖爆破參數(shù)詳見(jiàn)(表1)和(圖2，圖3).

表1 隧道2擴(kuò)4爆破參數(shù)表

圖2 KZ5－1、KZ5炮孔布置圖

圖3 KZ4、KZ3、KZ2 炮孔布置圖

2.2 既有隧道拆除鉆爆設(shè)計(jì)

1)隧道環(huán)向溝槽開(kāi)挖爆破參數(shù)

(1)炮孔深度L

式中，L為炮孔深度，m;B為隧道襯砌厚度，m，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖中分別為 B=40，50，65cm，則炮孔深度分別取 L=40，50，65cm。

(2)炮孔間距a和排距b

(3)單孔裝藥量Q

式中，V為破碎巖石體積，m3，其余符號(hào)意義同前。

(4)堵塞長(zhǎng)度

不裝藥部分全部堵塞。

2)各分段內(nèi)爆破參數(shù)

通過(guò)試爆拆除襯砌，有了工作面后，鉆爆參數(shù)作過(guò)調(diào)整 ，沿縱向鉆眼。這部分的鉆爆參數(shù)如下:

(1)炮孔深度L

為方便鉆孔作業(yè)，拱部采用傾斜炮孔，炮孔傾角α=45°～60°(實(shí)際傾角可以以鉆孔方便為原則確定，但必須保證相鄰炮孔平行。且因?yàn)榕诳资莾A斜的，布孔時(shí)一定要注意根據(jù)藥包最小抵抗線的位置來(lái)確定孔間距。)。

其他部位炮孔均采用垂直炮孔，梅花形布孔，孔深為

(2)炮孔間距a和排距b(實(shí)際炮孔間距a和排距b可根據(jù)試炮結(jié)果和圍巖狀況調(diào)整)

(3)單孔裝藥量Q

(4)堵塞長(zhǎng)度

不裝藥部分全部堵塞。

爆破參數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)(表2，表3)。

表2 環(huán)形溝槽爆破參數(shù)匯總表(取q=1.6kg/m3，拱頂α=45°)

表3 各段內(nèi)爆破參數(shù)匯總表(取q=1.4kg/m3，拱頂α=45°)

3 減震措施

本隧道采用微震光面爆破，可有效減輕震動(dòng)影響，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，亦是保證本隧道施工安全的重要措施，其施作要點(diǎn)如下:

1)配合爆破震動(dòng)地震波測(cè)試，根據(jù)不同圍巖等級(jí)調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)，確保山頂及洞口鄰近房屋的安全。

2)合理安排段間隔時(shí)差:為避免爆破震動(dòng)波形疊加，降低爆破震動(dòng)強(qiáng)度，毫秒雷管跳段使用，段間隔時(shí)差控制在60ms左右。

3)根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，爆破產(chǎn)生大振速部位通常為:掏槽爆破、底板或底角爆破、周邊光面(預(yù)裂)爆破。復(fù)雜環(huán)境下隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中 ，采用合理的掏槽方式 ，并進(jìn)行掏槽眼的參數(shù)優(yōu)化以控制爆破地震危害是很有必要的。

4)若爆破震動(dòng)接近規(guī)范允許值，分析原因，查明事實(shí)，調(diào)整鉆爆方案。同時(shí)，亦可考慮采取如下特別減震措施:

(1)設(shè)置干擾減振孔，周邊施打減振孔可以減振 30% ～60%。

(2)調(diào)整爆破工程傳爆方向:調(diào)整爆破工程傳爆方向，以改變與被保護(hù)物的方位關(guān)系。實(shí)踐證明，拋擲爆破時(shí)，最小抵抗線方向的振動(dòng)最小，反向最大，兩側(cè)居中;而采用成排的群藥包爆破時(shí)，在藥包中心的邊線方向比在垂直于連線方向的振速降低66% ～46%左右。即優(yōu)化掏槽位置、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆順序。

(3)調(diào)整優(yōu)化微差間隔時(shí)間，提高爆破地震波的振動(dòng)頻率。

4 鉆爆參數(shù)優(yōu)化

4.1 爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

由于監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)十分多，這里取中間既有四車(chē)道隧道在Ⅴ級(jí)圍巖擴(kuò)挖爆破時(shí)典型的波形圖，如(圖4)所示。一般情況下測(cè)點(diǎn)的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度發(fā)生單段最大藥量爆破的時(shí)候，所以要控制爆破振動(dòng)，單段最大藥量是關(guān)鍵，也就是要使爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度[4]不超過(guò)某一個(gè)值，就一定要把單段最大藥量控制在一個(gè)范圍內(nèi)，這樣就可以控制爆破能量不超過(guò)一定限值，達(dá)到對(duì)既有隧道影響降到最低程度的目的。

圖4 監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程

4.2 精細(xì)爆破的數(shù)值分析

為了更好地對(duì)既有隧道進(jìn)行穩(wěn)定性控制，確保隧道的順利施工和既有運(yùn)營(yíng)隧道的安全運(yùn)行，采用ANSYS/LS－DYNA顯式有限元程序建立三維數(shù)值模型模擬隧道爆破開(kāi)挖中對(duì)臨近隧道的影響情況。模擬過(guò)程中，選取埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器的斷面為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際情況取隧道的埋深、圍巖的力學(xué)參數(shù)和初始地應(yīng)力參數(shù)，建立三維模型。以形象地得到既有隧道的峰值振速，并且可以繪出與該爆破點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的隧道斷面振動(dòng)速度隨時(shí)間變化規(guī)律。

在同一次爆破振動(dòng)中，同時(shí)監(jiān)測(cè)掌子面前方和后方拱肩部位沿隧道傳播的振動(dòng)速度，并采用上述模型進(jìn)行模擬，得到既有隧道左線迎爆側(cè)拱肩振動(dòng)速度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖(見(jiàn)圖5)。

由(圖5)可知，既有隧道斷面處振速隨時(shí)間推移越來(lái)越小，最大振速為16.99cm/s，與實(shí)測(cè)值相差不大，并小于臨近振動(dòng)速度。由(圖5)還可以看出，數(shù)值計(jì)算值稍大于實(shí)測(cè)值，但比較接近實(shí)測(cè)值，誤差較小，這樣既保證了數(shù)值計(jì)算的安全性，又保證了準(zhǔn)確性，故可以用數(shù)值計(jì)算值來(lái)分析隧道爆破對(duì)既有隧道的振動(dòng)影響。優(yōu)化后的爆破參數(shù)如(圖6～11)所示。

圖5 既有隧道左線迎爆側(cè)拱肩振動(dòng)速度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖6 各開(kāi)挖區(qū)域

圖7 實(shí)際KZ5－1炮孔布置圖

圖8 V級(jí)下導(dǎo)坑開(kāi)挖順序平面示意圖

5 應(yīng)用效果

(1)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，優(yōu)化后的最大裝藥量等爆破參數(shù)設(shè)計(jì)合理。在本工程中既有左線隧道肩部振動(dòng)速度最大，但均未超過(guò)20cm/s，均小于規(guī)定的允許值，滿足工程要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖9 V級(jí)下導(dǎo)坑炮眼布置及裝藥參數(shù)一

圖10 V級(jí)下導(dǎo)坑炮眼布置及裝藥參數(shù)二

圖11 V級(jí)下導(dǎo)坑炮眼布置及裝藥參數(shù)三

(2)在大帽山隧道爆破掘進(jìn)過(guò)程中，充分運(yùn)用了現(xiàn)代化信息施工理論，把設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)緊密結(jié)合起來(lái)是非常必要的。在大規(guī)模施工前，應(yīng)進(jìn)行小范圍的爆破試驗(yàn)，應(yīng)用監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)施工進(jìn)行反饋設(shè)計(jì)，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)，不同地段爆破的單段最大藥量應(yīng)根據(jù)測(cè)算的K、α值和周?chē)ㄖ锏木嚯x經(jīng)過(guò)計(jì)算后做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以保證隧道的順利開(kāi)挖和臨近既有隧道的正常運(yùn)行。

(3)在施工設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用回歸分析和數(shù)值模擬等手段，可以得到隧道爆破振動(dòng)峰值、中夾巖及斷面振速隨時(shí)間的衰減分布規(guī)律，更好地對(duì)隧道爆破進(jìn)行穩(wěn)定性控制，確保隧道的順利施工和臨近隧道的安全運(yùn)行。

(4)在隧道洞口段爆破飛石防護(hù)中引進(jìn)柔性防飛石技術(shù)，泉廈高速公路擴(kuò)建工程實(shí)踐應(yīng)用證明，該技術(shù)是一項(xiàng)安全可靠、施工方便，具有良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)。由于爆破作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常遇到石方開(kāi)挖緊臨既有建筑、鐵路、公路、高壓線和通訊線等重要設(shè)施。為確保建筑物安全，需要對(duì)飛石及爆破震動(dòng)等危害進(jìn)行嚴(yán)格控制。而爆破飛石影響因素多，控制難度大，需精心控制。深入研究爆破飛石機(jī)理及其控制技術(shù)具有重要的理論與工程意義。

[1]陽(yáng)生權(quán)，周健，李雪健.小凈距公路隧道爆破震動(dòng)觀測(cè)與分析[J].工程爆破，2002，21(2):21 －24，32.

[2]張?jiān)迄i，張榮，王中華.馬蘭莊鐵礦爆破震動(dòng)測(cè)試分析[J].金屬礦山，2001，1:12 －13.

[3]史雅語(yǔ)，劉慧.招寶山超小凈距隧道開(kāi)挖爆破技術(shù)[J].工程爆破，1997(4):31－36.

[4]陽(yáng)生權(quán).小間距平行隧道爆破振動(dòng)加速度測(cè)試[J].爆破，1997(4):38－40.

[5]本文參考《既有高速公路2擴(kuò)4特大跨徑超小凈距隧道CD工法施工技術(shù)研究》課題(省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，證書(shū)編號(hào)2013－J－006－5，本人排名第五)，文中圖表引用自該課題。課題負(fù)責(zé)人林作雷，男，大普學(xué)歷，教授級(jí)高工，13788886077.