海底隧道低振动、精细化爆破施工的控制技术研究*

冀大禹

(中铁十八局集团第一工程有限公司,072750,涿州∥高级工程师)

随着我国海底隧道交通的快速发展,如何快速、安全地进行隧道施工已成为重点关注的问题。尽管可采取的施工措施众多[1],如增加炮眼数量、少装炸药、隔孔装药及采用普通非电毫秒雷管分段起爆等[2],但隧道爆破作业仍难免会对周围建筑物产生振动危害。众多学者对爆破振动施工进行了研究[3-5]。如何减少振动及爆破控制的振动速率(以下简称“振速”),是目前隧道爆破工程施工的技术难点[6]。

本文以厦门某海底隧道爆破工程为背景,基于该工程采用的低振动、精细化爆破控制关键技术,对施工过程中安全风险防控、减振措施、开挖工法、炮眼布设、数码电子雷管使用及自动化爆破监测等方面进行了创新,总结了精细化爆破控制的成功经验,以期为类似工程隧道爆破开挖提供技术支撑及理论参考。

1 工程概况

图1为厦门市某海底隧道主线下穿城市主干道时与邻近建筑物周边环境位置关系图,其中,鸿图苑小区与右线隧道的距离仅6 m。鸿图苑为1994年建成的七层砖混结构,地基采用桩基础。

该海底隧道属浅埋暗挖隧道,施工段邻近老旧建筑物,爆破开挖等级为复杂环境城镇爆破B级。尤其是鸿图苑,该小区北面沿右线隧道段的爆破深度为23～25 m,起爆点与房屋的最小水平距离仅为6.0 m,因此,工程前期需对鸿图苑进行爆破安全性评估,并在此基础上提出有效的施工保护和控制措施。

2 工程周边环境的爆破安全性评估

2.1 爆破安全性评估方法

施工前,应先对邻近敏感建筑物进行安全性评估,以初步判定该建筑物可承受的爆破振速值及周边居民可接受的爆破振动感受范围。在前期非爆破控制施工期间对爆破监测点的数据进行了监测,得到爆破振速同起爆点与爆破监测点距离的关系如图2所示。由图2可知:起爆点与爆破监测点的距离从124.99 m减至31.75 m时,爆破振速由0.109 cm/s增至0.698 cm/s,此时的爆破振速已超过了周边居民可接受的爆破振动感受范围。

图2 爆破振速同起爆点与爆破监测点距离的关系

2.2 爆破振动强度预测

开挖爆破时,决定爆破振动强度的因素有很多,其主要影响因素是爆药量和爆心距。采用M.A.萨道夫斯基的振动最大速度经验公式来预测爆破振动强度,其计算式为:

(1)

(2)

式中:

v——地面质点峰值振速;

Q——爆药量,延时爆破时取最大段的爆药量;

R——爆破点与爆破监测点的距离;

K——场地系数;

α——衰减系数。

该海底隧道地处质地坚硬的中风化花岗岩内,根据工程经验,选用K=150.000、α=1.500。鸿图苑属一般民用建筑物,根据GB 6722—2014《爆破安全规程》的规定,其控制振速为2.0 cm/s。鸿图苑的桩基为大体积混凝土结构,设计中控制振速验算取抗震龄期最长的最小值(7.0 cm/s)的一半,即3.5 cm/s进行计算。选取5个爆破监测点,基于式(1)和式(2)对最大段的起爆药量进行核算,其结果如表1所示。由表1可知:前期爆破施工中,实测振速值小于计算振速值。

式(1)两边取对数,可得:

(3)

y=k+αx

(4)

由最小二乘法可得线性回归方程y=1.265 8x+1.822 7,由此可知本工程地质与地形条件下的K=66.481、α=1.266。经比对分析可得出结论:本次线性回归计算所得的K值和α值是合理的。

当取K=66.481、α=1.266时,根据式(2)对左线隧道和右线隧道最大段的爆药量进行核算。结合爆破工程的安全风险评估要求,对鸿图苑小区的房屋进行逐层、逐户排查,并监测爆破数据。由此得到鸿图苑小区房屋安全性评估的预测结果为:该小区房屋主体结构安全、可控。

3 低振动、精细化爆破控制施工的关键技术

由上文可知,0.698 cm/s的爆破振速引起的振动已超过了周边居民可接受范围,且考虑到施工区域周边建筑物老旧,该工程采用低振动、精细化的爆破控制技术,以尽可能减少爆破振动的影响。

3.1 爆破控制施工原理

结合施工区域围岩地层的具体情况,本文选择上台阶CD(中隔壁)法进行开挖,采取上台阶左右导洞分步实施、左右导洞内设超前导洞(先掏心再压顶)、超前中管棚减振、设减振孔、周边眼加密、电子雷管单孔单响、爆破控制进尺、控制单孔装药量等施工工艺。

此外,该工程还采用了自动化监测手段,做到一炮一测、一炮一总结。在周边建筑布设传感器,用以收集监测数据。爆破测试先在试验段内实施,在分析爆破控制效果和不断优化爆破参数后,确定一个安全且居民可接受的爆破振速值。施工时,应严格按要求实施爆破作业。

3.2 爆破施工流程

该海底隧道低振动、精细化的爆破施工流程如图3所示。

4 爆破控制的施工工艺

通过大量调研与方案研究,本工程确定采用上台阶CD法开挖、左右线导洞分步实施、导洞内设超前导洞、先掏心再压顶、创造临空面等爆破控制施工方法。具体的施工工艺如下:

1) 在离敏感建筑物距离相对较远的区段设试验段,先在试验段内开展爆破控制测试,以模拟邻近敏感建筑物的爆破反应。对采集得到的试验段数据进行分析,在通过敏感建筑物的安全性评估后进一步改进爆破工艺及其参数。随后再开始其他区段的施工。

2) 采用上台阶CD法开挖,其支护参数分别为:①在隧道拱部设长为120 cm、间距为60 cm的中空注浆锚杆;②在仰拱处设φ8钢筋网,网格大小为20 cm×20 cm;③在仰拱处设20b工字钢(间距为60 cm);④在仰拱处设50 cm厚的C50钢筋混凝土二次衬砌;⑤在仰拱处设28 cm厚的C25喷射混凝土;⑥在仰拱处设20b工字钢(间距60 cm);⑦在仰拱处浇筑55 cm 厚的C50钢筋混凝土。

3) 上台阶CD法临时支撑采用I20b工字钢(间距为60 cm),设置22 cm喷射混凝土;上台阶左右导洞分步实施,左右导洞内分别设置4.5 m(宽)×3.5 m(高)的城门洞超前导洞,并在其中部设置2排φ100 mm的中空减振孔。减振孔的层距为0.3 m,排距为0.5 m,孔深与管棚长度一致。

4) 开挖前打设φ76 mm(间距为6.0 mm)、长度为13.2 m的中管棚,其环向间距为40 cm,空管不注浆,并兼顾超前支护和减振要求;在周边眼内侧的辅助眼位置上打设8个φ90 mm(间距为1.1 m)的减振孔。在上台阶CD法竖撑位置打设6个φ90 mm(间距为1.0 m)的减振孔,其孔深均与管棚长度一致。

5) 周边眼间距≤40 cm;电子雷管单孔单响;爆破控制进尺措施为超前导洞连续进2次,再一次性压顶,总进尺≤4榀钢架间距;单孔爆药量≤1.2 kg;严格按一炮一测要求实施爆破。

为模拟邻近敏感建筑物的爆破反应,在隧道左右侧6 m沿隧道方向布设自动化爆破监测点,如图4所示,监测点间距为10 m,左右侧均布置4个监测点,用以采集试验段监测点的爆破振速数据。

图4 隧道左右侧自动化爆破监测点布置图

图5为对左线导洞掏心-压顶爆破振速监测67次、对右线导洞掏心-压顶爆破振速监测50次后得到的监测点爆破振速。为了清晰地看出左右线导洞监测点爆破振速的分布,绘制了3条横线,将爆破振速区分开来。由图5可知:左线导洞约94%的监测点的爆破振速在0.3 cm/s以下,远小于GB 6722—2014的规定值(2.0 cm/s);右线导洞约86%的监测点的爆破振速在0.3 cm/s以下,远小于2.0 cm/s。因此,本文所述的隧道低振动、精细化爆破控制技术能大幅度降低爆破产生的振动,爆破速率大幅下降,减振效果良好,且对周边建筑物的影响较小。

图5 左右线导洞内各监测点的爆破振速实测值

5 结语

本工程基于厦门某海底隧道的爆破施工项目,对工程周边敏感建筑物采取的低振动、精细化爆破控制施工关键技术进行了研究,并结合爆破振动实测数据对爆破控制效果进行了分析,结论如下:

1) 本工程对邻近敏感建筑物硬岩段采用了上台阶CD法开挖、上台阶左右导洞分步实施、左右导洞内设超前导洞、超前中管棚减振、设减振孔、周边眼加密、电子雷管单孔单响、爆破控制进尺、控制单孔装药量等施工措施。经实测验证,这些施工措施能大幅降低了爆破振速,极大地减少对邻近建(构)筑物的损伤及对周边居民的影响,实现了无感爆破和绿色环保施工。

2) 本工程减少了对周边围岩的损伤,光面爆破质量和爆破后围岩的自承能力得以进一步提高,这既减少了隧道拱顶局部围岩掉块的可能性,也提升了隧道开挖操作环境的安全性。采取缩短电子雷管延期时间、在底板孔设双雷管等措施后,该工程施工中减少了盲炮数量,降低了电子雷管拒爆率,提高了雷管的安全使用度。