城市浅埋隧道下穿建筑物的微振动爆破技术研究

周

宜，王海亮，张祖远，孙

松

（山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛266590）

摘要：城市浅埋隧道下穿建筑物时，如何在不影响地表建筑物安全的前提下保证良好的掘进效率，控制爆破振动是关键。现以青岛地铁一期工程（3号线）下穿如家快捷酒店为背景，通过设计合理的掏槽型式、装药结构和爆破参数，成功地将地表振动速度控制在2．0cm/s以内；结合毫秒爆破和孔外延期技术对爆破网路进行优化，将单个掘进循环的爆破次数从5次降低至2次，使爆破时间节省了1/3，取得了良好的经济与社会效益。

关键词：青岛地铁；浅埋隧道；下穿；微振动爆破技术；网路设计；毫秒爆破；孔外延期DOI：10．3973/j．issn．1672－741X．2015．01．015中图分类号：U455．6

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2015）01－0089－05

StudyonMicro-vibrationBlastingTechnologyforShallow

TunnelsCrossingUnderneathExistingBuildingsinUrbanArea

ZHOUYi，WANGHailiang，ZHANGZuyuan，SUNSong

（StateKeyLaboratoryBreedingBaseforMiningDisasterPreventionandControl，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，Shandong，China）

Abstract：Whenshallowtunnelingiscarriedoutunderneathexistingsurfacebuildingsinurbanarea，theeffectivecontroloftheblastingvibrationplaysanimportantroleinensuringgoodtunnelingefficiencyonthepremiseofhavingnoadverseeffectontheexistingsurfacebuildings．Witharunningtunnelofthefirstphaseproject（Line3）ofQingdaoMetrocrossingunderneathaHomeInnasbackground，rationalcutholetypes，chargingstructuresandblastingparametersaredesigned，whichbringsthevibrationvelocityofthegroundsurfaceunder2．0cm/s；theblastingnetworkisoptimizedonbasisofmillisecondblastingtechnologyandouterholedelayingtechnology，whichreducestheblastingnumberofanindividualdrivingcyclefrom5timesto2timesandshortenstheblastingtimebyonethird．Inthisway，theblastingtechnologyhasachievedgoodeconomicandsocialsignificance．

Keywords：QingdaoMetro；shallowtunnel；tunnelingunderneathexistingbuilding；micro-vibrationblastingtechnology；networkdesign；milisecondblasting；outer-holedelaying

0引言

增加导向孔，不仅提高了炮眼利用率，而且还满足了安

［5］

全振速要求；杨昆鹏等将毫秒导爆管雷管的孔内延期

隧道掘进爆破伴随着城市地铁隧道的快速发展，

引起的振动危害越来越受到人们的重视，特别是隧道下穿地表或地下建筑物时，爆破振动的有害效应成了爆破施工过程中最重要的问题之一等

［2］

［1］

采用分组串联的联线方式，使各和孔外微差结合起来，

个炮孔的引爆时间全部错开，有效地降低了爆破振速。

目前，关于城市地铁隧道爆破振动控制的研究比较单一，且大多集中在掏槽爆破方面，而对于从爆破施工的整体过程控制来实现微振动的研究较少。因此，在前人研究的基础上，依据精细爆破的相关理论

［6］

。目前，国内外

学者对爆破振动控制做了大量的研究工作。如薛里

提出增通过研究不同类型炮孔K，α的衰减规律，对爆破参数的选择和装药结构进行了深入的

［4］

加中心孔来优化掏槽方案，成功地控制了爆破振动；吴亮等

［3］

，

对炮眼深度、掏槽型式、装药结构和爆破网路等环节进行了严格的设计和控制，降低了爆破振动速度，保证了

探讨；唐果良等周边眼通过对掏槽眼增加减振孔、

收稿日期：2014－10－13；修回日期：2014－12－05基金项目：青岛市建委科技项目资助（JK2013－4）

作者简介：周宜（1989—），男，湖北仙桃人，山东科技大学安全科学与工程专业在读硕士，主要从事地下工程及安全评价的研究工作。

90

隧道建设

第35卷

地表建筑物的结构安全。

1工程概况

青岛市地铁一期工程（3号线）土建03标太延区间全长1286．4m，主要施工方法为台阶法。正线往太平角公园站方向下穿多栋建筑物，其中下穿的如家快捷酒店始建于1977年，大楼为地上4层，基础均为毛条石基础。该建筑物的基础与隧道拱顶的最小竖直距离为10．3m。区间隧道下穿如家快捷酒店的左右线长度分别为18m和45m，该区间段围岩级别综合判定为Ⅲ～Ⅴ级，围岩主要为花岗岩，地表振动速度要求控制在2．0cm/s以内。如家快捷酒店与隧道的剖面关系如图1所示。

图1

如家快捷酒店与隧道的剖面关系

Fig．1

ProfileshowingrelationshipbetweenHomeInnandtunnel

2爆破振动控制原理

从过去对爆破振动控制的研究［7］

来看，爆破振动控制的技术方法大致分为3种。一是针对爆源采取的

控制措施，二是针对保护对象采取的措施，三是针对爆破地震波在传播过程中采取的措施。目前，在工程中应用最广泛的是如何针对爆源来控制爆破振动。

衡量爆破振动强度的指标有峰值振动速度、质点位移、加速度、振动主频和振动持续时间等，但在目前工程实践中，大多数仍采用质点振动速度作为表征爆破安全的主要物理量。爆破引起的质点峰值振动速度的衰减规律一般用萨道夫斯基经验公式表示。

Q1/3v=K（α

Ｒ

）。

式中：v为保护对象所在地的质点振动速度，

cm/s；Q为炸药量，kg，齐发爆破时为总药量，延时爆破时为最大一段的药量；Ｒ为爆源与测点之间的最短距离，

m；K，α为爆源与计划保护对象之间的，与地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

从萨道夫斯基经验公式可以看出，在进行爆破施工时，地表质点的振动速度与单段最大起爆药量成正比。因此，要想针对爆源来控制爆破振动，最直接有效的措施就是严格限制单段最大起爆药量。除此之外，设计合理的掏槽型式、装药结构和孔网参数等，都是从爆源来控制爆破振动的主要措施。

3微振爆破方案的设计

根据设计要求，本工程采用台阶法施工，台阶长度控制在5m左右，上台阶循环进尺0．6m，下台阶循环

进尺1．0m。上台阶开挖面积约16m2，高度控制在3.2m左右。总体遵循“短进尺，多打眼，少装药，内外

延时”的原则。由于上台阶爆破时只有1个自由面，属于爆破振动控制的关键部位，因此，本文只对上台阶进行论述。3．1炮眼深度

炮眼深度不仅决定着爆破循环进尺及掘进速度，而且还影响着爆破效果，是影响爆破地震效应的主要因素之一。若选取的炮眼深度过大，爆破时岩石的夹制作用大，炮孔利用率低，会导致爆破产生的能量向自由面释放，形成爆破的内部作用，产生强烈的地震效应。本工程炮眼深度主要由下穿如家快捷酒店所允许的安全振速决定，炮眼深度取0．7m，掏槽眼适当加深10%～15%，取0．8m。3．2

掏槽型式的选定

选择合理的掏槽型式及掏槽位置，是浅埋隧道开

挖中控制爆破振动的关键措施［8］

。因此，采用大直径中空孔直眼掏槽，中空孔直径150mm，掏槽眼以中空孔为中心，环形分布。最内侧掏槽眼距中空孔边沿100mm，掏槽眼间距向外逐步扩大，其他炮眼布置在中空孔周围，如图2所示。结合萨道夫斯基公式反算和现场试验得到爆破时的最大一段药量，掏槽眼单孔装药量取0．15kg，单段最大药量取0．15kg。

图2掏槽眼布置示意图（单位：mm）

Fig．2

Layoutofcutholesofupperbench（mm）

3．3辅助眼

辅助眼采用直线形与弧形相结合的布置方式。辅

助眼的间距a和排距b应不小于周边眼的最小抵抗线

第1期周宜，等：城市浅埋隧道下穿建筑物的微振动爆破技术研究91

W，b的取值与炮眼的单孔装药量有关，而a，要降低炮眼的单孔装药量，应相应缩小炮眼的间排距。本设计

b=350mm。外圈的辅助眼连线大致取a=400mm，

与隧道开挖轮廓线一致。

辅助眼的装药量与围岩的坚硬程度、炸药单耗、炮

眼长度及辅助眼的炮眼数量及间排距等参数有关。辅助眼的单孔装药量计算公式为

q=Ka·a·W·L·λ［9］。

kg；Ka为炸药单耗，式中：q为辅助眼的单孔装药量，

kg/m3；a为辅助眼的间距，m；W为炮眼爆破方向的

m；L为炮眼深度，m；λ为炮眼所在部位抵抗线，系数

［8］

周边眼不能与工作面完全垂直，须保持0．03～0．05的

外插斜率。考虑到下穿如家快捷酒店区间隧道拱顶部位的围岩较软，周边眼间距取350mm。为了使应力波在相邻炮孔间的传播距离小于应力波至自由面的传播距离，周边眼密集系数Kb（Kb=E/W）取0．8较为适宜

［10］

。因此，光爆层厚度W应取400mm。

周边眼的单孔装药量主要由围岩类型、炮眼间距、装药集中度等因素决定。光面爆破的参考值如表1所示。取光面爆破的装药集中度为0．20kg/m，对于0．7m长的光面爆破炮孔，单孔装药量为0．15kg，单段最大药量为0．3kg。

表1

Table1

岩石类别硬岩中硬岩软岩

。

对于炮眼深度为0．7m的辅助眼，炮眼的部位系

数λ=1．0，则单孔装药量q=1．95×0．4×0．3×0．7×1．0=0．16kg，取q=0．15kg。3．4

周边眼

周边眼的爆破效果直接影响着隧道断面成型质量及围岩的稳定。按光面爆破要求，周边眼沿隧道开挖轮廓线布置，开眼偏差值不大于30mm，各炮眼相互平行，眼底保持在同一水平面上。为了机械钻孔的方便，

光面爆破常用参数

Commonparametersofsmoothblasting

抵抗线W/cm60～8060～7540～60

装药集中度/（kg/m）

0．30～0．350．20～0．300．07～0．12

炮眼间距E/cm

55～7045～6535～50

上台阶的炮眼布置如图3所示，爆破参数如表2

所示。

图3Fig．3

表2

Table2

部位ⅠⅡⅢⅣⅤ

炮孔名称掏槽+扩槽辅助+周边+底板辅助+周边+底板辅助+周边辅助+周边

上台阶炮眼布置（单位：mm）

Layoutofblastholesofupperbench（mm）

上台阶爆破参数

4

单段最大装药量/kg0．150．30．30．30．3

装药结构及填塞

掏槽眼和辅助眼采用连续装药，雷管插入孔底药

Blastingparametersofupperbench

眼数1535352623

炮孔深

度/m0．80．70．70．70．7

单孔装药量/kg0．150．150．150．150．15

卷。周边眼采用空气间隔装药，炸药均匀分布在炮孔中，间隔药卷利用同一段雷管起爆。本工程所使用的炸药是标准药径（32mm）的2号岩石乳化炸药，因此，所有炮眼均采用不耦合装药，不耦合系数为1．31。

装药完成后，对各炮孔进行填塞，填塞材料采用炮泥组分（m土∶m砂∶m水=1∶3∶1）。炮孔填塞质量要求密实，不能有空隙和间断。周边眼和掏槽眼的装药结构及填塞如图4和图5所示。

注：总装药量=134×0．15=20．1kg

92

隧道建设

第35卷

图4

周边眼装药结构

Fig．4

Chargingstructureofperimeterhole

图5

掏槽眼和辅助眼装药结构

Fig．5

Chargingstructureofcutholeandreliever

5爆破网路设计

目前在城市爆破中，毫秒爆破得到了广泛应用。

毫秒爆破可以使起爆药量从大药量分解为小药量的单孔单段或单孔多段，成功地限制了单段最大起爆药量。采用毫秒爆破时，其爆破效果取决于后期起爆的装药能否充分地利用先期起爆装药形成的自由面。因此，在掏槽型式和孔网参数一定的情况下，起爆顺序和炮孔之间的延期间隔时间成为需要控制的关键因素。本工程上台阶采用20段的普通毫秒延期雷管，对前5段进行了跳段使用，将炮孔之间的延期间隔时间控制在50ms以上。根据研究表明，延期时间大于50ms时，基本可以避免爆破地震波的叠加

［11］

。

由图3可知，通过对雷管的布置，将上台阶分为了5个分断面，为了选择合理的起爆顺序，利用孔外延期技术对上台阶的爆破网路进行优化，如图6所示。利用大段别的孔外延期雷管，对Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3个分断面的簇联网路进行有序的捆联，进行一次起爆分部延时爆破；同理，Ⅳ，Ⅴ分断面网路的联接同上分断面的联接方式，单独起爆。一次爆破的组数可以根据现场实际情况进行调整，但必须遵循先期爆破分断面的最大延期时间小于后期爆破分断面的最小延期时间的基本原则。

图6爆破网路示意图Fig．6

Blastingnetwork

6微振动效果与分析

为了研究采用本设计思路爆破时地表质点的振动效果，在掌子面正上方布置监测仪器，监测地表质点在

垂直方向、水平轴向和水平切向的振动情况。图7为本工程某一掘进循环振速最大的爆破振动波形图。由图7可知，本次掘进循环的爆破振速峰值出现在第2炮的Ⅳ分断面，最大振速为1．76cm/s。为进一步证明本设计的有效性，对连续20个循环进尺的爆破振动数据进行整理分析，选取每循环进尺的振动最大值v

作为纵轴、每掘进循环的次数n为横轴，绘制曲线，如图8所示。

图7某一掘进循环典型爆破振动波形图

Fig．7

Typicalblastingvibrationwaveinadrivingcycle

图8掘进循环次数n和每循环振速最大值v的关系Fig．8

Ｒelationsbetweendrivingcyclenumberandmaximumblastingvibrationvelocity

对于连续20次的爆破掘进施工，采用大直径中空

孔直眼掏槽、孔内外延期等技术手段，严格控制单段最大起爆药量，得到20次掘进循环的平均最大振速为1．66cm/s，振动速度最大值全部控制在2cm/s以内，未发生超振现象，顺利地通过了如家快捷酒店。

7结论与讨论

下穿如家快捷酒店的隧道爆破施工对爆破振动要求严格，通过微振动爆破设计、选用合理的掏槽型式和装药结构、优化爆破网路等一系列减振综合措施，并对掌子面正上方地表的爆破振动进行连续监测，得出以下结论：1）采用“大直径中空孔直眼掏槽，周边眼空气间隔装药，孔内外延期技术”的微振动措施是可行的，使

如家快捷酒店地表质点振动速度控制在2．0cm/s以内，有效地控制了爆破振动效应。

第1期周宜，等：城市浅埋隧道下穿建筑物的微振动爆破技术研究93

2）在本工程中，毫秒爆破和孔外延期技术的有机结合使上台阶单个循环进尺的爆破次数从5次减少至2次，爆破时间也相应节省了1/3，既保证了掘进效率，又满足了爆破安全振速的要求。

3）在爆破时，为防止分断面Ⅰ爆破产生的飞石砸断传爆网路，应使分断面Ⅱ，Ⅲ的导爆管收紧并密贴壁面，在条件允许的情况下，可以使用硬质纸盒或油布对分断面Ⅱ，Ⅲ的导爆管进行覆盖处理。本文通过理论设计和现场试验，达到了爆破微振动的目的，所采用的技术手段具有一定的新颖性和实用性，对现场施工具有一定的指导意义。但文中所用的掏槽型式和爆破网路仅仅是控制爆破振动的单一模式，因而存在一定的局限性，后续研究应当继续不断地尝试和设计其他降振技术，进一步丰富城市浅埋隧道的爆破降振技术体系。

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