王松青，張全峰，汪海波，楊謝生，宗 琦，王夢想

(1.中煤第三建設(shè)(集團(tuán))城市交通建設(shè)分公司，合肥 230022；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，已經(jīng)規(guī)劃和在建的地鐵軌道等交通項(xiàng)目，遍布全國34個(gè)大中型城市[1]。目前，在巖層中進(jìn)行地鐵隧道修建時(shí)，鉆爆法因其成本低、工序簡單以及爆破效果顯著等優(yōu)勢而被廣泛采用[2-3]。然而，與此同時(shí)鉆爆法施工不可避免地帶來一系列爆破危害效應(yīng)，特別是爆破振動(dòng)，它會對地表建筑物造成破壞[4]。因此，對于下穿建筑物的地鐵隧道鉆爆法施工方案設(shè)計(jì)有著更高的要求。

國內(nèi)學(xué)者對此展開了一些研究工作，例如，朱利明等[5]基于現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測和ANSYS有限元數(shù)值分析探究了地鐵隧道爆破對古建筑群的影響，并設(shè)計(jì)利用延時(shí)爆破技術(shù)控制爆破藥量從而降低振動(dòng)強(qiáng)度。付曉強(qiáng)等[6]為保障貴陽城區(qū)隧道鉆爆開挖時(shí)地表建筑群的安全穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了合理的掏槽方法和裝藥形式，并將爆破振動(dòng)控制在安全允許范圍內(nèi)。謝興博等[7]針對南京地鐵4號線爆破施工進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際監(jiān)測，研究了在地下管線和地表建筑群廣泛分布地區(qū)，降低地鐵隧道爆破振動(dòng)危害的有效途徑。李立功等[8]為降低重慶軌道5號線下穿建筑物爆破振動(dòng)的危害，運(yùn)用水壓爆破和延時(shí)起爆等方法有效控制了爆破振動(dòng)。王仁濤等[9]針對青島地鐵隧道3號線進(jìn)行了一系列減振優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。張發(fā)財(cái)?shù)萚10]在烏魯木齊地鐵隧道1號線開展現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了地鐵隧道鉆爆掘進(jìn)對地鐵車站的影響，并基于監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了爆破方案優(yōu)化。肖文芳等[11]針對貴陽地鐵隧道2號線進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測和數(shù)值模擬，探究了地鐵隧道鉆爆開挖地表爆破振動(dòng)的傳播特性。

本文結(jié)合武漢地鐵27號線紙坊大街站～小鎮(zhèn)站區(qū)段隧道爆破工程實(shí)踐，對復(fù)雜環(huán)境下地鐵隧道鉆爆法施工方案、掏槽形式和爆破參數(shù)進(jìn)行研究，并基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，為類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵27號線紙坊大街站～小鎮(zhèn)站區(qū)段隧道圍巖主要為灰?guī)r，經(jīng)取樣、測試，單軸抗壓強(qiáng)度97～172 MPa，平均值159 MPa，屬于Ⅱ～Ⅵ級圍巖。頂板上部灰?guī)r蓋層較薄，右線頂板為殘積的紅黏土層，左線為全斷面巖石。右線正下穿3層磚混幼兒園；左線下穿中建龍城小區(qū)商鋪和中建龍城16#樓24層住宅，左線隧道頂部到建筑底板最短距離為15.7 m，建筑物與隧道位置如圖1所示。

圖1 隧道與地表建筑物相對位置關(guān)系Fig.1 Relative position between tunnel and buildings on surface

2 爆破施工方案

在城市地鐵隧道鉆爆開挖過程中，為了降低爆破對周圍建筑物的擾動(dòng)以及盡可能減少對當(dāng)?shù)鼐用裾Ｉa(chǎn)、生活的干擾，通常需要根據(jù)“短進(jìn)尺、多鉆孔、少裝藥、勤測量”的基本原則進(jìn)行爆破作業(yè)。因此，本項(xiàng)目在下穿建筑物區(qū)段采用鉆爆法開挖時(shí)，需要進(jìn)一步嚴(yán)格加強(qiáng)對爆破作業(yè)的管理。

基于前期對該隧道所處地質(zhì)狀況的調(diào)查研究，設(shè)計(jì)了左、右線隧道的開挖方案。右線上方為土層，下方為巖石，上方土層采用挖掘機(jī)進(jìn)行處理，下方巖石采用鉆爆開挖。左線全斷面均為巖石，采用分臺階爆破，共分上、中、下臺階，為便于施工，臺階步距為一次爆破的炮孔深度(1.2～1.5 m)，3個(gè)臺階炮孔一次起爆。

由于右線上部采用機(jī)械開挖，形成新的自由面，改善了后續(xù)爆破效果，使得下方巖石爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)明顯減弱；而左線上臺階僅單一自由面，所產(chǎn)生爆破振動(dòng)效應(yīng)明顯，因此著重關(guān)注左線施工方案和爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。為了降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，左線隧道周邊孔設(shè)計(jì)為密集減振孔，其孔間距為100～150 mm。與此同時(shí)，開展爆破振動(dòng)監(jiān)測，嚴(yán)格控制隧道掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺及最大單段起爆藥量，并合理布置炮孔及選用毫秒延時(shí)時(shí)間以控制爆破振動(dòng)的影響。

2.1 掏槽方式選擇與設(shè)計(jì)

選擇合理的掏槽形式，不僅能降低各級掏槽爆破用藥量，同時(shí)還可以減弱巖石的夾制作用，改善掏槽爆破效果，降低爆破振動(dòng)效應(yīng)[12-13]。因此，掏槽孔布置在隧道底部，這樣可以增加掏槽部分爆源到地表的距離，減小爆破振動(dòng)對地表建筑物的擾動(dòng)，同時(shí)還能夠避免對薄弱圍巖造成進(jìn)一步損傷。

左線隧道在上臺階中間偏下部位進(jìn)行直孔掏槽，掏槽區(qū)域設(shè)有空孔、內(nèi)圈掏槽孔和外圈掏槽孔，其中空孔可以增加巖石碎脹空間和自由面?？湛缀吞筒劭咨疃染鶠? 500 mm，空孔間距400 mm，內(nèi)圈掏槽孔間距282 mm，外圈掏槽孔間距400 mm。具體掏槽孔布置如圖2所示。

圖2 掏槽爆破炮孔布置Fig.2 Distribution of cutting blasting holes

2.2 最大安全裝藥量計(jì)算

左線隧道頂板到地表建筑物底板最短距離為15.7 m，建筑物安全允許振速為2.5～5 cm/s[14]，取v允許=2.5 cm/s?；谒_道夫斯基公式[15-16]：

(1)

式中：v為安全振動(dòng)速度，cm/s；Q為單次爆破最大段藥量，kg；R為監(jiān)測點(diǎn)與爆源之間的直線距離，m；K、α為與地質(zhì)特征相關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，無量綱。

將前期施工過程中的單次爆破藥量和爆破振動(dòng)速度監(jiān)測數(shù)據(jù)代入式(1)，反算出在該區(qū)域地質(zhì)條件下K=107，α=1.62，然后再將K、α、v允許代入薩道夫斯基公式，計(jì)算得到下穿建筑物時(shí)爆破施工的最大單段藥量Q=3.685 kg，實(shí)際控制在3.6 kg。

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)選用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)，釬桿長2 000 mm，釬頭直徑φ42 mm。周邊孔裝填直徑φ20 mm的2#巖石乳化炸藥，其他炮孔裝填直徑φ32 mm的2#巖石乳化炸藥。選用毫秒延時(shí)導(dǎo)爆管雷管起爆。

左線下穿建筑物區(qū)段巖石為中等硬度的風(fēng)化灰?guī)r，堅(jiān)硬巖體會產(chǎn)生較大的夾制作用，導(dǎo)致炮孔利用率降低。因此，設(shè)計(jì)采用淺孔松動(dòng)爆破，周邊孔深度為1 600 mm，其他炮孔深度為1 200 mm。

左線上臺階、中臺階周邊密集減振孔采用隔孔裝藥模式，即相鄰裝藥孔間存在一個(gè)空孔。所有炮孔均采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，即炸藥裝填以后在炮孔內(nèi)留有一定長度的空氣柱再進(jìn)行封堵。空氣間隔可作為爆轟產(chǎn)物膨脹空間和爆炸載荷緩沖帶，這樣能夠降低直接作用在孔壁上的能量，從而減小爆破振動(dòng)[17]?；诖藴p振原理，周邊減振孔也可以考慮選用較大的不耦合系數(shù)。炮孔封堵長度不小于300 mm，封堵材料可就地取用紅黏土，要求封堵密實(shí)且有一定強(qiáng)度。

利用延時(shí)爆破來減小單段最大爆破藥量以降低振動(dòng)速度峰值，是控制爆破中常用的技術(shù)手段[18]。采用分排延時(shí)起爆方式，每一排采用同一段別導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行起爆，4～6個(gè)周邊孔、同排崩落孔并聯(lián)后用MS2段導(dǎo)爆管雷管引爆，這樣可以控制單段起爆藥量。具體爆破參數(shù)和炮孔布置分別如表1和圖3所示。

表1 左洞隧道爆破參數(shù)

圖3 左洞隧道爆破炮孔布置Fig.3 Distribution of blasting holes of left tunnel

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測與分析

3.1 振動(dòng)監(jiān)測方案

選用NUBOX-6016型智能振動(dòng)監(jiān)測儀進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測。在測振開始前，需要對設(shè)計(jì)的監(jiān)測點(diǎn)位置進(jìn)行地表平整化處理，然后利用黃油(黃油的耦合性能較好)將振動(dòng)速度傳感器固定在地面上。將4臺NUBOX-6016型爆破振動(dòng)監(jiān)測儀沿著左線隧道進(jìn)尺方向進(jìn)行布置(見圖4)，監(jiān)測爆破地震波在建筑物中的傳播規(guī)律。監(jiān)測點(diǎn)MP1布置在工作面正上方，監(jiān)測點(diǎn)MP2、MP3和MP4布置在工作面正上方向前5、10、15 m位置，共進(jìn)行10次監(jiān)測。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.4 Distribution of vibration measuring points

3.2 振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)振動(dòng)監(jiān)測，得到了爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果如表2所示，振動(dòng)峰值速度都處于1.175～1.835 cm/s區(qū)間內(nèi)，小于《爆破安全規(guī)程》中所規(guī)定的安全允許振速2.5 cm/s。根據(jù)表2繪制振動(dòng)峰值速度隨測點(diǎn)位置變化情況如圖5所示。峰值振速隨爆心距的增大先增大后減小，在工作面前方5 m處地表測點(diǎn)振動(dòng)峰值速度最大。分析認(rèn)為，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是空洞效應(yīng)，即工作面作為自由面，爆破掘進(jìn)時(shí)會有部分能量散失到空氣中，導(dǎo)致工作面正上方測點(diǎn)振動(dòng)速度減小。此后，則隨著傳播路程的增加，能量發(fā)生衰減，峰值振速逐漸減小[12]。

表2 爆破振動(dòng)測試結(jié)果

圖5 峰值振速-測點(diǎn)位置Fig.5 Peak vibration velocity-measuring point location

4 結(jié)論

1)為有效控制武漢地鐵隧道27號線下穿建筑物區(qū)段鉆爆開挖引起的爆破振動(dòng)，通過分臺階爆破、松動(dòng)爆破、直孔掏槽、周邊密集減振孔、空氣間隔裝藥以及延時(shí)爆破等優(yōu)化措施，將監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)速度峰值控制在1.175～1.835 cm/s區(qū)間內(nèi)，小于建筑物安全允許振速2.5 cm/s。

2)工作面爆破時(shí)會有部分能量散失到空氣中形成空洞效應(yīng)，造成工作面正上方監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)速度減小，因此峰值振速隨爆心距的增大先增大后減小，最大振動(dòng)峰值速度出現(xiàn)在工作面正上方向前5 m處。