危皓 薛江龍 陳宗祥 楊茂杰 廖曉目

1.中交一公局橋隧工程有限公司，長沙 410000；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410000

隨著技術(shù)設(shè)備的不斷發(fā)展，大型機(jī)械設(shè)備的廣泛使用在提高隧道掘進(jìn)速度方面起到重要作用。大斷面爆破開挖不僅能夠?yàn)樗淼来笮蜋C(jī)械設(shè)備的使用提供作業(yè)空間，而且具有工序簡單、對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)少、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于隧道開挖中［1-2］。但是在軟弱圍巖隧道中，大斷面爆破的開挖方式因其單次爆破時(shí)炸藥用量大，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)大［3］，危害到圍巖穩(wěn)固性及支護(hù)效果。因此，研究在軟弱圍巖隧道大斷面爆破中如何降低爆破振動(dòng)所致的圍巖損傷具有重要的工程實(shí)踐意義。

眾多學(xué)者針對(duì)在軟弱圍巖隧道中如何降低爆破振動(dòng)帶來的危害展開了一系列研究。方寧等［4］在隧道施工中分別研究了單層、雙層預(yù)裂爆破方案控制爆破振動(dòng)效果，并得出雙層預(yù)裂爆破對(duì)振動(dòng)傳播規(guī)律的影響。錢正富等［5］通過討論爆破振動(dòng)強(qiáng)度與掏槽眼單孔裝藥量、導(dǎo)爆管段數(shù)等之間的相互關(guān)系，指導(dǎo)現(xiàn)場爆破施工。孫崔源、薛里等［6-7］研究了數(shù)碼電子雷管爆破降振效果，得出采用數(shù)碼電子雷管起爆能夠有效降低爆破振動(dòng)。姚洪瑞［8］提出了采用短進(jìn)尺的淺孔弱爆破方案來降低軟巖隧道爆破施工對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)，提高圍巖穩(wěn)定性，從而保證施工安全性。汪海波、宗琦等［9-10］在分析松軟巖石的爆破破壞特征的基礎(chǔ)上，建立了軟巖巷道掘進(jìn)時(shí)光爆參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)構(gòu)模型，從爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等方面提出降低煤礦軟巖巷道爆破掘進(jìn)振動(dòng)效應(yīng)的措施。劉朝陽［11］設(shè)計(jì)了微臺(tái)階精細(xì)爆破的施工方案，并在坪田隧道工程中進(jìn)行了應(yīng)用。袁紅所等［12］采用掏槽式光面爆破技術(shù)，在V 級(jí)圍巖爆破施工中采用低密度、低爆速乳化炸藥，有效地減少了爆破對(duì)圍巖的損傷和超挖量。高朋飛等［13］結(jié)合工程實(shí)例分析了隧道爆破對(duì)軟弱圍巖穩(wěn)定性的影響，并介紹了爆破施工參數(shù)的選取方法。張朝康［14］利用數(shù)值模擬有效解決了軟巖隧洞利用新奧法施工的洞室穩(wěn)定、施工干擾及工期問題。

由以上研究可知，目前尚缺乏針對(duì)在軟弱圍巖隧道大斷面爆破施工中爆破振動(dòng)控制的研究。本文以新疆東天山特長隧道左洞為工程背景對(duì)隧道軟弱圍巖區(qū)段進(jìn)行爆破振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到該區(qū)段爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，通過優(yōu)化炮孔裝藥量、起爆順序設(shè)計(jì)預(yù)裂+光面綜合爆破方案，最后通過分析爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)論證該爆破方案的減振效果。

1 工程概況

新疆東天山特長隧道主洞為雙洞分離式隧道，單洞設(shè)計(jì)總長11 780 m，開挖斷面積達(dá)91.7 m2，為大斷面隧道。隧道左洞軟弱圍巖段處于F3斷層影響帶，圍巖以糜棱巖、斷層角礫巖、中風(fēng)化及微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖為主，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)評(píng)價(jià)為Ⅴ級(jí)圍巖。圍巖自穩(wěn)性較差，易發(fā)生塑性變形，成洞困難。

考慮到掌子面穩(wěn)定性較差，須要對(duì)圍巖進(jìn)行超前支護(hù)（圖1），在拱頂120°范圍內(nèi)布置超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4 m，縱向排距2.4 m，搭接長度不小于2.0 m，外插角6°～10°。隧道左洞軟弱圍巖段采用大斷面爆破開挖方案，整個(gè)斷面分為上下兩臺(tái)階開挖，見圖2。

圖1 隧道主洞超前支護(hù)輪廓

圖2 大斷面爆破開挖斷面分布

2 大斷面爆破方案優(yōu)化及振動(dòng)監(jiān)測布置

2.1 預(yù)裂+光面綜合爆破方案

為降低爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的損傷，在原大斷面爆破方案基礎(chǔ)上引入預(yù)裂爆破技術(shù)，即在拱腰處采用預(yù)裂爆破，在拱頂處采用光面爆破，炮孔布置如圖3 所示。預(yù)裂孔起爆段位為MS1，起爆后在主爆區(qū)和保護(hù)區(qū)之間形成一條具有一定寬度和深度的預(yù)裂縫，以阻斷后續(xù)主爆孔爆破所產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波，從而減少和阻隔爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)區(qū)巖體的破壞，同時(shí)切斷主爆區(qū)伸向保護(hù)區(qū)的裂縫，維持保護(hù)區(qū)巖體的完整性［15］。

圖3 預(yù)裂+光面爆破方案炮孔布置（單位：m）

由于圍巖較為軟弱，若在拱頂采用預(yù)裂爆破，起爆時(shí)僅有一個(gè)臨空面，爆炸產(chǎn)生的能量很大一部分將被傳至保護(hù)區(qū)巖體，拱頂由于其受力結(jié)構(gòu)及自重的作用易塌陷；拱頂段弧度較大，不易形成預(yù)裂縫，因此拱頂部分不宜采用預(yù)裂爆破。該爆破方案參數(shù)見表1。

表1 預(yù)裂+光面綜合爆破方案參數(shù)

光爆孔與預(yù)裂孔均采用空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，預(yù)裂孔起爆時(shí)僅有一個(gè)臨空面，所受夾置性強(qiáng)，因此較光爆孔需要增加約30%的裝藥量，才能得到預(yù)期的效果。同時(shí)由于軟巖波阻抗較低，爆生氣體在破壞巖石過程中起到主要作用，因此所有炮眼必須堵塞。

2.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測

本工程的爆破振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備采用NUBOX-8016智能測振儀，通道數(shù)為3，振動(dòng)速度測量范圍0.004 7 ～35.000 0 cm∕s，信號(hào)頻率范圍0.5～800.0 Hz。該測振儀集智能采集、數(shù)字化處理、儲(chǔ)存、無線傳輸?shù)裙δ苡谝惑w，可同時(shí)測量爆破振動(dòng)速度的垂直分量、水平徑向分量和水平切向分量。

大斷面爆破施工中上斷面爆破炸藥用量比下斷面多，隧道圍巖主要受到上斷面爆破時(shí)所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)影響，因此本次試驗(yàn)對(duì)上斷面爆破進(jìn)行監(jiān)測。測振儀布置在距上斷面10～120 m 范圍內(nèi)，并將測振傳感器固定在高于地面40 cm 的隧道圍巖側(cè)壁上。現(xiàn)場測振儀器布置如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場儀器布置（單位：m）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 軟巖隧道爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

為研究隧道爆破振動(dòng)控制效果，在原大斷面爆破方案施工時(shí)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，結(jié)果見表2。

表2 爆破參數(shù)和振動(dòng)速度監(jiān)測結(jié)果

參考GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》及相關(guān)研究成果，采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式［16］對(duì)表2 中爆破振動(dòng)速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并做出爆破振動(dòng)速度與R∕Q1∕3的關(guān)系曲線（圖5），得到爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律。在應(yīng)用已經(jīng)得到的經(jīng)驗(yàn)公式的過程中，針對(duì)爆破形式和局部場地條件的改變，必須對(duì)衰減公式做出適當(dāng)?shù)男拚?，以期?duì)爆破振動(dòng)作出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)［17］。

圖5 爆破振動(dòng)速度與比例距離的關(guān)系曲線

爆破振動(dòng)衰減公式為

式中：K為場地系數(shù)；α為衰減系數(shù)。

振動(dòng)速度垂向和水平徑向的回歸曲線分別為

3.2 優(yōu)化方案減振效果分析

對(duì)預(yù)裂+光面綜合爆破方案施工時(shí)的爆破振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到垂向振動(dòng)速度波形，并與相同條件下原爆破方案施工時(shí)測得的垂向振動(dòng)速度波形進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 兩種爆破方案垂向振動(dòng)速度波形

由圖6 可知：①兩次爆破各段間的延遲時(shí)間能夠?qū)?yīng)，與其雷管段別延遲時(shí)間相吻合。②預(yù)裂孔裝藥量比掏槽孔裝藥量少得多，但其爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值與掏槽孔相差不大，這表明預(yù)裂孔爆破會(huì)產(chǎn)生較大的爆破振動(dòng)。③兩次爆破中掏槽孔、輔助孔1、輔助孔2 炮孔布置及裝藥量相同，且測點(diǎn)到掌子面的距離也相同，但在兩次爆破中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值相差很大，見圖7，這說明預(yù)裂縫對(duì)主爆區(qū)爆破的減振效果較為明顯，其中掏槽孔爆破所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值降低36.95%。④隨著雷管段別的增大，多孔同段爆破時(shí)振動(dòng)波段逐漸分散，主要是由于高段別雷管延時(shí)較長且同段雷管具有個(gè)體差異性，因此安排高段位雷管能適當(dāng)減小其產(chǎn)生的爆破振動(dòng)峰值。

圖7 兩種爆破方案主爆區(qū)巖石質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值

本次試驗(yàn)共進(jìn)行7次預(yù)裂+光面綜合爆破，單段最大裝藥量均為33.6 kg。測出在同等條件下原爆破方案巖石質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，與優(yōu)化后的爆破試驗(yàn)中測得的巖石質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值進(jìn)行比較，見表3?？芍捎妙A(yù)裂+光面綜合爆破的方案比原爆破方案的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值平均降低了31.15%。同時(shí)，可以看出距離掌子面越近，減振效果越明顯。

表3 爆破方案優(yōu)化前后質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值

3.3 圍巖損傷分析

經(jīng)過多次爆破試驗(yàn)，結(jié)果表明在軟弱圍巖隧道爆破施工中，預(yù)裂+光面綜合爆破方案對(duì)圍巖的損傷比原光面爆破方案小。根據(jù)原光面爆破方案施工后掌子面的情況，采用原爆破方案超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，開挖輪廓線控制較差，提前打入巖石內(nèi)部的超前小導(dǎo)管被炸變形，并且開挖進(jìn)尺控制較差，循環(huán)進(jìn)尺3.2 m，設(shè)計(jì)進(jìn)尺為2.4 m，超出0.8 m。根據(jù)預(yù)裂+光面綜合爆破方案施工后掌子面的情況，超前小導(dǎo)管未露出，開挖進(jìn)尺控制較好，超挖最大區(qū)域0.15 m，循環(huán)進(jìn)尺2.6 m，僅超過設(shè)計(jì)進(jìn)尺0.2 m。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，并分別統(tǒng)計(jì)了7 次循環(huán)的線性超挖量和進(jìn)尺超挖量，見圖8?？芍?，光面爆破超挖普遍都在0.5 m 以上，超挖量過大，會(huì)造成圍巖穩(wěn)固性差，注漿量增多，工序耗時(shí)長等一系列問題。光面+預(yù)裂爆破方案能夠?qū)⒊诳刂圃?0 cm 以內(nèi)，并具有較好的控制循環(huán)進(jìn)尺效果。綜上，說明該爆破方案在控制爆破線性超挖量以及控制循環(huán)進(jìn)尺方面比原光面爆破方案效果好。

圖8 兩種爆破方案線性超挖與進(jìn)尺超挖

4 結(jié)論

1）根據(jù)隧道現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過回歸分析得出了適用于該隧道軟弱圍巖區(qū)段爆破振動(dòng)的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，通過該公式可在爆破施工前預(yù)測出爆破振動(dòng)速度峰值。

2）針對(duì)軟弱圍巖隧道大斷面爆破施工中爆破振動(dòng)危害大的現(xiàn)象，采用預(yù)裂+光面綜合爆破方案能夠有效降低爆破對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)，爆破振動(dòng)速度峰值較原爆破方案平均降低31.15%，其中對(duì)掏槽孔爆破降振效果最為明顯。距離掌子面越近，該爆破方案減振效果越好。

3）優(yōu)化后的預(yù)裂+光面綜合爆破方案效果良好，超前小導(dǎo)管及以上圍巖保存完好，開挖輪廓線控制較好，超挖現(xiàn)象得到有效控制，開挖進(jìn)尺符合設(shè)計(jì)要求。