王峰

摘 要：近些年，我國(guó)隧道建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，其中淺埋隧道路段的開(kāi)挖一直是個(gè)技術(shù)難題。雖然近些年我國(guó)對(duì)于淺埋隧道開(kāi)挖技術(shù)有了進(jìn)一步研究，但是與世界先進(jìn)技術(shù)還有一定差距。隧道是我國(guó)目前主要的交通運(yùn)輸方式之一，關(guān)系著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)命脈，尤其是城市地鐵隧道有著其他運(yùn)輸工具不可替代的作用。本文基于微震爆破技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道開(kāi)挖研究，以期對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)及控制要點(diǎn)有更加深刻的認(rèn)識(shí)，從而為相關(guān)的地鐵淺埋段施工提供有價(jià)值和有建設(shè)性的參考建議。

關(guān)鍵詞：抗震性能;淺埋隧道;爆破施工

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0097-04

Study on Fine Design and Control of Microseismic Blasting in Complex Shallow Geological Tunnel

WANG Feng

（China Railway Tunnel Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In recent years， China's tunnel construction has entered the stage of vapid development， and the excavation of shallow tunnel section has always been a technical problem. Although there has been further research on Shallow Tunnel Excavation Technology in recent years， there is still a certain gap with the world's advanced technology. Tunnel is one of the main modes of transportation in China. It is related to the economic lifeline of our country and plays an irreplaceable role in other means of transportation. In this paper， tunnel excavation is carried out based on microseismic blasting technology. Through the research and analysis of microseismic blasting technology in shallow tunnel， we have a deeper understanding of the characteristics and control points of this technology， and provide constructive suggestions for the construction of using this technology.

Keywords： seismic performance;shallow buried tunnel;blasting construction

以某地區(qū)淺埋地鐵隧道的建設(shè)為例，其主要穿越的地層為云母片石區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，裂隙斷裂帶較為發(fā)育，上部為淺埋地層。對(duì)于該區(qū)域巖層開(kāi)挖，采用常規(guī)爆破施工會(huì)影響上部穩(wěn)定和安全，同時(shí)爆破作業(yè)會(huì)對(duì)巖層的節(jié)理造成影響。淺埋地鐵隧道所處區(qū)域不同，地質(zhì)情況也不相同。對(duì)于要求較高的地鐵開(kāi)挖施工，爆破作業(yè)需要更加精確，要求考慮圍巖的差異性對(duì)爆破施工的影響。微差爆破具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于地鐵開(kāi)挖作業(yè)來(lái)說(shuō)，安全性高，開(kāi)挖尺寸可控，對(duì)周邊地質(zhì)情況影響較小。

本工程由于巖層風(fēng)化較為發(fā)育，地鐵隧道淺埋段受到地下水和降雨量的影響，出現(xiàn)了滲水和滴水現(xiàn)象，在施工中需要嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，并及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行支護(hù)。通過(guò)水質(zhì)分析，地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕危害的風(fēng)險(xiǎn)，需要根據(jù)已有的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況進(jìn)行具體分析，從而判斷開(kāi)挖地質(zhì)的穩(wěn)定性。若巖層的斷裂帶與隧道走向呈大角度相交，會(huì)對(duì)隧道施工造成一定的影響，因此隧道施工前需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前支護(hù)。

隧道進(jìn)出口地層位于山體斜坡處，開(kāi)挖處屬于淺埋隧道段，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)狀況分析，自然狀況下巖體較為穩(wěn)定。開(kāi)挖位置覆蓋層表面屬于V級(jí)圍巖，經(jīng)分析，開(kāi)挖可能會(huì)造成坡體滑塌，需要對(duì)仰坡巖體加固后進(jìn)行微震動(dòng)爆破，以更好地保護(hù)巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性[1]。

1 淺埋地鐵隧道超欠挖控制措施

1.1 隧道超欠挖成因

1.1.1 地質(zhì)條件因素。在非主觀(guān)因素影響下，圍巖的節(jié)理和裂隙發(fā)育對(duì)開(kāi)挖精度影響很大。由于圍巖節(jié)理發(fā)育較好，裂隙寬度較大，炮孔布置的定向爆破擾動(dòng)破碎圍巖產(chǎn)生塌落會(huì)造成超開(kāi)挖，爆破布藥量不足時(shí)就會(huì)產(chǎn)生欠開(kāi)挖。該地層圍巖地質(zhì)較差，超欠挖控制較為困難。

1.1.2 隧道爆破方案不合理。根據(jù)圍巖等級(jí)的不同，爆破作業(yè)孔的布置方式也不相同。為更加精準(zhǔn)地進(jìn)行爆破，Ⅲ級(jí)圍巖炮孔布置間距可以適當(dāng)加密，周邊穩(wěn)定巖層不易受到爆破施工破壞，相對(duì)爆破開(kāi)挖精度較容易控制。Ⅴ級(jí)圍巖較為破碎，在爆破作業(yè)過(guò)程中，布置間距小，則容易導(dǎo)致爆破影響周邊巖體破碎脫落;布置間距過(guò)大，則不能夠有效精準(zhǔn)開(kāi)挖。因此，對(duì)于爆破作業(yè)，巖層較為破碎的地段更容易發(fā)生超欠挖的情況。

1.1.3 施工管理因素。隧道施工中需要采用合理的組織管理方式和有效的控制措施，才能更好地保證施工質(zhì)量。施工開(kāi)挖中常會(huì)由于施工控制不嚴(yán)格，導(dǎo)致超欠挖的情況。為防止由于管理問(wèn)題導(dǎo)致發(fā)生的超欠挖情況，技術(shù)人員需要端正態(tài)度[2]。

1.2 微震爆破技術(shù)

將起爆孔布置在開(kāi)挖輪廓線(xiàn)位置，爆除需要開(kāi)挖位置的巖體并將其清除，形成一個(gè)完整光滑的開(kāi)挖斷面，即光面爆破。光面爆破是開(kāi)挖巖體最常用的爆破方法，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)爆破計(jì)算后根據(jù)輪廓線(xiàn)確定炮孔的布置間距和布置方式[3]。

不耦合裝藥采用小于炮孔直徑的裝藥方式，空氣隔層能夠在炸藥起爆過(guò)程中降低炸藥對(duì)炮孔的壓力，延遲了爆炸對(duì)開(kāi)挖面的破壞時(shí)間，而且可以通過(guò)壓縮空氣對(duì)墻壁產(chǎn)生縫隙切割效果，以增加爆破精度。炮孔直徑和裝藥直徑的比值為爆破的不耦合系數(shù)。當(dāng)不耦合系數(shù)等于1時(shí)，說(shuō)明炮孔就是裝藥的直徑;當(dāng)炮孔不耦合系數(shù)大于1時(shí)，說(shuō)明炮孔和裝藥之間存在空氣夾層。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，炮孔不耦合系數(shù)和爆破對(duì)孔壁的最大剪切應(yīng)力呈指數(shù)變化，通常在工程實(shí)際中取值1.5～2.5。以下通過(guò)Ⅲ級(jí)圍巖炮孔布置方式（見(jiàn)圖1）和V級(jí)圍巖炮孔布置方式（見(jiàn)圖2）更加直觀(guān)地了解不同圍巖炮孔的布置形式。

炮眼痕跡保存率=殘留有痕跡的炮眼數(shù)/周邊眼總數(shù)×100% （1）

以下采用微震不耦合爆破方式進(jìn)行裝藥。延遲起爆破壞是爆破中的一項(xiàng)重要參數(shù)，起爆范圍疊加越大，起爆時(shí)間間隔越短，對(duì)于降低震動(dòng)速度越不利，而起爆時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)則不利于爆破開(kāi)挖進(jìn)度和質(zhì)量的控制。根據(jù)工程爆破經(jīng)驗(yàn)，采用爆破時(shí)間間隔大于50 ms的非電毫秒雷管引爆，以減小對(duì)開(kāi)挖面的震動(dòng)作用[4]。

對(duì)于圍巖級(jí)別較高的軟弱圍巖結(jié)構(gòu)，光面爆破時(shí)通常采用延時(shí)藥包分時(shí)間進(jìn)行起爆，毫秒雷管引爆。為了更好地控制爆破能量和震動(dòng)破壞力，采用如圖3所示的不耦合裝藥方式，同時(shí)結(jié)合毫秒微差起爆裝置進(jìn)行爆破。

2 微震爆破設(shè)計(jì)控制

2.1 微震爆破選擇

2.1.1 裝藥結(jié)構(gòu)控制。根據(jù)地質(zhì)的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇周邊眼不同的裝藥結(jié)構(gòu)和雙傳爆線(xiàn)裝藥結(jié)構(gòu)，通常適用于巖層結(jié)構(gòu)較破碎的Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖;底部適當(dāng)增加藥量，小直徑藥卷、傳爆線(xiàn)裝藥結(jié)構(gòu)形式適用于中等Ⅲ級(jí)圍巖結(jié)構(gòu);采用小直徑光爆連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)圍巖爆破。實(shí)踐證明，采用炮泥堵塞裝藥部位效果要比堵塞在炮孔口爆破效果好。本次選用的工程開(kāi)挖方式采用微差爆破，采用雙傳爆線(xiàn)裝藥結(jié)構(gòu)形式布孔設(shè)計(jì)，分段微差起爆效果良好[5]。

2.1.2 底板眼起爆設(shè)置。通過(guò)加大藥量進(jìn)行底板眼爆破的做法在實(shí)際工程中應(yīng)用最多，爆破采用同時(shí)起爆的方式，以最大限度翻出開(kāi)挖渣體。監(jiān)測(cè)表明，隧道開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的震動(dòng)掏槽眼爆破最大，底板眼爆破影響圍巖次之，因此這兩種爆破方式都不適用于淺埋隧道的開(kāi)挖作業(yè)，不利于圍巖穩(wěn)定。結(jié)合掏槽眼爆破和底板眼爆破特點(diǎn)采用延時(shí)起爆，能減少藥量爆破疊合作用，改變圍巖抵抗線(xiàn)方向，以減弱爆破強(qiáng)度對(duì)圍巖的影響。

2.1.3 爆破參數(shù)的選擇及監(jiān)測(cè)。通過(guò)計(jì)算法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法和工程類(lèi)比法選擇合適的爆破參數(shù)，再在實(shí)際工程實(shí)施過(guò)程中不斷進(jìn)行調(diào)整，可逐步使得爆破工程參數(shù)符合工程實(shí)際要求。

結(jié)合爆破作業(yè)周邊的重要影響因素進(jìn)行爆破監(jiān)測(cè)，更好地掌握建筑結(jié)構(gòu)物和工程支護(hù)受爆破震動(dòng)的影響;通過(guò)超欠挖控制分析，選擇合適的鉆爆方法，并進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)。爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在拱腳、拱頂以下1 m位置，測(cè)點(diǎn)距離掌子面距離以爆破飛石不損壞監(jiān)測(cè)點(diǎn)為準(zhǔn)。

2.2 微震爆破方案設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的地質(zhì)狀況，采用合適的微震爆破設(shè)計(jì)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)周邊建筑物的分布及影響進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)考慮隧道的超欠挖問(wèn)題，盡可能減小對(duì)洞壁圍巖結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，充分利用隧道圍巖自穩(wěn)定的受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。有效控制爆破開(kāi)挖施工作業(yè)對(duì)山體的破壞，以保證地表結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的輪廓開(kāi)挖形狀。根據(jù)薩道夫斯基公式進(jìn)行炮孔最大裝藥量計(jì)算，通過(guò)控制最大裝藥量來(lái)控制震動(dòng)波的大小[6]：

Q=RV/K （1）

式中：Q為最大爆破段允許最大裝藥量，kg;V為震動(dòng)帶的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，cm/s;R為震源中心和震速控制點(diǎn)之間的距離，m;K為與地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)、爆破技術(shù)有關(guān)的系數(shù);α為爆破振動(dòng)衰減指數(shù)。

本項(xiàng)目裝藥結(jié)構(gòu)控制按照下列規(guī)定確定。

①周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)可采用間隔裝藥方式、小直徑連續(xù)裝藥方式、導(dǎo)爆索裝藥方式和空氣柱狀裝藥方式（見(jiàn)圖4至圖7）。本次軟弱V級(jí)圍巖選用小直徑連續(xù)裝藥方式、導(dǎo)爆索裝藥方式和間隔裝藥方式3種形式。當(dāng)炮眼深度小于2 m時(shí)，通常采用空氣柱狀裝藥方式。

②為提高炸藥的能量和爆破效果，應(yīng)采用反向裝藥方式;有瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)的開(kāi)挖工作面，應(yīng)采用正向裝藥方式。周邊眼按藥卷直徑的不同應(yīng)采用連續(xù)裝藥或間隔裝藥方式，其他眼應(yīng)采用連續(xù)裝藥方式。

③掏槽眼施工方法較為成熟，但是爆破震動(dòng)大，不適用于淺埋地鐵隧道的施工。改進(jìn)后為了減小震動(dòng)影響，將掏槽眼改成楔形掏槽，有利于減少擾動(dòng)，增加爆破安全性。在地下水位較豐富的地區(qū)，周邊眼采用乳化油光爆炸藥較為合適。采用微差爆破、非電毫秒雷管爆破、電雷管起爆等方式能夠有效控制精準(zhǔn)爆破。

已有資料表明，間隔時(shí)差爆破具有以下規(guī)律：在爆破頻率100 Hz以下，軟弱圍巖爆破產(chǎn)生的震動(dòng)影響較小，最大持續(xù)時(shí)間在縱橫向最大可達(dá)到200 ms左右，豎向最大持續(xù)時(shí)間可達(dá)到100 ms左右。采用跳段式導(dǎo)爆雷管能夠減小震動(dòng)后的爆破疊加作用，爆破時(shí)差一般采用100 ms間隔較為合適。每次爆破作業(yè)進(jìn)尺需要根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖斷面的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)、工期具體安排以及安全作業(yè)深度等綜合評(píng)估后確定。

3 微震爆破的振動(dòng)效果評(píng)價(jià)

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)及工作原理

本次爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備由2個(gè)接收換能器和1個(gè)發(fā)射換能器組成，通過(guò)發(fā)射換能器發(fā)送信號(hào)至接收換能器進(jìn)行波變化數(shù)據(jù)接收。對(duì)于監(jiān)測(cè)使用的換能器，要求徑向無(wú)指向性、軸向無(wú)指向性、發(fā)射功率要大且有足夠的接收靈敏度。最內(nèi)側(cè)監(jiān)測(cè)孔的3次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)如圖8所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)

由測(cè)試點(diǎn)1的3次波速與孔深的變化曲線(xiàn)可以看出，隨著監(jiān)測(cè)次數(shù)的增加，同一深度爆破后比爆破前的波速小很多，表明隨著爆破作業(yè)次數(shù)的增多，圍巖的結(jié)構(gòu)損傷增加?？梢?jiàn)，損傷是爆破震動(dòng)產(chǎn)生的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工程實(shí)例對(duì)淺埋隧道爆破作業(yè)影響進(jìn)行綜合分析，系統(tǒng)介紹了淺埋隧道微震爆破的技術(shù)特點(diǎn)與質(zhì)量控制要點(diǎn)，綜合分析出降低淺埋隧道爆破作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的有效措施和方法，通過(guò)采用微震爆破技術(shù)達(dá)到了理想的開(kāi)挖效果?；诎咐霭l(fā)，可為淺埋隧道爆破技術(shù)提供參考意見(jiàn)，以期為類(lèi)似工程爆破施工提供借鑒。

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