下穿居民区浅埋隧道减震爆破技术

下穿居民区浅埋隧道减震爆破技术
胡剑
【摘要】Based on Xiamen island ring road tunnel of Bai Cheng,the article introduces the blasting construction method under the complex environmental condition of the shallow buried soft rock tunnel.In blasting excavation,through measures of layout empty eyes in the cuthole,decouple eyes in circum,and so on,and by the use of the not coupling interval explosive charges,delay millisecond blasting,Real-time monitoring seismic waves and other measures,the stability of surrounding rock and the security of the different structure houses on the surface of tunnel are ensured.%以厦门环岛干道白城隧道为例,介绍复杂环境条件下浅埋软岩隧道减震爆破施工方法。

爆破开挖中,通过在掏槽眼部位布置空孔、在周边眼部位布置减震孔的措施,并通过采用不偶合间隔装药、毫秒延时爆破、实时地震波监测等措施,实现了隧道周边围岩的稳定和隧道地表不同结构房屋的安全。

【期刊名称】《铁道建筑技术》
【年(卷),期】2012(000)003
【总页数】5页(P96-100)
【关键词】浅埋隧道;爆破开挖;地震波;复杂环境
【作者】胡剑
【作者单位】中国铁建二十二局集团第三工程有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U455.41
1 引言
白城隧道浅埋段位于厦门市西边社居民区下(见图1)，隧道埋深8～16 m，开挖高度9.9 m，开挖宽度12.06 m，开挖面积101.54 m2。

隧道地表建筑物复杂，为
密集居住区、军管用房，楼层多为2～3层，结构主要为砖房、毛石房屋，基础多为毛石简单砌筑，且房屋陈旧，部分房屋已有开裂，施工风险高，难度大，具有典型的城市浅埋隧道的特点及施工难度，隧道施工应严格控制爆破振动，防止民房开裂。

本文以白城隧道的减震爆破施工为例，介绍城市浅埋隧道减震爆破技术。

图1 下穿居民区段地理位置平面
2 工程地质及结构设计情况
本区岩体为燕山晚期花岗岩，由于构造及风化作用，岩体中发育有多组节理、裂隙。

隧道下穿居民区段原始地貌类型为海岸阶地，局部为残丘坡地，地层岩性由填筑土、中粗砂、亚黏土，以下为强～弱风化花岗岩，围岩级别为V级，地表覆盖层较薄。

该段具体地质见图2。

图2 地质纵断面
下穿居民区隧道地段地下水主要赋存、运移于基岩风化带及构造破碎带的裂隙中，为裂隙水类型，地下水总量不大，一般呈淋湿状态，有渗水、滴水现象，局部有小股水流流出。

下穿居民区段隧道最小覆盖层厚度为8.3 m，其中地表土层厚2.1 m、基岩厚6.2 m;最大覆盖层厚度也只有16.5 m，其中地表土层厚4.1 m，基岩厚12.4 m。

下穿居民区隧道地表，主要有多栋民房(1～3层，天然地基，埋深不大于2 m)和
多栋临时建筑物，以及部分军队楼房和工厂等。

居民在正常生活、工厂在正常生产、道路车辆在行驶以及较薄的覆盖层、较差的民房质量构成了该段隧道施工复杂的工程地质和环境地质条件。

根据白城隧道的工程特点，隧道采用新奥法设计，复合式衬砌结构。

隧道施工采用预留核心土、超短三台阶法，分步开挖、支护及全断面整体式衬砌，施工步序见图3。

图3 隧道开挖步序断面
图3中，①上台阶环形部分开挖;②上台阶架立工字钢架、挂网、喷射混凝土支护;③预留核心土松动爆破;④中台阶左侧开挖;⑤中台阶左侧架立工字钢架、挂网、喷射混凝土支护;⑥中台阶右侧开挖;⑦中台阶右侧架立工字钢架、挂网、喷射混凝
土支护;⑧下台阶左侧开挖及支护;⑨下台阶右侧开挖及支护;⑩仰供、二衬施工。

3 钻爆设计与施工
3.1 爆破特点及要求
由于该段位于厦门市西边社居民区下，复杂的工程地质和环境地质条件决定了隧道爆破施工必须在确保高质量的隧道分部开挖断面和进尺的同时，将爆破震动控制在尽可能小的范围内，以保证地表及建筑物的安全和对周围环境的影响。

为此，爆破震动波速应控制在1.0 cm/s以下。

3.2 钻爆设计原则
(1)以地面建筑物基础底部(或地面)至爆源中心距离(R)为安全控制半径，借助于经
验公式，并以质点振动波速度限值(1 cm/s)作为控制标准，对各部分所允许的单段用药量进行反算，并进行试爆试验，以取得合理的爆破参数。

(2)根据现场的地质及施工条件，采用微台阶分部开挖，每部分又分多次爆破，循
环进尺控制在0.6 m以内，控制爆破规模，以达到控制质点震动速度的目的。

(3)炮眼按浅密原则布置，控制单眼装药量和单段装药量。

(4)上台阶(步掏槽眼位尽量布置在远离建构筑物一侧。

(5)上台阶(步开挖断面周边设直径为50 mm的隔震空眼。

(6)核心土的爆破以松动爆破为主，控制爆破飞石。

(7)地面、洞内均需爆破震动监测，以便及时调整钻爆参数，满足环境及施工要求。

3.3 钻爆设计
3.3.1 减小爆破震动强度的方法
本工程拟采用周边密排直径为50 mm空眼隔震，开挖面置减震孔、预留光爆层等综合减震措施的爆破技术。

3.3.2 爆破参数选择
爆破参数的确定采用理论计算法、工程类比法与现场试爆相结合，在保证爆破震动速度符合安全规定的前提下，提高隧道开挖成型质量和施工进度。

(1)炮眼深度(L)
本爆破设计的炮眼深度主要受爆破震动强度控制，设计炮眼深度控制在0.6 m，开挖循环进尺0.5 m。

(2)炮眼数目(N)
本爆破设计炮眼直径采用φ42 mm，每次开挖面积根据开挖部位确定，上台阶是
控制爆破震动的关键，应尽量减小爆破方量，增加钻孔数量。

上台阶开挖面积拟定约15 m2，钻眼孔数为69个，单位面积钻眼数为4.6个(包括减震空孔)。

(3)炮眼布置
①周边炮眼布置采用经验公式和工程类比法确定。

按规定炮眼间距E=(8～12)d(d 为炮眼直径);抵抗线W=(1.0～1.5)E。

本设计炮眼间距为500 mm，炮眼直径为
42 mm，能满足E值要求。

类似工程地质的装药集中度:q=0.1～0.15 kg/m，由于本设计炮眼间距为500 mm，因此设计装药集中度取最小值(q=0.1 kg/m)。

②掏槽眼布置主要应用于(部，本爆破设计采用空眼加斜眼掏槽。

③为降低爆破震动强度，循环进尺应小于0.5 m，掘进炮眼深度根据循环进尺来确定。

④当炮眼直径在35～42 mm的范围内时，抵抗线(W)与炮眼深度有如下关系
式:W=(15～25)d，在坚硬难爆的岩体中或炮眼较深时，应取较小的系数，反之则取较大的系数。

(4)单眼装药量的计算
周边眼装药参数在上面已确定，其他炮眼的装药量均可按下列公式计算
式中:q—单眼装药量，kg;
k—炸药单耗，台阶法浅眼爆破时可取0.4～0.8 kg/m3，本次取 0.4 kg/m3; a—炮眼间距，本次取0.6 m;
w—炮眼爆破方向的抵抗线，本次取0.8 m;
L—炮眼深度，辅助眼取 0.6 m，掏槽眼取0.8 m;
λ—炮眼部位系数，本工程辅助眼取1.0，掏槽眼取 1.5。

经计算，周边眼单孔装药量为0.06 kg，辅助眼单孔装药量为 0.115 kg，掏槽眼
单孔装药量为0.23 kg。

(5)爆破参数
根据炮眼布置及计算的单孔装药量列出爆破参数见表1。

表1 爆破参数起爆顺序炮孔名称爆孔数量炮孔深度/m 装药量/kg 备注辅助孔350.64.025周边孔21 0.6 1.26 1 2 3 4掏槽孔0.8 2.073 3(1)每循环进尺0.6 m，每循环方量8.568 m3(2)炸药单耗0.858 kg/m空孔9 4 0.6合计69 7.355
(6)炮眼堵塞
堵塞作用是使炸药在受约束条件下能充分爆炸以提高能量利用率，因此堵塞长度不小于20 cm，堵塞材料采用炮泥(砂∶黏土∶水=3∶1∶1)。

要求堵塞密实，不能有
空隙或间断。

(7)爆破器材的选择
炸药:采用二号岩石硝铵炸药，周边炮眼采用φ25 mm小药卷，其他炮眼采用
φ32 mm标准药卷。

雷管:孔外采用电起爆，连接件及孔内均采用非电毫秒雷管(1～15段)。

为避免爆破时冲击波的叠加，选择非电毫秒雷管时应选用段间隔为75 ms以上的各段雷管(1、5、7、9、11、13、14、15 共 8 种段别的非电毫秒雷管)。

导爆索:周边炮眼间隔装药，采用导爆索传爆。

(8)装药结构(图4)
掏槽眼采用反向起爆，周边眼采用间隔不偶合装药形式。

为保证每个周边眼内炸药同时起爆，需使用导爆索连结各药卷。

(9)装药连线
因雷管段数较少、炮眼较多，单段装药量受爆破震速要求的限制，因此，采用雷管分段控制和孔外微差爆破相结合的方法，以减少单段起爆药量和起爆次数。

图4 装药结构示意
3.3.3 爆破安全验算
隧道的最小覆盖层为8.3～16.5 m，震速控制在1.0 cm/s以下(视建筑物结构形式而定)，按下面公式进行单响最大装药量计算。

式中:Qmax—最大一段允许用药量，kg;
Vkp—震动安全速度，cm/s;
R—爆源中心到震速控制点的距离，m;
K—与爆破技术、地震波传播途经介质的性质有关的系数，取150(试验测定值); α—爆破震动衰减系数，取2.0(试验测定值);
K'—在爆破施工实践中的爆破震动衰减修正系数(见表2)，相关于不同的减震措施及爆破临空面的数量，本次取K'2进行试爆实验。

表2 爆破震动衰减修正系数K'中空眼减震减震措施1.05 ～1.15小药卷炸药
1.2 ～
2.0周边眼减震孔1.15 ～1.25增加临空面1.2 ～1.8综合减震措施1.5 ～
2.5
经计算可得不同距离的安全装药量(表3)，实际装药可根据爆源至建筑物的距离，确定单响安全允许装药量(单响装药量应小于安全允许装药量)。

表3 不同距离的安全允许装药量表Q kg建筑物至爆源中心距离R/m 允许装药量(V允=1.0cm/s)8 0.557 9 0.794 10 1.088 11 1.449 12 1.881 13 2.392 14
2.987 15
3.674 16
4.459
4 爆破震动监测与分析
4.1 爆破振动测试系统
爆破震动监测主要采用由UBOX-5016爆破震动记录仪、速度传感器、计算机、打印机等组成的震动测试系统，量测过程由计算机自动进行控制(图5)。

图5 爆破震动测试系统示意
传感器1、传感器2、传感器3分别用来测量震动速度的水平径向分量(vr)、水平切向分量(vτ)和垂直分量(vz)。

《爆破安全规程》中并没有规定要以哪个方向或三个方向合成为准，但要严格控制爆破震动的最大振速。

4.2 测点位置的选择
由于不可能在时间和空间上对爆破振动进行连续观测，因此，在进行爆破振动观测前，要事先根据现场条件、爆破振动规律等因素确定监测点位置。

一般地，监测爆破地震波的仪器测点应选在地面需要保护建筑物基础上靠近隧道开挖掘进工作面最近的位置，传感应器安放在基岩上或比较稳固的平整地面上。

4.3 振动测试数据及分析
本隧道工程下穿居民区段主要为ZK6+925～ZK7+020(YK6+920～YK7+010)段，左右线共计185 m，据施工统计，共进行爆破振动监测287次，任提取一振动监
测波形图为例，如图6所示，所有爆破振动监测结果统计见表4。

据爆破振动监测结果可以看出，基本有效地控制了爆破地震波，实现爆破地震波峰值在控制范围内，从而保证了隧道上方房屋的安全，为隧道开挖提供了技术支撑。

图6 振动监测波形
表4 爆破振动监测统计结果累计监测炮次累计测得的振动速度分量峰值个数分布
情况V ＞1 cm/s 1 cm/s＞V ＞0.7 cm/s 0.7 cm/s＞V ＞0.3 cm/s 0.3 cm/s＞V
振动速度分量峰值(v)个数比例/% 个数比例/% 个数比例/% 个数比例/%287 861 5 0.6 153 17.8 674 78.3 29 3.3
5 结论
由于采用综合减震措施，监测数据表明:下穿居民区爆破震速基本控制在1.0 cm/s 的目标，从而保证了围岩稳定和隧道地表房屋的安全。

在爆破设计中，由于在掏槽眼部位布置了空孔、在周边眼部位布置了隔震孔，增加钻孔数量，同时施工中严格控制炮眼深度、炮眼角度，提高炮眼堵塞质量、增加段别、分次爆破、减小最大段装药量，严格控制爆破振动速度是安全爆破施工的技术保证。

本工程因工期较紧，未采用大直径空眼减震，如有条件，可在①步开挖的周边眼和开挖面布置φ130 mm或更大直径的减震孔，这样能收到更好的减震效果。

本项目白城隧道工程在面临浅埋地段地表居民区不能拆迁的情况下，采用综合爆破减震技术克服了隧道施工复杂的工程地质和环境地质条件，安全、顺利地实现了白城隧道贯通，赢得了较好的经济效益和社会效益，同时也为类似工程起到了借鉴作用。

参考文献
1 冯叔瑜.城市控制爆破(第二版)［M］.北京:中国铁道出版社，1996
2 孟吉复.爆破测试技术［M］.北京:中国铁道出版社，1992。