浅埋暗挖隧道侧穿危楼的微振动爆破技术研究.pdf

第3 6 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 6N o ．3 2 0 1 9 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 9 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 9 ．0 3 ．0 0 6 浅埋暗挖隧道侧穿危楼的微振动爆破技术研究 陈至昊，王海亮，邹德蕴 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，青岛2 6 6 5 9 0 摘要在城市浅埋暗挖隧道施工过程中，为降低隧道侧穿的危旧建筑物受爆破振动的影响，以青岛地铁 2 号线一期工程延安路站左线T B M 始发导洞为依托。现场试验中，在断面中下部位对称布置四级楔形掏 槽，减小辅助眼的间排距，断面I 区辅助眼孔深1 ．1m ，单孔装药量0 ．3k g ，炮孔间排距0 ．4 ～0 ．5m ，I I 区爆 破时有两个自由面，辅助眼间排距可增大到0 ．6 ～0 ．8m ，单孔装药量减小1 ／3 ，利用2 0 段毫秒导爆管雷管孔 外延期，分两炮次起爆。现场监测结果显示所有循环爆破开挖的振速控制在0 ．5c l n ／s 以内，提高起爆可靠 性，行成良好的爆破自由面。 关键词浅埋隧道；多级楔形掏槽；孔外延期；微振动；爆破控制 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 1 9 0 3 0 0 3 7 0 6 B l a s t i n gT e c h n o l o g yw i t hM i c r o - v i b r a t i o nf o rS h a l l o wT u n n e l T h r o u g ht h eS i d eo fD i l a p i d a t e dR e s i d e n t i a lB u i l d i n g s C H E NZ h i h a o ，W A N GH a i l i a n g ，Z O UD e y u n S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n i n gD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dC o n t r o lC o f o u n d e db yS h a n d o n g P r o v i n c ea n dt h eM i n i s t r yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 9 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt od e c r e a s et h ei n f l u e n c eo fb l a s t i n gv i b r a t i o no nt h ed a n g e r o u so l db u i l d i n g sw h e nat u n n e li s p a s s i n gt h r o u g ht h es i d eo ft h e md u r i n gu r b a ns h a l l o wt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，r e s e a r c hw a sc o n d u c t e db a s e d o nt h eT B M s t a r t i n gd r i f to fl e f tl i n ei nY a n ’a nr o a ds t a t i o no fQ i n g d a om e t r ol i n e6 2p h a s eIp r o j e c t ．I nt h ef i e l dt e s t s ，a4 一l e v e l s v - c u tw a sa r r a n g e ds y m m e t r i c a l l yo nt h el o w e rm i d d l es e c t i o no ft h et u n n e l ．T h er O Ws p a c i n go fa u x i l i a r yh o l e sw a sa l - S Or e d u c e d ．T h eh o l ed e p t h ，e x p l o s i v ec h a r g e ，t h er o wd i s t a n c ea n ds p a c i n go fa u x i l i a r yh o l e si nt h ef i r s ts e c t i o na r e a w e r es e ta s1 ．1m ，0 ．3k ga n d0 ．4 ～0 ．5m ，r e s p e c t i v e l y ．T h er O Wd i s t a n c ea n ds p a c i n go fa u x i l i a r yh o l e si n c r e a s e d t o0 ．6 ～0 ．8ma n dt h ec h a r g eo fe x p l o s i v ed e c r e a s e db y1 ／3b e c a u s et h es e c o n ds e c t i o na r e ah a dt w of r e es u r f a c e s ． T h e 2 0m i l l i s e c o n d - - d e l a yn o n e ld e t o n a t o r sw e r eu s e da so u t - - h o l ed e l a ya n dt h eb l a s tp r o c e s sw a sd i v i d e di n t ot w o s t e p s ．T h ei n s i t em o n i t o r i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev i b r a t i o nv e l o c i t yo fa l lc i r c u l a rb l a s t i n ge x c a v a t i o n sw a sc o n t r o l l e dw i t h i n0 ．5c m ／s ．A n dt h ed e t o n a t i o nr e l i a b i l i t yw a si m p r o v e da n dag o o df r e es u r f a c ew a sc r e a t e d ． K e yw o r d s s h a l l o wt u n n e l ；m u l t is t a g ew e d g ec u t t i n g ；o u t e r h o l e sd e l a y i n g ；m i c r o v i b r a t i o n ；b l a s t i n gc o n t r o l l e d 收稿日期2 0 1 9 0 4 2 9 作者简介陈至吴，山东青岛人，在读硕士研究生，从事隧道工程，灾 害预测与防治等方面的研究， E - m a i l 6 5 3 0 0 8 7 4 1 q q ． C O m o 基金项目国家自然科学基金项目 1 0 6 7 2 0 9 1 ；青岛市建委科技项 目资助 J K 2 0 1 3 4 当隧道埋深较浅时，其爆破开挖引起的振动可 能会对周边建筑物造成地基不均匀沉降、墙体开裂 等破坏后果h2 | 。在城市新建、改建地铁隧道中，受 各种因素制约，隧道需近距离侧穿危旧建筑物，为降 低爆破产生的振动对周边建筑物的影响，需对爆破 万方数据 3 8爆破2 0 1 9 年9 月 振速严格控制。目前，在城市浅埋隧道爆破振动控 制方面，国内外学者做了大量的研究，赵永生通过工 程现场监测数据[ 3 ] ，回归分析得出降低单响药量同 时分炮次起爆可以直接控制爆破振动速度；李斌、毕 延华采用灰色关联方法对浅埋隧道爆破振动影响因 素进行分析[ 4 ] ，其中总药量、单段最大起爆药量、爆 心距和段数是主要影响因素；何闯通过研究多级楔 形掏槽微爆破技术[ 5 ] ，显著提升了比钻孔、爆破振 动控制、炮孑L 利用率等经济指标，其中第二、第三级 掏槽减振效果明显；尹文刚、王海亮等利用2 0 段普 通导爆管雷管进行多组之间的孔外延期，同时利用 3 段普通导爆管雷管在每组内部之问进行孔外延期 降低起爆次数达到相同的爆破效果[ 6 ] 。 目前关于浅埋隧道近距离侧穿危旧建筑物的爆 破振动控制研究较少。结合具体工程实例，依据控 制爆破的相关理论，对浅埋隧道的爆破进行微振动 控制研究，使地表振速控制在0 ．5c n L ／s 以内，确保 了地表危旧建筑物的结构安全。 3 为最大限度的降低破振动对地表建筑物的影 响，采用大段别孔外延期起爆、分炮次起爆等方法。 4 进行现场试验以获得符合工程实际的爆破 参数，并对工程进行动态监测，以便对爆破参数进行 调整。 图1 左线始发导洞与居民楼的平面位置关系 单位n Ⅱn F i g ．1 P o s i t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el e f tl i n ei n i t i a l p i l o tt u n n e la n dr e s i d e n t i a lb u i l d i n g 1工程概况 3 微振动爆破设计 青岛地铁2 号线一期工程延安车路站主体施工 基本完成时，为满足T B M 盾构机过站的需要，在车站 依照工程设计要求，隧道采用超短台阶法进行 主体与风道交叉口爆破开挖两条T B M 始发导洞。左 线始发导洞起止里程Z S K 8 8 5 ．8 1 7 ～Z S K9 1 5 ．9 1 7 ，长 3 0 ．1m ，沿隧道轴线侧穿一幢7 层砖混结构居民楼， 该段隧道围岩级别为Ⅳ级，主要为花岗岩，花岗岩普 遍形成巨大岩基，因此整体性较好，地下水主要为基 岩裂隙水。建成于2 0 世纪7 0 年代的1 7 2 号居民楼 为砖混结构，毛条石基础结构其埋深为1 ．8I T I 。经 相关部门鉴定，认定该居民楼为高危建筑，抗震性 差，要求振速控制≤0 ．5c m ／s 。 隧道拱顶距该居民楼地面基础垂直距离为 2 1 ．51 3 0 1 ，水平距离为1 0 ．2m 。左线始发导洞与居民 楼的平面位置关系如图1 所示。 2 钻爆设计原则 城市浅埋隧道爆破施工，要结合具体工程实际、 工程水文地质条件、周边环境情况，确定合理爆破设 计原则。 1 为确保地面建 构 筑物和现场施工人员的 安全，要严格按照爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 4 进行设计和施工“ J 。 2 通过采用多级楔形掏槽的形式，使掏槽眼角 度逐渐增大、深度逐渐加深，最大限度的降低岩石的 夹制作用，控制振速的同时最大化掏槽的爆破效果。 开挖上台阶超前下台阶距离约5i n 。T B M 左线始发 导洞开挖断面为直径7 ．8I T I 的圆形断面，设计上台 阶最大开挖宽度7 ．8I n ，高度3 ．9i n 。始发导洞上台 阶爆破时仅存在一个临空面，岩石的夹制作用较大， 此次振动控制的重点和难点在于爆破产生的振动速 度大。因此，在本文中仅对上台阶进行微振动爆破 设计。 3 ．1 循环进尺及炮孔深度的选择 根据围岩的稳定性、凿岩机的钻凿能力以及地 表建 构 筑物所允许的最大爆破振速对循环进尺 以及炮孔的深度进行选取。炮孔深度对于爆破循环 进尺及开挖速度有着决定性作用，且炮孔深度越大， 岩石的夹制作用越大，爆破产生的振动速度越大。 本工程采用T Y - 2 8 凿岩机，炮孔直径d 4 2m m ，根 据附近居民楼的安全振速，对炮孔深度进行设计，取 循环进尺1 ．0m ，炮孑L 深度控制在1 ．1 ～1 ．2m 。 3 ．2 掏槽眼参数及型式的确定 选择合理的掏槽方式与参数，是浅埋隧道开挖 中控制爆破振动的关键措施【7 - 9 ] 。一级掏槽炮孔的 深度较浅，且炮孔倾角较小，装药量较少，故爆破产 生的振动较小。一级掏槽首先在掌子面爆出一个槽 腔，为后续掏槽眼的爆破提供膨胀空间，以减小岩石 的夹制作用0 | 。多级楔形掏槽通过逐渐增大炮孑L 万方数据 第3 6 卷第3 期陈至昊，王海亮，邹德蕴浅埋暗挖隧道侧穿危楼的微振动爆破技术研究 3 9 的深度与角度，来最大限度的降低岩石的夹制。为 控制爆破振动速度，各掏槽眼的间排距、炮孑L 倾角及 深度布置如表1 ，掏槽眼剖面布置图如图2 。 表1 上台阶爆破参数 T a b l e1 T o pb e n c hb l a s t i n gp a r a m e t e r s 3 4 0 么，么一 l 一 1 4 0 0 一l 2 0 0 0 图2 掏槽眼剖面布置图 单位m m F i g ．2L a y o u to fc u th o l es e c t i o n u n i t m m 3 ．3 周边眼参数 周边眼沿隧道开挖轮廓线布置，孔底位于同一 平面上，同时保持3 。～5 0 外插角。导洞上台阶处于 微中风化岩层中，围岩等级为Ⅳ级。由于爆破振动 速度的限制，未采用光面爆破。在本设计中，根据开 挖围岩情况、前期施工经验，取周边孑L 间距E 5 0 0m m ，与二圈眼距离W 5 5 0m m 。装药集中度取 0 ．2 k g ／m ，则1 ．1r l l 的炮孔长度单孑L 装药量为 0 ．2 2k g ，为方便现场装药，取整q 0 ．2k g 。 3 ．4 辅助眼参数 直线形与弧线形是辅助眼的两种基本布置形 式，本方案将两种方式充分结合。第1 次爆破区域 的辅助眼区，炮孔间距n 5 0 0m m ，排距b 4 0 0m m 。第1 次爆破后，在掌子面下部形成的空腔 为第Ⅱ次爆破提供了新的自由面，且最小抵抗线指 向空腔，可减小爆破振速。爆破岩石可借助自重完 成，辅助眼间排距可适当增大。 单孑L 装药量与围岩的坚硬程度、炮孔的间排距、 炮孑L 深度及装药集中度等因素有关，辅助眼单孑L 装 药量按下式计算 q y ‘丁’己 式中q 为辅助孔的单孔装药量，k g ；y 为每米药 卷的质量，对于标准药径 西3 2m m 的2 号岩石乳 化炸药，v 1k g ／m ；下为装药系数，即装药长度与炮 眼全长的比值，由炮孑L 间排距及围岩性质确定，本设 计根据工程前期施工经验确定，丁取0 ．2 5 ；L 为炮孔 深度11 1 3 ．，炮孔深1 ．1n l 的辅助眼，计算得q 0 ．2 5 1 1 ．1 0 ．2 7 5k g ，为方便现场装药，取整 q 0 ．3k g ，在爆破Ⅱ部，由于多一个自由面，辅助眼 药量取0 ．2k g 。 左线始发导洞上台阶开挖面积2 5 ．1 3i n 2 ，设计 循环进尺1n l ，采用多级楔形掏槽、孔外延期、分次 起爆技术。上台阶共计炮孔1 0 8 个，比钻眼数为 4 ．3 0 个／m 2 ，炸药总用量2 8 ．1k g ，炸药单耗为 1 ．1 2k g ／m 3 。上台阶的炮孔布置如图3 ，图中阿拉伯 数字表示雷管段别，罗马数字表示开挖炮次。上台 阶的爆破参数如表2 。 图3 上台阶炮孑L 布置 单位l n i q l F i g ．3 T h el a y o u to fb l a s th o l e sa tu p p e rb e n c h u n i t m i l l 万方数据 爆破2 0 1 9 年9 月 表2 上台阶爆破参数 T a b l e2 B l a s t i n gp a r a m e t e r sf o rt h eu p p e rb e n c h 3 ．5 起爆网路 为了解决雷管段别少、起爆药量过大问题，毫秒 导爆雷管在城市地铁建设过程中得到了广泛的应 用。应用2 0 段的普通毫秒延期导爆管雷管，可最大 限度的降低单段最大起爆药量，将岩石中的炸药按 预先设计的顺序先后依次起爆，降低爆破产生的振 动速度。 本工程上台阶采用2 0 段的普通毫秒延期导爆 管雷管。如图4 所示，采用分次起爆方法，将上台阶 分为I 、Ⅱ两部分。I 区断面中间为I 一1 掏槽区， 两侧为对称的I _ 2 辅助区，辅助区采用大段别2 0 段 毫秒导爆管f U b 延期，可以根据现场实际掏槽部位 段别使用情况进行调整，但必须遵掏槽区先于辅助 区起爆的原则。 图4 上台阶起爆网路示意图 F i g ．4B l a s t i n gn e t w o r ko fu p p e rb e n c h 4 装药结构及填塞 为提高炮孔利用率，掏槽眼、辅助眼及周边眼均 采用反向连续装药，不耦合装药结构。不耦合系数 n 4 2m m ／3 2m m 1 ．3 1 。 装药完成后，为提高炸药利用率，需对各炮孑L 用 炮泥进行填塞。炮泥由砂子和黏土混合配置而成， 其重量比为3 1 ，再加上2 0 ％水。炮孔填塞要密实。 图5 为炮孑L 装药结构及填塞示意图。 导，飓一匕Z B I l 足坚列估面H ≮⋯f m ⋯J 。f ，i m ⋯m i l i 2 7 f i ⋯ m m i 。。} f | 一 m I } ⋯| _ ≯j j ，i o j j 誓j ■，苣杰夏d 。≯荔乌秀 o j ’jj ■．一。o 、，【二黑磊i 七o ≯荔与孑瑷 t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯一 图5 炮孔装药结构及填塞 F i g ．5C h a r g eS t r u c t u r eo f 。t h eB l a s t h o l e 5 微振动效果与分析 为最大限度的监控隧道爆破对地表危旧居民楼 的影响，每一次爆破均进行监测。监测仪器采用 T C 一4 8 5 0 爆破测振仪，仪器均布置在隧道掌子面拱 顶距居民楼最近的位置。图6 是本工程始发导洞某 一爆破开挖循环振速最大的振动波形图。为有效证 明微振动爆破方案的控制效果，对连续2 0 个开挖循 环的最大振动数据进行统计分析，监测结果如表3 所示，纵轴为每个开挖循环振速的最大值勘，横轴为 不同开挖循环。 由表3 可以看出，前2 0 次的爆破开挖实测结果 表明，最大振速出现在第5 炮，为0 ．4 5c m ／s ，未发生 超振。实测结果表明，全部振动速度均控制在 0 ．5c m ／s 之内，集中控制在0 ．3 5 ～0 ．4 5c m ／s ，爆破 振动控制效果切实可行。现场实测结果进一步表明 采用多级楔形掏槽、孔外延期、分炮次起爆技术手 段，可将爆破振速控制在0 ．5c m ／s 之内。在后期爆 万方数据 第3 6 卷第3 期陈至昊，王海亮，邹德蕴浅埋暗挖隧道侧穿危楼的微振动爆破技术研究4 1 破开挖中也未发生超振现象，顺利通过了危旧居 民楼。 图6某一开挖循环典型的爆破振动波形图 F i g ．6T y p i c a lb l a s t i n gv i b r a t i o nw a v e f o r m i nac e r t a i nd r i v i n gc y c l e 6 结论与建议 在侧穿砖混结构居民楼的爆破施工中，为最大 限度的保护地表建筑物的结构安全，需严格控制爆 破振速。本文通过微振动爆破设计，采用多级楔形 掏槽型式、控制炮孔的单孔装药量及单段最大起爆 药量、选择合理的炮孔间排距、装药结构、调整起爆 网路等一系列减振措施，并根据现场实际监测数据， 得出以下结论 1 采用“多级楔形掏槽，大段别孔外延期，分 炮次起爆”的微振动控制技术是切实可行的，既可 以保证形成良好的自由面，提高起爆可靠性，又使地 表振速控制在0 ．5c m ／s 以内，有效地控制了爆破振 动对地表危旧建筑物的扰动。 表3 不同开挖循环振速最大值v 与第n 次开挖循环的关系 T a b l e3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a x i m u mb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t i e sa n dd r i v i n gc y c l en u m b e r 2 在炮孑L 深度1 ．3m ，单段最大起爆药量 0 ．3k g 的情况下，多级楔形掏槽的比钻孔、爆破振 动、炮孔利用率、炸药雷管单耗等经济技术指标均优 于大直径中空孔直眼掏槽，并且大幅提升炮f L 禾I J 用 率。 3 爆破振动严格控制时，宜选用三级以上的 多级楔形掏槽，各级掏槽的炮孑L 倾角从低级向高级 逐渐增大，第二、三级掏槽炮孔深度应大于其他掏槽 孔，第一级与第二级掏槽、第二级与第三级掏槽的间 距不宜超过0 ．6m 。 4 针对浅埋隧道侧穿危旧居民楼的工程实 例，对微振动爆破控制进行研究。通过方案设计与 现场试验结合，实现了微振动控制的目标，对类似隧 道工程的振动控制具有一定的指导意义。在实际爆 破时应结合具体的工程地质条件，合理调整爆破参 数，以期实现最佳目标。后续研究可通过数值模拟 方法对多级楔形掏槽、孔外延期微振动控制进行研 究，进一步验证现场试验结果，并量化各项爆破参 数，来更好地指导工程实践。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 费鸿禄，王振达，蒋安俊，等．地铁隧道爆破振动对地 面的影响规律研究[ J ] ．爆破，2 0 1 8 ，3 5 3 6 8 - 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h u a ，L I UX i n w e i ．F a c t o r si n f l u e n c i n gb l a s - t i n gv i b r a t i o no fs h a l l o wb u r i e dt u n n e lb a s e do ng r a yc o r Y e - l a t i o na n a l y s i s [ J ] ．E n g i n e e r i n gb l a s t i n g ，2 0 0 8 ，2 4 4 8 6 9 0 ． i nC h i n e s e ] J 1 J 1 J 1 J 1 J ] J 1 J 1 2 2 3 3 4 4 ．L．L．L．L．L．L．L 万方数据 4 2爆破2 0 1 9 年9 月 上接第3 0 页 [ 7 ] 梁为民，周丰峻．不耦合装药结构对岩石爆破的影响 [ J ] ．北京理工大学学报，2 0 1 2 ，3 2 1 2 1 2 1 5 1 2 1 8 ， 1 2 2 8 ． [ 7 ] L I A N GW e i M i n ，Z H O UF e n g J u n ．E f f e c to fd e c o u p l i n g c h a r g es t r u c t u r eo nr o c kb l a s t i n g [ J ] ．J o u r n a lo fB e r i n g I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ，3 2 1 2 1 2 1 5 - 1 2 1 8 ，1 2 2 8 ． i nC h i n e s e [ 8 ] 张伟，徐兆全．空气间隙不耦合爆破法开采大规格 块石方法研究[ J ] ．施工技术，2 0 1 5 ，4 4 S 2 8 0 7 8 1 0 ． [ 8 ] Z H A N GW e i ，X UZ h a o q u a n ．A i rg a pu n c o u p l i n gb l a s t i n g m e t h o df o rm i n i n gl a r g es i z es t o n eb l o c k s lJJ ．C o n s t r u e t i o nT e c h n o l o g y ，2 0 1 5 ，4 4 S 2 8 0 7 8 1 0 ． i nC h i n e s e [ 9 ] 袁绍国，王振涛，耿荣，等．光面爆破中不耦合系数 计算研究[ J ] ．煤炭技术，2 0 1 8 ，3 7 3 7 - 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j i e ，W A N GP i n g ，e ta 1 ． A x i a ld e c o u p l i n gc h a r g eb l a s t i n ge x p e r i m e n to fs l i tp i p e [ J ] ．E x p l o s i o na n dI m p a c t ，2 0 1 7 ，3 7 1 1 3 4 ．1 3 9 ． i n C h i n e s e 韩新平，侯成恒，曹兰柱，等．不耦合装药降低油母页 岩尾矿率的爆破技术试验[ J ] ．辽宁工程技术大学学 报 自然科学版 ，2 0 1 6 ，3 5 4 3 4 2 3 4 6 ． H A NX i n p i n g ，H O UC h e n g h e n g ，C A OL a n z h u ，e ta 1 ． T h eb l a s t i n gt e c h n o l o g yt e s to fr e d u c i n gt h et a i l i n g sr a t e o fo i ls h a l ew i t hu n c o u p l e dc h a r g e [ JJ ．J o u m a lo fL i a o n - i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y N A T U R A LS C I E N C EE D I - T I O N ，2 0 1 6 ，3 5 4 3 4 2 3 4 6 ． i nC h i n e s e 英文编辑陈东方 万方数据