复杂地层敏感环境硬岩浅埋隧道微扰动控制爆破技术研究

复杂地层敏感环境硬岩浅埋隧道微扰动控制爆破技术研究

王学楷

中铁（上海）投资集团有限公司，上海，200000

摘要：为解决青岛地铁8号线跨胶州湾海底隧道陆域860m下穿密集老旧低矮民房技术难题，通过采用微扰动爆破技术，实现安全、快速、优质完成复杂地层敏感环境硬岩浅埋隧道隧道施工。随着城市对爆破振动效应的关注程度以及拟定控制标准越来越高的趋势,提升有效的城市爆破工程的降振措施是极为重要，而隧道斜孔掏槽产生最大振动的概率极大。针对浅埋隧道而言,即使用先进的数码电子雷管技术,从波的相位差分析,让振动波的峰谷抵消是十分困难的,只能实现一定程度的错峰降振,相比常规控制爆破,振速下降50%～60%。基于普遍采用复式掏槽研究成果,使用正三角形掏槽方法,通过差分掏槽深度、等份装药与延时错峰方式来实现降振。以青岛地铁8号线大洋站～青岛北站区间陆域段的工程实践为例,在进尺1.5m的条件下,使用正三角形掏槽和非电毫秒雷管,错峰降振效果十分显著,振速最大下降75%,平均振幅在50%以上,既保障了密集建筑的安全,又避免了信访事件发生。

关键词：硬岩浅埋隧道；正三角形掏槽；错峰降振

0 引 言

青岛地铁8号线建设是落实“全域统筹、三城联动”发展战略的需要，是实现国家“半岛蓝色经济区”战略，建设“一路一带”海上战略支点的需要。大洋站～青岛北站区间跨海隧道是衔接北岸城区与东岸中心城区的重要通道，项目建设将大幅度缩短沿线各区之间的时空距离，加强北岸城区与东岸城区之间的联系，科学合理配置各类空间资源。

本研究在大量调研的基础上，综合采用理论分析、数值模拟、现场试验和归纳总结等多种手段，针对敏感环境浅埋隧道暗挖施工技术、海底隧道快速施工技术、盾构-矿山法对接段安全施工技术、海域环境特长隧道多工作面施工网络通风技术等技术，开展了深入的研究工作，并结合现场的施工运用。

通过本项目综合施工技术，最终安全、快速、高效、优质的完成海底特长隧道施工。青岛胶州湾公路海底隧道施工的成功范例，优化了本项目的施工技术，并提出了新技术、新方法，可为国内外其它类似地下工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1项目概况

青岛8号线线路全长约61km，是连接青岛新机场、北岸城区、东岸城区的快速骨干线路。

图1.1-1 青岛地铁8号线工程平面位置图

大洋站～青岛北站区间为青岛地铁8号线过海区间，线路起自城阳区红岛街道东大洋村，胶州湾跨海大桥红岛收费站东侧入海，下穿胶州湾海域后接入李沧区青岛北站。大洋站～青岛北站区间全长7.8km，其中下穿胶州湾海域段长5.4km，为国内穿越海域段最长地铁区间隧道。

图1.1-2 大洋站～青岛北站区间线路平面缩略图

大洋站～青岛北站矿山法区间长3869m，其中陆域段长1332m、海域段长2537m，均为马蹄形断面，采用矿山法和盾构法组合工法施工，这两种工法在海底进行对接。区间结构采用复合式衬砌形式，初期支护主要由锚杆、喷射混凝土、钢筋网组成。海域矿山法隧道开挖尺寸：8.1m×8.8m，断面面积：63.8m2；盾构区间管片内径6.0m，管片厚度0.35m。

2 复杂地层敏感环境硬岩浅埋隧道微扰动控制爆破技术

大洋站～青岛北站矿山法区间陆域段有约860米下穿民房密集的东大洋村社区（房屋为1～2层的砖混结构），隧道埋深7～38m，隧道穿越段岩层以微风化、中风化流纹岩为主，地下水为基岩裂隙潜水，受隧道埋深浅、F9断裂带，受隧道埋深浅、地表建筑物老旧、破碎带等不利影响，考虑到东大洋社区房屋建设标准较低，建筑材料存在轻微老化及房屋使用现状，设计爆破振动控制值V控≤0.5cm/s。

基于隧道微振动爆破原理的研究，提出了正三角形微药量错峰降振设计理念，开发了差分掏槽和等份装药控制爆破技术，实现了1.5m快速掘进循环进尺，达到了敏感环境（距离爆源15米处）振速控制在0.5cm/s以下的控制水平，解决了长距离下穿敏感环境硬岩浅埋隧道严禁爆破的难题。

图2.1-1  矿山区间隧道周边主要控制环境平面示意图

2.1 正三角形掏槽微药量爆破错峰降震原理及特点

1、原理

隧道掌子面爆破时，当创造临空面的3～5对上下平行炮孔（简称掏槽孔）的延长线在同一平面上与掌子面形成正三角形；同时差分掏槽深度（W），在掏槽孔内间隔装入等分微量炸药，孔间错位形成炸药能量基本均匀分配的装药结构体系，并采用普通非电导爆管雷管，满足各等份炸药合理时差有序起爆，充分保证每列振动波的峰值完全独立的网络系统，再通过减少同段雷管起爆最大装药量，以实现对最大峰值的有效控制，最终达到大幅削弱掏槽区爆破震动。

a）平面图               b）掏槽原理正视图       c）掏槽原理侧视图

图2.1-3  正三角形掏槽原理

2、主要特点

（1）正三角形掏槽无论在什么地质条件，在削弱炮孔夹制作用、创造临空面条件上均较其他斜眼掏槽有显著优势，可获得较高的炮孔利用率和稳定的进尺。

（2）掏槽孔的夹角固定且为特殊角度（ctan60゜≈0.6），计算分析与实际钻孔工艺的控制等方面十分方便，而惯用水平楔形掏槽的夹角是变量，变化在30～70°之间，设计经验性强，实际操作相对复杂。

（3）差分掏槽深度实现微药量装药，结合微差错峰网络可将振动大幅降低，打破了传统的认识——掏槽是产生最大振动的源头。

（4）等份炸药装药结构，能量分布基本均匀，槽区大块率低，现场操作精准方便。

2.2 正三角形掏槽微药量爆破的关键技术

1、差分掏槽深度（Ｗ）

针对隧道采取斜眼掏槽爆破而言，定义掏槽孔底至掌子面的垂直距离为掏槽深度（符号W）。隧道或地下工程开挖进尺控制是爆破降震的先决条件，在此基础上再将一次性掏槽深度按比例进行支解，即差分W，分散震源能量，就能实现有效的降震[5]。

图2.2-1差分掏槽深度示意图

当设计炮孔的循环进尺超过1.5m时，在震动控制严格的敏感地带，其工艺困难，几乎难以实现降震，但低于0.5m时又无工程实际意义（功效低、成本大）。为便于表述：定义W1对应的掏槽称之为“小掏槽”，W2对应掏槽称之为“大掏槽”。根据CAD作图法分析，当满足下述比例时，大小掏槽孔内就能实现等份装药。差分原则如下表:

表2.2-1 差分掏槽深度W

2、正三角形槽区孔网参数

根据实践经验，掏槽区当按下述原则取值，既能获得良好掏槽效果，又能保障孔内单孔装药量适度。孔网参数如图1b。

（1）掏槽孔层间距（h）：h =40～70cm，即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各级围岩依次对应40cm、50cm、60cm、70cm。

（2）槽口高度（H）：H=120～240cm。软岩偏小取值，硬岩偏大取值。

（3）炮孔对数，硬岩不宜多于5对炮孔，软岩不宜少于3对炮孔；

（4）掏槽区设在掌子面中偏下一点，当严格控制震动时，槽口底部掏槽孔离隧道底板高度控制在50～70cm。硬岩取小，软岩取大。

3、掏槽孔装药量精准计算

研究表明掏槽区满足加强松动爆破既是获得基本进尺的前提条件，又是控制爆破震动药量计算的上限。装药量仍然采用经典的体积公式计算：

（1）掏槽孔的单孔装药量（Q单）

式中：Ｋ0＝0.7～1.1Kg/m³，经验值：软岩偏小值取值，硬岩偏大值取值。

Ｖ—— 1对炮孔所承担的掏槽体积，单位m3,其中：V=V1，V2。

h—— 正三角形掏槽孔间距离，单位m、d—孔底间距，单位m。

Q单—— 单个掏槽孔炸药装药量，单位Kg。

（2）等份炸药重量（Q０）

将V1，V2分别代入（1）式计算后，确定单孔等份炸药数（nj），计算Q单０，然后平衡取相同值，即Q０。使得整个掏槽区各等份炸药量Q０均相同，其重量控制在30≦Q０≦150ｇ（精准至5g）。并满足：

∑nj×Q０≦Q单

ni×Q０≦Qmax

式中：nj—指同一炮孔内的等份炸药数量且nj=1，2，3。ni—为掏槽区第i段非电雷管的等份炸药数量。

R—震源中心距被保护对象间的距离，单位m。K，α—与地质条件相关的系数。

V—设计允许振速，单位cm/s。

4、掏槽区装药结构体系研究

图2.2-2  等份装药结构示意图

掏槽孔的装药量等分成相同的若干等份（等份炸药），且在孔内间隔设置，能量在孔内分布基本上均匀，并保证在孔间错位设置，让每等份炸药（Q０）爆破岩石体积基本相当，同时孔内间隔堵塞长度3002且孔间相邻等份炸药在平面投影上首尾相接，并保障首段装药离掌子面距离控制在0.45W1，如图2.2-2。

2.3正三角形掏槽微药量错峰降振爆破开挖施工方法

由于掘进机粉尘情况无法解决，且工费高仅试验掘进15m。根据前期理论研究成果，现场开始微震扰动试验。

陆域段IV2a型围岩格栅间距0.75m，台阶法施工，每循环的施工进尺控制在1.5m以内。

图2.3-1  掏槽眼设计平面图及侧面图

1）采用正三角形掏槽，根据地质情况、施工要求及限制要求，差分抵抗线W，其W1=（1.5+0.1）*0.6=0.96m、W2=0.64m。选用3对掏槽，h=0.7m、H=1.4m。d=0.2m

2）允许的最大装药量Qmax、Q单、Q0计算:

依据实际监测回归资料，取K=320、α=1.9,R=15m，代入相关公式计算有：

3=[15×(1.5/320)1/1.9]3=709g。

=0.96×0.7（0.6×0.96+0.2）=0.521m3

=1.6×0.7（0.6×1.6+0.2）-0.521=0.778m3

Q单=1/2K0V,K0=0.8Kg/m3

Q单1=1/2K0V1=0.5*0.8*0.521=0.208Kg，nj=2

Q单2=1/2K0V2=0.5*0.8*0.778=0.311Kg,nj=3

Q0=0.1Kg

ni=Qmax/Q0=0.709/0.1=7,取偶数ni=6。

以上参数含义参考本2.2节。

装药结构体系设计：根据计算实取ni=6,即掏槽区同段导爆管雷管起爆的等分炸药段数的数量不超过6等分。网络系统设计的详见下图：

图2.3-2  上台阶网络设计图

表2.3-1  上台阶各孔用药量统计

2.4 振动监测

1、振动监测目的

（1）通过爆破振动监测，在实爆破期间及施工过程中合理确定爆破参数设置；

（2）通过爆破振动监测，获取爆破振动沿不利断面或不安全方向的振动衰减传播规律，估算开挖爆破最大允许药量与安全距离；

（3）通过爆破振动监测，评价爆破施工方案和爆破参数的合理性，为控制与优化爆破施工参数提供依据；

（4）通过爆破振动监测，测定爆破作业对周边敏感建(构)筑物、岩土体的振动影响程度，并根据相关规范及设计标准，对其安全性作出评估，并为控制或调整爆破参数提供依据。

2、测试结果

采用常规控制爆破距掏槽区24.08m处测得地面质点最大振速5.7cm/s,距槽区23m左右一般都在1.2～1.5cm/s，经多循环监测统计，最大振速发生在掏槽区，而且以首发炮孔频率最高。如图5.8.2-3、5.8.2-4。研究成果的运用后发生了明显的改善，即最大振动后移至掘进孔，15～25m距离范围内最大振速1.35cm/s，通常在0.5～0.8cm/s之间，最大降低幅度达到了75%，平均降幅在50.3%。

图2.4-1常规控制爆破震速曲线（距离24m）图2.4-2错峰降振爆破震速曲线（距离15m）

2.5 地表沉降监测

隧道工程采用矿山法开挖后，地层中的应力扰动延伸至地表，围岩力学形态的变化在很大程度上通过地表沉降反映，也可以反映隧道开挖过程中围岩变形的全过程。因此，对隧道开挖过程中周围土体的沉降变形进行监测，能及时了解周围土体稳定性，也可对隧道施工安全状况作出间接判，监测结果如下表：

表2.5-1  大青区间陆域段拱顶沉降监测成果汇总

大青区间陆域段2018年8月净空收敛、拱顶沉降净空收敛变化量为1.2～-2.83mm，变化速率在0.04～-0.09mm/d，拱顶沉降变化量为2.1～-3.23mm，变化速率在0.07～-0.1mm/d，由此可见，净空收敛、拱顶沉降均满足控制要求，且隧道周边变化趋势基本稳定。

3 结束语

大洋站～青岛北站矿山法区间陆域段地处敏感地带，复杂的地理和人文环境对隧道开挖有严格的要求。在陆域段浅埋隧道采用正三角形掏槽微药量错峰爆破既简化了爆破参数的计算又能提供较大的爆破破裂角，减少炮孔夹制，保障了掏槽的成功率、减少了同时刻起爆的装药量，既能解决敏感区域的震动控制问题（15m地表震动速度＜0.5cm/s），又能保障施工进度（循环进尺1.5m），相对比机械开挖施工，具有较高的成本控制价值。正三角形掏槽较其他斜眼掏槽效果更理想，同时差分最小抵抗线，在掏槽孔内间隔装入等分炸药，孔间错位形成炸药能量基本均匀分配的装药结构体系，并采用普通非电导爆管雷管，满足各等分炸药合理时差有序起爆的网络系统，充分保证每列振动波的峰值完全不关联（互相独立），再通过减少同段雷管起爆的最大装药量以实现对最大峰值的有效控制，最终达到掏槽区爆破不产生过大震动的目的，可应用于敏感地区隧道爆破作业。

基于隧道微振动爆破原理的研究，提出了正三角形微药量错峰降振设计理念，开发了差分掏槽和等份装药控制爆破技术，实现了1.5m快速掘进循环进尺，达到了敏感环境（距离爆源15米处）振速控制在0.5cm/s以下的控制水平，解决了复杂地层穿敏感环境硬岩浅埋隧道严禁爆破的难题。

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