地下洞室群微振爆破技术及振动控制标准研究

刘建友，田四明，吕 刚，刘 方

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；2.中国国家铁路集团有限公司,北京 100844)

引言

随着隧道工程的不断发展，目前钻爆法以其施工方式灵活、效率高及成本低等优点被广泛应用于隧道开挖[1]。但隧道在爆破开挖过程中会引起邻近边坡失稳、结构物开裂、设施设备破损及人员伤害等不利爆破振动效应，因此必须对这种不利效应进行控制。为了减小隧道爆破振动对周边环境的影响，国内外学者在爆破机制和振动效应两方面已有丰硕的研究成果。对爆破机制研究有：Gosh.A等[2]对Leocnt及 Morris提出的经验公式进行了修正。目前，我国《爆破安全规程》[3]也采用应用广泛的萨道夫斯基经验公式来计算爆破振动安全允许距离。Mancini.R[4]提出通过提高钻孔精度可以提高爆破轮廓线精度，减少对围岩的破坏，以达到节约爆破成本和支护成本，加快施工进度的目的。而由爆破振动应力波引起的爆破振动导致的各种振动现象及破坏称为爆破振动效应[5]，对于爆破振动效应的研究，Song.Ki-II[6]采用数值模拟法分析了预裂爆破方法，指出其可有效降低爆破产生的振动，并减少对围岩的损伤和爆破超挖，同时指出减少对围岩的损伤和爆破超挖是降低开控成本的重要措施。G.A[7]主要研究采矿场和矿山爆破振动对周围建筑物及构筑物的影响，针对破坏现象进行了统计分析和经验总结。随着美国、前苏联、日本等国地下核试验和核防护工程的大量修建，工业爆破工程得到了前所未有的快速发展，以Thoenen、WIndes、Crandell、Duvall、Fogelson、Edwards、Northwood、Devine、Atwell、Langefors.U和萨道夫斯基等[8-10]为代表的各国研究人员，对工程爆破的地震效应问题进行了研究和分析；其中包括爆破地震波的衰减规律、爆破振动强度的影响因素、爆破振动的破坏准则学等，并对不同的建筑物制定了一系列区域性的破坏标准，王树强[11]、Song.Ki-II[6]、Kim.J.G等[12]结合隧道爆破工程实际，利用数值模拟等方法分析了在隧道轮廓钻设减振孔或水射流切割减振带对爆破地震波传播途径的阻隔机理，并根据现场振动测试验证了此类方法是降低隧道开挖爆破时振动强度的一种有效途径。在干扰爆破降振技术理论基础上，田振农等[13]发展提出了利用精确延时起爆确保爆炸波到达被保护点时错开约1/2周期的错相减振爆破理论，并将其应用于城市隧道开挖爆破中达到了预期的降振效果。

余红燏[14]和朱家稳等[15]对城市浅埋隧道的控制爆破进行了研究，吴圣智[16]对顺层软岩隧道的微振爆破开展了研究，王刚等研究了微振爆破在隧道换拱中的应用[17-18]。

技术人员对微振爆破开展了大量的研究工作，也取得了丰富的研究成果，但在爆破振动控制机理及控制标准方面，尤其是振动控制标准与材料强度之间的关系，仍然存在认识不清的问题。

1 爆破振动的分级

根据目前各种爆破技术的特点和降振水平，降振技术划分为常规爆破、弱振爆破、微振爆破和静态爆破4个层次。

(1)常规爆破

常规爆破是指以追求爆破效率为目标，以最小成本达到最大爆破效果的常规爆破技术。常规爆破一般应用于周边无建(构)筑物的场地，周边环境对爆破振动无要求，因此常规爆破的设计仅需考虑爆破的成本和效果两个参量。

(2)弱振爆破

弱振爆破是以保护围岩或保护周边一般建(构)筑物为目标，通过采用低威力低爆速的炸药、适当减小装药量、选择合理的装药结构、减小爆破进尺、采用掌子面分部爆破、预裂爆破等手段，从而减小爆破振动的一种爆破技术。弱振爆破技术一般应用于周边存在普通建(构)筑物的场地，弱振爆破的设计需要考虑振动对围岩及周边环境的影响。

(3)微振爆破

微振爆破是以保护周边敏感建(构)筑物为目标，采用电子雷管等精准起爆材料，将爆破过程在时间上分开，使各个炮孔逐个起爆，从而大幅降低爆破振速的一种降振技术。微振爆破技术一般应用于周边存在敏感建(构)筑物的场地，且弱振爆破技术无法满足爆破振动的控制要求[19-20]。

实现微振爆破目前有两种方法，分别是跨主振周期法和干扰降振法。单个药包爆破后一般产生一个主振和两个次振，第一次振幅值为主振幅值的1/3，第二次振幅值为主振幅值的1/10。跨主振周期法是指前后炮孔起爆时间间隔大于前炮孔爆破振动的主振周期，使前后炮孔爆破的主振振动相互隔开而不发生叠加。干扰降振法是指前后炮孔起爆时间间隔控制在主振周期的一半，使前后炮孔产生的爆破振动在同一目标点波峰和波谷相互抵消，从而大幅度降低振动速度。干扰降振法的降振效果更好，但其技术难度更高，当间隔时间控制不当反而会出现波峰与波峰相互叠加，从而增大振动速度的情况，因此在复杂场地复杂传播路径下，干扰降振法技术难度非常大。跨主振周期法技术难度相对较小，也相对可靠成熟。

(4)静态爆破

静态爆破一般分为试剂静态爆破和机械静态爆破两种爆破方法。试剂静态爆破是把一些硅酸盐和氧化钙等固体膨胀剂加水搅拌后，放入钻孔中发生水化反应，固体硬化，温度升高，体积膨胀，把岩石涨破。机械静态爆破是采用液压机械方式使岩石开裂，利用液压驱动分裂棒内的油缸产生巨大推动力，胀裂岩石。

2 爆破振动的控制标准

爆破振动控制标准是开展控制爆破，评价爆破对保护对象影响的基础。爆破振动的控制标准是保护对象本身的属性，与爆破施工无关，主要受保护对象的类型、结构特点、稳定性现状、使用要求等因素的影响。

控制爆破的首要目标是防止结构变形开裂，因此可以根据弹性力学波动理论，计算保护对象应力和应变与弹性波振动速度之间的关系，如下式所示

(1)

(2)

(3)

c1——弹性波的传播速度，m/s；

ρ——质点的密度，kg/m3。

上式表明，建筑物受到的拉压应力主要受质点的振动速度、弹性模量、泊松比和密度的影响，其中近接工程的弹性模量、泊松比和密度是常量，因此，可以采用振动速度作为评价爆破振动对建筑物影响的控制指标。

根据混凝土的抗拉和抗压强度，采用式(1)和式(2)可以反算出爆破振动速度的极限值，并采用下式确定建筑物振动速度的控制标准

(4)

式中 [V]——爆破振动速度的控制标准，cm/s；

Vmax——爆破振动速度的极限值，cm/s；

K——爆破振动安全系数，根据建筑物的重要程度取值1.4～2.0，如表1所示；

γs——建筑物服役状态折减系数，可根据建筑物的服役年限和现状评估取0～1.0，如表2所示。

表1 爆破振动的安全系数K建议值

以混凝土结构为例，假设结构物采用了C35混凝土，且不允许出现裂缝，取C35混凝土的抗拉强度设计值为1.57 MPa，根据公式(1)计算得到C35混凝土爆破振动速度的极限值为16.3 cm/s，对于重要建筑物安全系数取2.0，如表1所示，对于新建工程且服役状态良好，服役状态折减系数取1.0，如表2所示，C35混凝土爆破振动速度的控制标准为8.2 cm/s，如表3所示。

表2 建筑物服役状态折减系数γs建议值

表3 建筑物爆破振动速度极限值及控制标准建议值cm/s

注：表中振动速度控制标准的安全系数取2.0，折减系数取1.0。

表3中的振动速度极限值Vtmax和Vcmax是分别根据混凝土抗拉强度和抗压强度计算得到，分别为了确保混凝土在爆破振动作用下不出现受拉破坏和受压破坏。对于隧道结构来说，其初支喷射混凝土和二衬模筑混凝土主要以受压为主，因此可以允许混凝土出现裂缝并实现带缝工作，但应对裂缝宽度进行控制，因此隧道喷射混凝土和模筑混凝土的振动速度极限值Vsmax应介于Vtmax和Vtmax之间，建议按下式计算

Vsmax=Vtmax+γc(Vcmax-Vtmax)

(5)

式中Vtmax——受拉强度控制的振动速度极限值，cm/s；

Vcmax——受压强度控制的振动速度极限值，cm/s；

Vsmax——隧道支护结构的振动速度极限值，cm/s；

γc——裂缝宽度修正系数。

裂缝宽度修正系数主要取决于隧道的类型和混凝土的类型，建议按表4取值。以交通隧道为例，按上述公式和取值可计算得到隧道喷射混凝土和模筑混凝土的振动速度极限值和控制标准建议值，如表5所示，C30喷射混凝土振动速度可按22～28 cm/s进行控制，C35模筑混凝土振动速度可按8～16 cm/s进行控制。

表4 裂缝宽度修正系数γc建议值

表5 交通隧道工程振动速度极限值及控制标准建议值

注：振动速度控制标准的安全系数取2.0，折减系数取1.0。

3 微振爆破设计方法

微振爆破的关键在于控制各个炮孔的起爆时间，这主要依赖于精准的起爆材料，包括导爆管雷管和电子雷管。

3.1 跨主振周期法

跨主振周期法前、后相邻炮孔的起爆时间间隔相对较长，使后起爆的地震波避开了前起爆的地震波主振周期，从而减少地震波的叠加。跨主振周期法的起爆时间间隔可根据现场振动监测确定，根据工程经验，典型单孔爆破主振波持续时间约为60 ms，因此，跨主振周期法的起爆间隔时间一般大于60 ms。

跨主振周期法有两种实施方法，一种为电子雷管单孔连续起爆网路；另一种为电子雷管和高段位导爆管雷管联合起爆网路，即隧道掏槽眼及扩槽眼采用电子雷管单孔连续起爆，掘进眼、内圈眼、底板眼和周边眼利用高段位导爆管雷管起爆，利用高段位导爆管雷管的起爆误差实现单孔起爆。

导爆管雷管的段位数量有限，不能满足每个炮孔都使用不同段位逐个起爆的要求，电子雷管可以设置电子雷管的起爆时间，实现单孔逐个起爆。但是电子雷管价格昂贵，在大断面隧道中，炮孔较多，若全部使用电子雷管单孔逐个起爆，每循环需要电子雷管数量较多，增加了爆破成本，因此采用电子雷管和高段位导爆管雷管联合起爆是经济成本较小的微振爆破方式。

其中爆破振动速度控制标准根据表5取得，单孔装药量根据被保护对象爆破振动速度的控制标准，采用萨道夫斯基公式确定:

Q=([V]/K)3/a·R3

(6)

式中Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；

[V]——爆破振动速度的控制标准，cm/s；

R——爆破振源与被保护对象之间的距离，m；

K，α——爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

3.2 干扰降振法

干扰降振的关键是确定合理的间隔时间，使前后起爆的地震波出现波峰和波谷叠加的相互干扰。可以将爆破地震波简化为正弦波，在同一介质中传播时，周期相同，为达到波峰波谷相互叠加，间隔时间应满足下式要求

T/3<Δt<2T/3

(7)

式中T——爆破振动的主振周期，ms；

Δt——前后炮孔起爆的时间间隔，ms。

理论上，当时间间隔刚好为主振周期的一半时，波峰和波谷完全抵消，降振效果最好。爆破设计时还应考虑相邻炮孔至降振点的距离差对时间间隔的影响，按下式修正

(8)

式中 ΔS——相邻炮孔至降振点的距离差，m；

Vp——地震波的传播速度，km/s。

根据工程经验，典型单孔爆破主振波持续时间约为60 ms，最大波峰和最大波谷之间的主振半周期约为17 ms，因此炮孔延时间隔10～20 ms时可以达到较好的爆破减振效果。

4 工程应用

京张高铁新八达岭隧道位于八达岭长城风景名胜区，全长12.01 km，最高设计速度为250 km/h，为单洞双线隧道。该隧道并行水关长城，两次下穿八达岭长城，浅埋下穿老京张铁路青龙桥车站，洞顶覆土仅5.3 m。八达岭隧道内设置了八达岭长城站，距离隧道出口约3 km。车站总长470 m，地下建筑面积36 143 m2。八达岭长城站层次多、洞室数量大、洞型复杂，洞室间距小，其中站台层三洞分离段隧道水平间距为2.24～6 m，站台层与进出站通道层竖向间距为4.55 m，如图1所示。

图1 八达岭长城站透视

4.1 微振爆破参数及标准选取

八达岭隧道车站施工爆破对周边环境的影响主要表现在两个方面，一是对长城和老京张铁路邻近构筑物的影响，一是施工过程中与地下车站相邻洞室的相互影响。其中，八达岭长城站群洞施工爆破对邻近洞室围岩和支护结构的影响最大，已施工完成的支护结构分别为C30喷射混凝土和C35模筑混凝土。修正的振动速度控制标准应分别取25 cm/s和12 cm/s。根据车站围岩的力学测试，完整花岗岩岩块抗压强度约60 MPa，抗拉强度约6 MPa，岩体完整性系数约0.2，岩体的抗压强度约12 MPa，抗拉强度约1.2 MPa。抗压强度和抗拉强度控制的完整岩块的振动速度极限值分别为668 cm/s和67 cm/s，考虑裂隙切割影响后的岩体的振动速度极限值分别为135 cm/s和14 cm/s，安全系数K取2，裂缝宽度修正系数γc取0.5，则围岩爆破振动速度控制标准为37 cm/s。

4.2 微振爆破开挖

车站站台层三洞分离段先施工左、右到发线再开挖中洞正线，左、右到发线超前正线50～80 m，左、右洞错开距离>20 m，三个洞室共计分成10步进行爆破，如图2所示。其中左、右到发线为两台阶开挖法采用跨主振周期减振法的非电毫秒雷管起爆，根据公式(6)计算的单孔最大装药量1.68 kg；中洞正线采用中导洞超前开挖法，采用干扰降振法的电子雷管起爆，分六部爆破开挖，根据公式(8)计算电子雷管延迟时间间隔10 ms，中洞正线隧道炮孔布置及延迟时间如图3所示，单孔最大装药量1.905 kg。

图2 八达岭长城站站台层爆破施工顺序(单位：cm)

图3 中洞正线隧道炮孔布置及延迟时间(单位：ms)

4.3 微振爆破监测结果

开挖爆破过程中，对现场振动进行实时监测发现，爆破引起的中岩墙围岩、初支和二衬的振动速度分别为32.5，17.7 cm/s和8.9 cm/s，而根据修正的爆破振动速度控制标准，围岩、支护结构C30喷射混凝土和C35模筑混凝土分别为37，25 cm/s和12 cm/s。结果满足振动速度的控制要求，有效减少了京张高铁新八达岭隧道及车站掘进爆破过程中对邻近建筑物的干扰。

5 结论

(1)根据爆破引起的振速大小，可以将爆破划分为常规爆破、弱振爆破、微振爆破和静态爆破四个等级。

(2)微振爆破根据其降振机理可分为跨主振周期法和干扰降振法两种，干扰降振法的降振效果更好，但其技术难度更高，跨主振周期法技术难度相对较小，也相对可靠成熟。

(3)建筑物振动速度的控制标准可根据材料抗拉强度和抗压强度确定其极限振动速度，根据建筑物的重要性和服役状态选取安全系数和折减系数，根据建筑物运营对裂缝宽度的要求确定裂缝宽度修正系数，从而得到建筑物振动速度控制标准。爆破振动的安全系数根据建筑物的重要性等级可取值1.4～2.0，建筑物服役状态根据建筑物的服役年限和现状损伤情况取值0～1.0，裂缝宽度修正系数根据裂缝控制要求取值0～1.0。

(4)京张高铁八达岭长城站地下洞室群爆破施工相关干扰大，为减小爆破对围岩及已有支护结构的影响，左、右到发线采用了微振爆破跨主振周期法，中洞采用了干扰降振法，围岩、喷射混凝土和模筑混凝土爆破振动速度控制标准分别为37，25 cm/s和12 cm/s。现场监测表明，爆破引起的中岩墙围岩、初支和二衬的振动速度分别为32.5，17.7，8.9 cm/s，满足振速控制要求，效果良好。