隧道爆破破坏的地震动效应分析

隧道爆破破坏的地震动效应分析

近年来，随着经济的快速发展，不同建设项目的范围也越来越大。在全国各地,蓬勃突起的铁路、公路、水工建设,特别是高速公路和许多城市地铁及轻轨的建设,都有许多隧道和地下工程。在这数量众多的、有着多种不同用途的隧道工程的建设过程中,有些隧道会遇到在开挖时必须采用减轻爆破振动强度的爆破技术,方能按期安全完成施工任务。这时,通常有以下3种情况:(1)软弱围岩隧道为避免塌方和能安全地进行大断面开挖,使用大型施工机械;(2)城市隧道地面及地下环境复杂,人口密集,房屋建筑林立,地下建筑管线密布等引发的与山岭隧道完全不同的一些新的问题;(3)两相邻的隧道线间距偏小,同时施工或新建隧道紧邻已有隧道开挖爆破的问题。在完成隧道工程施工的同时,不对隧道围岩以及隧道周围环境,特别是地表建筑造成破坏,或是过大的扰动,是当前技术人员在许多工程实践中正在努力追求的一个目标。为此,城市隧道、山岭隧道等工程控制爆破技术也越来越受到广大工程技术人员的关注。而隧道爆破技术,虽然经过了数十年的发展和大量的工程实践,有些如隧道光面爆破、预裂爆破技术已趋于成熟;但是,由于爆破器材发展的滞后,以及对许多工程爆破现象缺乏深入、理性的认识和解析,隧道控制爆破目前仍然主要依靠经验,主要用工程类比法来完成施工。因此,隧道控制爆破技术,例如微振动爆破技术等,不仅还有不少需要探索认识的技术内容;同时,也有不少需在更多的工程实践中不断积累经验资料,使之不断得到改善和提高。1爆破对围岩的扰动施工爆破对隧道围岩稳定性的影响是显而易见的。当隧道的埋深不够大时,常常还会对地面环境及建筑物造成扰动和破坏。开挖爆破对隧道围岩的破坏和扰动大致有以下几方面内容。(1)接近爆破一定距离内,爆破能量对介质的作用为非弹性作用,围岩在这个区域内,在冲击波和爆炸气体生成物高温高压直接作用下,出现破碎圈。(2)稍远处伴随着冲击波而在介质中产生应力波和地震波,对隧道围岩产生扰动破坏。但是,目前对于岩石爆破机理,特别是隧道爆破过程本身对围岩的作用机理的研究还很不充分,隧道工程爆破的设计和实践目前仍以工程类比或是经验的方法为主完成。近年来,在一些隧道工地进行的现场观测资料充分表明,施工爆破对隧道围岩稳定的扰动破坏是十分明显的。在一座穿过砂岩泥岩地层的单线铁路隧道,在隧道上面自地表向下打的观测孔中,埋设了波纹管式应变元件。在隧道掘进接近观测孔时,观测了爆破对围岩的扰动情况。观测结果表明,在隧道开挖过程中,施工爆破是使围岩产生急剧变形的主要原因。一次装药为160kg的爆破,可以使距离隧道拱顶2m高处产生+924με。下坑隧道穿过严重风化的千枚岩,施工中曾用收敛位移计和钢丝形钻孔变位桩,分别就爆破开挖对围岩的扰动进行了观测。结果表明,一次总药量为20kg左右的爆破,沿着隧道拱脚至边墙脚以上1m高处范围内产生8.2～9.9mm的收敛变形。而地表钻孔钢丝形钻孔变位桩的观测表明,处于测点下方的隧道施工爆破引起的距洞顶上面5m处的岩体瞬间位移量,约等于整个隧道掘进循环的全部位移量的70%～100%。如前所述,爆破对隧道围岩的扰动破坏一般可以分为两部分:爆破的直接破坏区和扰动区。直接破坏区通常包括剥落区(及周边炮眼以外围岩的超挖部分)和破坏区(松动圈,即裂隙生成及扩展区)。扰动区则主要指存在爆破地震动效应的范围。所谓松动圈是指,地下隧道开挖后,因移去岩石形成空洞而破坏了围岩原有应力平衡状态,以及由于爆破作用导致围岩中的应力重分布,并使围岩表层破碎,在一定范围内产生径向和环向裂隙。这样,围岩中便产生“减压”和“卸载”现象。随着隧道周边原来因应力集中而产生的较高的切向(环向)应力移向围岩内部一定深度,对圆形洞室则常常可以是洞室直径的0.5～1.0倍,并且在隧道围岩内部一定深度出现一个呈椭圆形的“高应力环”。在隧道周边和这个“高应力环”之间的岩体处于破碎和开裂状态,但尚不致塌落。通常把这个区域称为围岩的卸载区或松动区,或松动圈。这里,通常把爆破对围岩的影响总厚度分成两个部分:(1)由于爆破作用,在周边炮眼以外超挖掉的岩石,称为围岩的塌落厚度;(2)由于爆破造成的围岩破碎厚度。塌落厚度是设计轮廓线与实际开挖的隧道轮廓线之间的距离。破碎厚度可以用弹性波量测等物探方法进行测定。为了从围岩松动区中划分出爆破影响深度,显然洞室一经爆破开挖后,应尽快地进行测试。对于大多数隧道工程来说,实际上爆破影响带与围岩松弛带通常都是不大一致的。松弛带范围应大于爆破影响带。但在特殊情况下也有一致的时候。这里说的是特殊情况,往往指那些地质构造简单,岩层平缓,岩体坚硬完整,近似于弹性体时;同时隧道埋深较浅,地表多被沟壑切割的情况下。这时隧道开挖后,常可认为并不出现围岩应力松弛带,所产生的围岩表层破碎厚度,乃是爆破所致。这时,爆破影响带也就是围岩松弛带。2爆破地震动控制标准到目前为止,人们对爆破地震效应及爆破振动的破坏机理还远没有研究得很清楚。大量的工程技术及安全方面的问题还主要依靠经验的方法来解决。在岩土中爆炸时,炸药爆破能量的2%～6%将转变为地震波。隧道工程的爆源同时也是地震源,它会产生在围岩一定范围内传播的,由随时间而变化的应力构成的力系引起的爆破地震动效应。其主要研究内容是爆破地震波的传播规律及其对传播介质和围岩以及建筑结构的影响。如前所述,在距爆源一定距离内,爆炸能量对介质的作用为非弹性作用,该范围内出现岩体因爆破作用形成的破碎带,在某一定距离以远,这种非弹性作用终止,而开始出现弹性效应。这种弹性扰动在岩体介质中以地震波的形式由爆炸区向外传播。这种爆破地震动实际上是震源发出的行进的波动扰动,这种行进的波动扰动会引起围岩介质质点的振动。而且,随着传播距离的增大,质点的振动强度将逐渐衰减。质点的振动强度超过某一限度时,就会造成隧道围岩、衬砌及某些情况下地表建筑物的开裂、破坏、甚至坍塌。观测资料表明,二次爆破造成的扰动破坏更大。重复爆破作用的扰动,会导致岩石或结构物中已有的裂隙累积性扩展。隧道围岩、衬砌或其他建筑物在爆炸地震波的作用下,质点的运动状态可以用位移、速度和加速度来表示。到目前为止,一般仍认为以质点速度作为破坏控制标准是可行的。这一标准之所以合理,不仅是因为最大质点加速度与质点速度的平方成正比,而且质点最大速度与最大质点位移与频率的乘积成正比。同时,最大质点振动速度还与最大径向应变成正比,如以下公式式中ξr——径向应变;vr——质点径向振动速度;C——纵波的传播速度。所以,质点的速度是岩体变形或应变的尺度,因而是与结构物损害联系最密切的动力扰动。因此,通常通过控制隧道围岩或结构物的峰值振动速度,可以达到控制爆破破坏的目的。虽然,目前大多数研究者已趋于一致地认为一般均可以振动速度来作为衡量爆破振动强度的参量。但是,质点的实际运动参数是由3个互相垂直的分向量的矢量和(即对爆源而言垂直向、径向、切向)求得。实际应用中是采用3个分量之一还是采用3个分量的矢量和,国内外尚无定论;我国现行的《爆破安全规程》(GB6722—2003)中对此也未明确规定,人们可视工程情况自己决定。但实际上,大多仍采用垂直向振动速度作为控制标准。近年来,随着研究的深入,工程实践的增多,人们越来越清楚地认识到,选用单一的振动参数(如质点振动速度)来反映爆破地震动的特征是很不全面的。一方面,爆破地震波在岩体中的传播是一个复杂的力学过程,炸药的种类、性能、药量、装药结构、起爆方式、堵塞状况以及爆破的地形地质条件都会对此产生影响;另一方面,围岩的特性及建筑物的不同结构、性质、地基基础状态等都会对爆破地震效应产生影响。由结构动力学可知,爆破地震动作用下结构的响应与爆破地震动强度,频率特性以及结构本身的固有频率,阻尼比等因素有关。而不同的振动频率和振动持续时间,对建筑物结构的动力影响也是不一样的。而工程爆破地震动和天然地震动的区别也在这3个基本地震动强度参数上表现得非常明显:天然地震动大多频率低(2～5Hz),持续时间长(可达数秒钟以上);而爆破地震动则虽在距爆源一定范围内峰值相当高,但是主振向频率可高达几十甚至上百赫兹,持续时间一般也在几毫秒到几十毫秒,传播的距离也远比天然地震动小。近年来,从考虑到爆破振动频率如接近建筑物固有频率时,由于共振作用,会造成建筑物更容易破坏,因此建议应同时用质点的峰值振动速度、峰值振动速度频率及持续时间3个参数来控制爆破地震动效应。虽然有人认为目前我国具备了采用速度-频率作为表征振动强度指标的基本条件,并将其纳入爆破振动安全判据中。但是由于研究数据尚不充分,我国目前仅对地面建筑爆破振动判据给出了质点峰值振动速度和主振频率2个指标;其他各种工程对象则仍采用峰值振动速度单一指标。3爆破对围岩及地面建筑物的危害对于爆破振动强度的估算,可以通过现场试验观测得到的如下经验公式来计算式中V——质点振动速度,cm/s;k——与地质地形有关的参数,对一般岩石取40～650;α——衰减指数,对一般岩石为1～1.75;ρ——等效药量,或称等效距离,比例距离,ρ=Q−−√3/Rρ=Q3/R;Q——炸药用量,kg;R——测点至爆破中心的距离,m。由上式可知,质点的爆破振动强度与一次爆破的炸药用量和至爆源的距离有关。由于爆炸地震动效应只存在于介质的弹性传播区范围内,所以通常该公式只适用于距爆源5～3000m的范围内,不可以向两端无限延伸外推。已有的观测资料表明,在坚硬岩层中爆破振动频率较高,软弱围岩中振动频率较低。而且地下建筑、隧道围岩的爆破振动频率通常要比露天爆破情况要高。如在一座泥岩、砂岩的隧道中,全断面开挖爆破时实测的距开挖面48～62m时围岩的爆破振动频率均在100～200Hz。同时,随着隧道至爆源距离的增加,周期较短的高频振动迅速衰减,而周期较长的低频振动则可以传播得比较远。由于低频振动作用持续时间长,振动幅度大,因而会对围岩或建筑物造成较大的伤害。所以,爆破对软弱围岩的危害较大,对地面建筑物的损害比隧道等地下结构要大。这里还应指出,上述公式中炸药量Q值的选取仍是一个值得深入研究的问题。对一般隧道工程的爆破,通常使用毫秒雷管,因而爆破振动的主振相是对应于各段爆破多次出现。有人认为应用各段药量的平方值和再开方,也有人认为应用总药量,还有人主张可用最大一段的药量来计算。笔者对试验所得到的振动速度数据,代入若干条件相似工程所得到的经验公式中反算出相应的药量值后认为:以出现最大振动速度时相对应的那段药量进行计算是合理的。此外,还需补充说明的一个问题是,至今国内外主要仍以爆破振动速度值作为安全判据,而且几乎都认为垂直向分量最大。因此,一般只计算或观测垂直向振动速度。这一认识或许对露天工程爆破完全正确,而在同一座用全断面法爆破开挖的、穿过泥岩、砂岩地层的隧道中进行的观测表明:对于同一测点、同一次爆破产生的3个方向的振动速度分量中,垂直向的最小,纵向(平行于隧道纵轴方向)最大,环向次之。数据表明,纵向振动速度常可为垂直向振动速度的3倍以上。产生这一现象的原因还有待进行深入试验研究。初步分析认为,体积较大的CD-1型拾振器有可能受到沿隧道纵轴传播的空气冲击波的影响。4爆破技术的应用需要一控制爆破振动的隧道爆破通常也可称为微振动爆破技术。而城市隧道开挖时,为保证安全,除了控制地表沉降、围岩变形稳定外,另外一个主要问题就是控制由于爆破地震动效应所产生的对地表建筑物的影响。有时则主要是为了控制施工爆破不破坏各种地下建筑物,或建筑物的基础、地下管线,以及近旁的已有隧道或同时施工的二线隧道。如前所述,在控制爆破振动的爆破技术中,人们经过大量工程实践,已经充分认识到必须采用综合技术措施,才能得到较理想的效果。其中大多数工程都会首先考虑以下因素,如合理的开挖分部、掏槽技术,使用低爆速炸药、毫秒雷管微差爆破、改善装药结构,以及最重要的控制爆破规模、每循环的进尺等。这里,仍需强调说明的是,隧道微振动爆破时通常不对一次爆破的总药量进行控制,而是对同时起爆的同段药量加以控制。这一点对于软弱围岩毫无疑问是正确的,但对坚硬完整的岩层,则常是掏槽炮眼的爆破产生一次爆破中强度最大的振动。尽管它不是同时起爆最大一段药量,这时经常是周边眼为最大一响药量。振动速度的全程监测是进行微振动爆破重要的必不可少的环节。而依据工程对象的爆破振动速度安全指标,计算和设计最大共同作用装药量则是隧道微振动爆破技术的重要环节。4.1振动速度qm《爆破安全规程》(GB6722—2003)中,对各类建筑物所允许的安全振动速度有如下规定。(1)土窑洞、土坯房、毛石房屋:1.0～1.5cm/s;(2)一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物:2.0～3.0cm/s;(3)钢筋混凝土结构房屋:3.0～5.0cm/s;(4)水工隧道:7～15cm/s;(5)交通隧道:10～20cm/s。实际应用时,每个工程都要结合工程的具体情况,作出相应的安全规定。如建筑物的质点峰值振动速度安全控制标准:(1)较坚固的建筑(如砖混):<2.5cm/s;(2)一般建筑物:<1.5cm/s;(3)陈旧房屋:<0.8cm/s;(4)隧道:Ⅲ级围岩<3cm/sⅡ级围岩<5～6cm/s(铁路隧道为围岩分级,公路隧道为围岩分类)。对于居民稠密的浅埋隧道,为避免爆破振动及噪声对居民产生不安和恐惧,一般振动速度应控制在1.5cm/s以下,而且应尽量在白天进行爆破。由以上允许安全振动速度通过以下公式计算最大一段允许炸药用量式中Qm——最大一段允许用药量,kg;Vkp——振动速度控制标准,cm/s;R——爆源中心至振速控制点距离,m;K——与爆破技术、地质地形有关的系数;α——爆破振动衰减指数。K,α值在有条件的工点可以通过试验爆破及振动观测直接得出,或通过手册资料工程类比确定。4.2硬岩隧道爆破工艺软弱围岩隧道可以采用全断面或半断面微台阶法开挖,每循环进尺一般以1.0m为宜。硬岩隧道则应依断面大小形状,埋深及环境情况等采用分部分台阶法开挖,尽可能使主体爆破有较多的临空面;必要时每部分又分为多次爆破。循环进尺一般也控制在1～2m,最大也不会超过3m。分次爆破应仔细计算每次爆破的允许一段最大药量。4.3乳化药剂无水的隧道可以选用2号岩石硝铵炸药或乳化炸药,有水隧道则应选用乳化炸药,水胶炸药或其他防水炸药。此外,采用低爆速炸药,如爆速2000m/s的品种,或小直径药卷,如直径20mm或25mm的光面爆破专用炸药,则可以肯定对减轻爆破振动是有益的。4.4爆破振动强度为满足大断面开挖及减轻爆破振动的要求,应选用有足够段数的非电毫秒雷管。有条件及要求较高的工地应加选100ms或200ms或半秒级的等差雷管,以进一步改善爆破效果,降低爆破振动强度。软弱围岩和坚硬岩石中雷管的合理时差应有所区别。根据工地实测数据资料,软弱围岩中爆破振动频率比较低,一般多在100Hz以下;振动持续时间大多为100～200ms。为避免段间振动叠加,段间隔时间一般应大于100ms。而不少在硬岩隧道工地的观测资料表明,这时爆破振动频率较高,通常仅几十Hz。振动持续时间也较短,因而有些技术人员认为坚硬完整岩层中隧道爆破可以选用段间隔时间不小于50ms,甚至不小于25ms即可。对于常用的25ms递增间隔的Ⅲ系列非电毫秒雷管,由于其前5段间时差过小,一般应跳段使用。4.5多重复式三角形检槽区炮眼结构参数调整从已有的隧道开挖爆破振动速度观测资料可以看出,一般情况下,掏槽爆破的地震动强度比其他部位炮眼爆破时的都要大。因此,从减小掏槽爆破的地震动强度出发,一般应选用楔形掏槽。眼深大于2m时,可以考虑采用多重复式楔形掏槽。有条件可增打中空眼。有足够多段数雷管时,掏槽可分层分次起爆,以最大限度使掏槽区炮眼最大共同用装药量减少,降低振动强度,而且也有利于取得最佳的掏槽效果。浅埋隧道的掏槽眼应尽量布置在隧道底部,以尽可能增大震源至地面的距离。4.6周边眼爆破减振隧道其他部位的炮眼均应尽量按照浅密原则布置,即一次爆破深度(规模)不宜太大,炸药尽可能均匀地分布在布置较密的炮眼中,这样可避免装药过于集中。周边炮眼应按光面爆破设计,必要时应在两装药孔间加打空眼以减振。周边眼还应采用小直径药卷不耦合装药或串状间隔装药结构。有时在条件允许时,也采用预留光面层光面爆破技术。但是,如果周边眼进行预裂爆破,则进行预裂的周边眼将成为产生最大振动速度的同段起爆药量最大的炮眼。这时,应用前述方法计算出允许最大段药量Qm,必要时预裂的周边炮眼分几次起爆,预裂有利于主体爆破减振。所有的炮眼均应在炮眼口堵塞至少不少于20cm长的炮泥。4.7地表内观测点设置进行隧道微振动爆破时,应在施工现场进行施工全过程的爆破振动观测。测定应在施工隧道后方几十米范围内选择几个观测断面,并在拱顶、拱腰或拱脚,边墙中部及隧底设置测点。同时,应在地表沿隧道开挖方向一定范围内的地面,或是各种房屋建筑物的梁、柱及不同楼层地面上设置测点。如近邻有已建成隧道或其他地下建筑,或是紧邻施工的Ⅱ线隧道等,则应在其内选定若干观测断面布置测点。测点一般可只观测垂直向振动速度,如有可能应争取布置一定数量三向振动速度测点。对于已有地面及地下建筑物,应在开工前即会同有关单位及业主对其原有状况进行详细调查,并形成共同签认的文字记录。5隧道检测和爆炸工程的示例5.1范围/边界宜昌云集隧道是一条穿越东山,连接老城区与开发区的城市隧道,穿过砂岩加泥岩地层,属Ⅲ类围岩。隧道宽12.16m,高8.36m,穿越宜昌火车站段埋深仅15.8m。地表有候车大厅,旅馆,站台等,多为砖混建筑。宜昌火车站候车大厅跨度大(40m×50m),砌石基础仅78cm且无圈梁,砖柱承重等致使其抗震性较差。经研究,其安全振动速度定为不大于0.8cm/s。采取的减震措施如下。(1)缓解安装掏槽角为60°的楔形掏槽,并布置在断面中间偏下部。(2)插入短距离尺穿过火车站地段每循环坚持进尺为0.5m。(3)工程k/l的计算由公式Q=R3([V]/K)3/α,工地实地观测得出本工程K=138,α=1.64,[V]=0.8cm/s,代入上式得Q=0.0008R3kg。计算出的允许最大段装药量(不同R时)见表1,炮眼布置见图1。(4)相邻段间的小间隔微差同一开挖分区内用非电毫秒雷管分段爆破;不同分区间限于器材条件,用不同长度导火索延时起爆。而且本工程进行的36次振动监测中,所使用的相邻段间25ms的小间隔微差,未发现叠加现象。笔者认为是由于药量很小,主振频率较高的缘故。云集隧道施工中,对采用微振动控制爆破开挖和使用静态破碎剂施工进行比较后发现,爆破开挖月进度提高4～9倍,成本降低了70%。5.2隧道洞身安全范围重庆市石黄隧道位于重庆市渝中区,是连接长江大桥与黄花园大桥的通道。隧道为双洞4车道,左线长1034m,右线长1006m。曲墙半圆拱,净跨10.96m,净高7.434m。隧道穿过Ⅲ类围岩,岩性为砂质泥岩,石英砂岩,地下水集中,围岩强度低,稳定性差。隧道上方洞室多。对新建隧道安全构成威胁的有2处,一是轻轨地下隧道,其底板距新建隧道拱顶4.8m;二是有2处人防洞室,其底板分别距拱顶6.5m和5m,且1处洞内积水。隧道共有2段,约110余m长,基岩厚度仅有5～15m,其最浅处基岩厚度仅3.7m。而且隧道轴线宽60m范围内民居密集,多为2～7层的砖混结构及7～14层新建高楼。其中,部分旧楼年久失修,抗震性差。重庆市公安局规定的爆破作业振动速度安全指标为:一般建筑Vm<2cm/s;危旧房屋Vm<1cm/s。据此,本隧道规定:建筑物及房屋Vm<2cm/s,隧道洞内Vm<5cm/s。采用双重复式楔形掏槽,周边眼光面爆破,全断面分成7个部分开挖(图2)。按下列公式计算最大一段装药量,炮眼深为1.5～2.0m。测试得到:K=150,α=1.6,计算Qmax<3kg。在隧道顶部地表及高楼危房共布置了13个观测断面,监测104次。其中,95.7%(89次)的数据显示Vmax均小于2cm/s。石黄隧道2条隧道线间距31m,净间距18m。施工时左线先进,右线滞后。为了确定两洞开挖面爆破时合理的安全距离,进行了两洞开挖面不同距离时,左线爆破右线洞内的振动量测,结果见表2。由此可知,采用微振动爆破方法施工的左线隧道,两洞开挖面间距在10m以上即可保证2个隧道同时安全掘进施工。同时,施工中地面房屋也未造成损害。5.3车站爆破方案青岛地铁Ⅰ期工程的青纺车站和该站至水清沟车站长1240m的区间隧道共同作为地铁试验段工程,区间为双洞单线。青纺医院车站长218m,为单拱大跨结构,宽18.5m,高14m,矢跨比为1∶3。车站及通道均建于坚硬完整的花岗岩内。车站埋深10m,地面有街道及陈旧楼房,地下管线纵横,距最近自来水管仅1.5m。车站开挖分部见图3,车站导洞爆破方案见图4。为了更好地控制爆破振动强度,在现场进行了爆破振动监测。根据监测结果及时调整爆破方案,主要成果如下。(1)埋深(R)超过8m时,K=40、α=1.4,车站主振频率为20～80Hz,持续时间不超过1s。(2)通过街道及危楼时,全断面分7次起爆,每次又分15段。在采取其他措施很难满足振动速度控制要求时,唯一可行的办法就是设法进一步减少最大同段装药量。(3)上半断面导洞最大振速由掏槽产生,后采用双楔形掏槽,并在中线上加打2～3个预裂孔,深度为掏槽孔的2/3左右,装药量为1/3～1/2,最先起爆。试验表明,振动可降低20%～30%,掏槽位置在隧道底部。5.4爆破振动测试方案开元寺隧道位于济南市南郊,双洞单向双车道,左线长1453m,右线长1501m。左右线间距40m,进口700m浅埋,埋深不足30m;左线有200m穿过住宅区,楼房基础距隧顶仅20m。隧道高10m、宽16m、断面积为140m2。分上下半断面施工,上半断面高6m。隧道穿过底层为厚层石灰岩,工期紧迫,要求每昼夜进度不小于3m。在通过浅埋并通过地表民居段时,按弱振动爆破方法施工,并先期在安全区段内进行了爆破振动测试,不仅得到了本工程的K、α值,而且对产生最大振动速度的掏槽方案进行了多次优化。主要成果如下。(1)优化后的掏槽方式为复式楔形掏槽,竖向3排,横向多段(3段);横向每排用同段雷管,竖向排间雷管时差100ms,见图5,上半断面爆破方案见图6。(2)全程进行爆破振动速度监测。(3)高段位雷管(8段以上),由于雷管本身精度延时分散度大,不易产生叠加。(4)计算确定合理的单响药量。(5)采取综合减振技术措施,如预裂,孔底空气间隔装药等。5.5上分层爆破试验宁波市招宝山隧道由招宝山公园下穿过。隧道为2座平行隧道,长169m,其净间距为2.98～4.2m。隧道开挖宽度14.7m、高度12.4m。地面园通寺建筑基底据隧道拱顶仅21.6m。隧道通过的地层为致密坚硬的流纹斑岩,Ⅳ类围岩。上半断面采用短进尺1～1.5m,控制爆破方法施工。其上半断面炮眼布置见图7。取得的主要技术经验如下。(1)现场进行了爆破振动速度观测,得出本隧道K=150,α=1.5,园通寺的Vkp≤3cm/s。(2)掏槽是产生最大振速的部分,采用单或复式楔形掏槽,并加打大直径中空眼(或ϕ48mm眼束)。实践表明,六斜二中空或四斜一中空的掏槽方法,不仅爆破效果良好,而且降低了爆破振动效应。同时,掏槽布置在隧底0.8～1.0m处。(3)选用合理段间隔时差,经试验认为降低爆破振动强度,段时差取100～200ms较合适。(4)所有炮眼应堵炮泥。周边炮眼按光面爆破设计,采用串状间隔装药结构。有条件时应用低爆速炸药。5.6试验研究主要成果湘黔铁路复线建设施工初期,由于许多隧道与既有线隧道间距不足30m,施工单位采用常规爆破造成营业线隧道衬砌开裂,遂在新坪渠隧道(长2410m),新坪口隧道(827m),新柳潭隧道(2386m)进行了微振动爆破技术的试验研究,主要成果如下。(1)本工程均采用弧形导坑正台阶法开挖。(2)最大振动速度不是药量最大段(Ⅱ级围岩),而是掏槽段。Ⅲ级围岩时则不一定如此。试验对比了4种掏槽方式后,决定选用复式楔形掏槽,可实现爆破效果和控制振动强度均为较好的目标。(3)采用非电毫秒雷管和低爆速炸药。(4)上半断面炮眼深1.5m,雷管段间隔90～110ms为好;下半断面台阶眼深3m,段间隔可用50ms。(5)由公式计算单段允许最大药量。实测800余组数据得到:K=154,α=1.57,主频率100～300Hz。Ⅲ级围岩Vkp<3cm/s,Ⅱ级围岩Vkp<5.5cm/s。Vkp为5.5cm/s时相对应掏槽一段药量已达24kg。(6)施工中在既有线隧道中测到的振动速度均<2cm/s,微振动爆破施工确保既有线安全。5.7爆破质量控制该隧道长1183m,覆土厚24.5～31.6m,穿过地层为风化泥质粉砂岩及80m砂卵石层。隧道开挖断面上圆下方,高3.44m,宽3m,地面为街道和绿地;隧道上方高楼林立,地下管线密布。微振动爆破的设计必须解决3个关键技术问题:减少爆破地震动强度及噪声;提高隧道轮廓成形质量以及提高施工进度,确保工期。其他主要技术成果有:(1)采用长沙市民爆公司提供的低爆速,防水效果好的乳化炸药。爆速为1900～2500m/s,药卷直径25～32mm。(2)采用50°角斜眼掏槽(图8),眼深1.4m,其他炮眼深1.25m,眼口堵炮泥不少于20cm。周边眼不耦合装药。(3)采用非电毫秒雷管起爆,掏槽跳段使用。由于断面仅9.6m2,整个爆破只能使用单数雷管。(4)计算允许一段最大药量。类比确定K=300,α=1.9,R=25m,Vkp=2cm/s,得到Qmax=5.7kg,本工程施工实际最大单段药量1.85kg。5.8正台阶单排防护层开发式爆破方案本段隧道为双线隧道,长310m,开挖高度6.48m,宽为6.5m。穿过地层为黏土,风化砂岩、砾岩。平均埋深8.7m,拱顶至地表最浅处仅7m左右。施工中进行了振动监测。地表测点沿隧道中线5m间距单向设置;房屋一般设在承重柱上,双向测点垂直于水平方向。有条件时在不同楼层均布设置。施工经历了3个阶段:初期采用正台阶法,五眼中空直眼掏槽。这时最大单段药量3.5kg,使用1～15段非电毫秒雷管,其掏槽前7段波形严重干扰叠加(图9),最大振速为4.7cm/s,持续时间为425ms。后改为正台阶单排楔形掏槽法开挖,情况虽有所改善,但地表最大振动速度仍达到4cm/s。最后决定采用反台阶法施工,下半断面超前1～3个循环。掏槽采用中间密布1排空孔的楔形掏槽,并跳段只使用奇数段雷管。该隧道直眼掏槽时地表垂直向振动波形示意见图9,反台阶开挖见图10。此时单段最大装药量为2kg,Vmax=2.55cm/s。同时,施工人员还主张仅单独考虑振动幅值是不够的,还应对其频率及主振相持续时间等变量同时进行分析。现场实测本区间隧道振动频率为50Hz左右,而地面房屋约在0～10Hz。施工取得了较好效果,并对微振动爆破隧道施工有以下认识。(1)开挖方法及分部方案都会影响产生的爆破振动强度,有条件时应多分部多分台阶。(2)掏槽对爆破振动影响较大。实践表明,中间有一排相互贯通的空孔的楔形掏槽,减振效果明显,楔形掏槽次之,直眼掏槽最差。(3)振动监测表明,主振相持时间长短也是建筑物破坏与否的重要指标;而超过某一控制指标(如V=3cm/s)的振动速度全波幅有多少个,也应作为该次振动爆破振动强度的辅助判据。同时,还观测到楼层高和振速下降而水平向振速值略有升高。(4)建议试一下反台阶破碎剂施工。5.9爆破振动监测车站隧道位于重庆市解放碑闹市区,地面高楼林立,有些建筑的地下部分与本车站立体关系复杂。隧道上方地表覆土厚2.6～4.6m,下伏厚层砂岩约10.6～11.6m。属Ⅴ类围岩。车站开挖高度20.58m、宽23.04m。车站隧道采用双侧壁导坑法分7部开挖(图11)。采用微振动弱爆破法开挖,并且实行全程爆破振动监测。作为最先开挖的双侧壁导洞是关键控制部分。主要采取措施有:采用ϕ25mm及ϕ32mm药卷乳化炸药,1～15段非电毫秒雷管,确定K=50～200,α=1～3,R=10m,Vkp≤2cm/s,单段最大药量Qm=1.3kg。世贸大厦基础处R=4.5m,采用V充≤1.5cm/s。本车站隧道采用的主要减振技术措施如下。(1)周边炮眼进行光面爆破,采用小直径低爆速炸药,隔孔装药或用预留光面层法。(2)在开挖面或被保护对象边界加打减振孔。(3)浅眼开挖,眼深1～2m。(4)采用中间加1排空眼的双排复式楔形掏槽,掏槽段差以不小于50～75ms为宜。(5)采用孔内延时与孔外延时相结合,左右断面错开起爆的非电毫秒不对称起爆网络。(6)计算单段最大药量:Qm=K′R3(Vkp/K)3/α,K′为采用不同减振措施的系数,K′=1.05～2.5。本隧道实测K=160,α=1.8。采用以上综合技术措施后,层层设防,隧道开挖应用微振动弱爆破技术,对围岩扰动较小,地面及地下建筑物得到有效保护。5.10根据实际条件,进行综合减振措施及效果该区间隧道为左右线2条隧道,线间距13.3～16.3m,埋深7.64～17.64m,隧道穿过风化砂岩Ⅲ～Ⅳ类。地面建筑民居繁多,地下构筑物及管线复杂。开挖爆破不仅要保护地面及地下建筑物安全,还需先开挖隧道不受近邻施工的后开挖隧道的扰动和破坏。同时,还必须解决不影响工期和开挖进度的减轻爆破振动的措施。首先,参照《爆破安全规程》(GB6722—2003)及本隧道具体情况,确定了不同的允许振速值:(1)天河村段地面房屋1～2cm/s;(2)立交桥及水厂水池5cm/s;(3)后开挖隧道引起先开挖隧道支护的振动10cm/s;(4)开挖面后1倍洞径处隧道支护的振动5cm/s。采取的综合减振措施如下。(1)选择适宜的炸药。掏槽和掘进炮眼用防水性好的乳化炸药,周边眼采用小直径低爆速(2000m/s)光爆炸药。(2)1～15段非电毫秒雷管跳段使用。(3)采用斜眼掏槽。眼深1.5～2m时,用单斜眼掏槽,眼深2.5m时用复式楔形掏槽。