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第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 015 浅埋隧洞钻爆技术与振动控制 余 明， 舒大强， 丁留涛， 李夏牧 （武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 武汉 430072） 摘 要 复杂环境下的浅埋隧洞钻爆开挖， 爆破振动的控制可分别考虑建筑物振动安全允许值和住民可接 受振感的振速值。根据隧洞钻爆部位与周围建筑物的空间关系的变化， 基于振速控制要求的不同， 划定不同 的控制洞段。隧洞出口明挖段采用小孔距的浅孔台阶爆破； 在需特别控制的洞段， 将循环进尺减少至0. 8 m， 断面开挖方式调整为分四次开挖， 有效改善了爆破临空面条件和减弱孔底挟制作用； 在振动控制要求降低的 洞段， 逐渐将循环进尺变为 1. 2 m 和 1. 5 m， 断面改为分两次开挖或一次性开挖。每次爆破的其它孔网参数 和药量计算基于上一次爆破振速监测数据的反馈作适当调整。在此方案下， 振动控制效果达到了工程要求。 关键词 浅埋隧洞；弱振动爆破；振动监测；循环进尺；多分部开挖 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0069 -06 Drilling and Blasting Technology and Vibration Control in Shallow Tunnel YU Ming， SHU Da-qiang， DING Liu-tao， LI Xia-mu （State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science， Wuhan University， Wuhan 430072， China） Abstract In the drilling and blasting of shallow tunnel under complex environment， the allowable safety value of structural vibration and the acceptable vibration velocity by residents could be considered respectively to control the blasting vibration. According to the change of spatial relationships between positions of the tunnel blasting and sur- rounding buildings， different controlling tunnel parts were delimited based on different control requirements of vibra- tion velocity. The short-hole bench blasting with small hole distance was adopted in the tunnel exports. In special controlled tunnel part， the cycle footage decreased to 0. 8m， and the section excavation was adjusted to four- time excavation， which effectively improved the condition of free faces and reduced the hole-bottom squeezing effect. In tunnel parts of lower vibration control requirements， the cycle length could be 1. 2m or 1. 5m， and sections were excavated once or twice. The hole parameters and charge amount in every blasting section were adjusted based on the feedback of the monitoring data. The controlling of vibration effects fitted the engineering requirements well. Key words shallow tunnel ；weaken vibration blasting；vibration monitoring；circulation footage；division ex- cavation 收稿日期 2015 -01 -03 作者简介 余 明 （1989 - ） ， 男， 武汉大学水利水电学院硕士研究 生， 主要从事水利水电工程施工技术方面的研究，（E- mail） 732518151 qq. com。 通讯作者 舒大强 （1962 - ） ， 男， 武汉大学水利水电学院教授， 主要 从事水利水电工程施工技术方面的研究与教学，（E-mail） 1660924335 qq. com。 在大量的市政、 交通及水利等基础工程建设中， 因开挖爆破所引起的爆破振动安全问题往往成为制 约工程顺利推进的重要因素。在普通民居建筑较为 密集的区域进行钻爆开挖施工， 探寻科学的钻爆方 案和控制参数与工艺， 确保周围民居建筑物的爆破 振动安全， 是解决此类工程问题的关键。 由爆破作业诱发的地震波， 作用于爆源附近建 （构） 筑物及设施时， 会形成一系列有害的地震效 应。关于爆破地震的形成机理、 传播特性、 建筑物的 振动响应和相应的安全判据与控制标准 ［1-4］， 一直 是工程爆破和岩石动力学领域热门的研究课题。与 其相关的理论研究成果和工程经验， 具有广泛的应 用需求。结合石狮市引水二期工程的建设， 就一条 穿越密布民居住宅区域的隧洞施工， 在爆破振动强 度控制难度极大的复杂条件下， 利用爆破振动跟踪 监测数据的及时分析和反馈， 提高不断调整施工方 法和参数， 取得了此类隧洞工程的爆破振动控制措 施和钻爆施工经验。 1 施工环境及爆破振动控制基本方案 1. 1 工程区域环境 石狮市引水二期工程金鸡山隧洞段总长度 496 m， 隧洞穿过的地层岩性较为单一， 岩性坚硬， 岩石级别为Ⅺ-Ⅻ类。隧洞的开挖断面呈矩形， 高 4. 5 m， 宽 6. 2 m， 断面面积 S 27. 9 m2。 在隧洞顶部6 7 m 为行车公路， 在隧洞上部和 两侧均有大量 3 5 层的民用建筑， 最近距爆源在 7 13 m， 这些民用建筑多数为条石结构和砖混结 构， 如图 1 所示。由于周围环境的复杂， 采用常规的 隧洞钻爆技术， 并要求较快的隧洞掘进速度， 必然导 致爆破振动强度的过大， 难以保证周围建筑物爆破 振动安全的诉求， 会引起住民阻止施工甚至导致工 程停工的现象。 图 1 爆区环境及测点平面布置图 Fig. 1 Schematic diagram of blasting environment and the monitoring points 1. 2 振动控制基本方案 鉴于隧洞周围极近距离的大量建筑物分布， 而 且这些建筑物的抗振性能较差， 为此整个隧洞的钻 爆施工应以弱振动为控制目标和基本定位， 必须采 取更严格的建筑物振动安全指标、 更紧密的爆破振 动跟踪监测和短进尺、 多分部的隧洞钻爆控制技术， 在这三个方面密切互动， 形成三位一体的施工方案 和实施方法。 （1） 所谓更严格甚至保守的建筑物振动安全指 标， 是依照国家爆破安全规程的有关建议值， 考虑隧 洞沿线建筑物的基本结构特点和该地区公路行车振 动特性来提出的 ［5］。在隧洞钻爆的各阶段， 为了确 保周围建筑物的爆破振动安全， 更为了寻求周围住 民能够接受的爆破震感， 减少振动对住民生活的干 扰， 多数情况下， 应将振速控制在 V 1. 0 cm/ s 以 内， 但在最接近建筑物的爆点， 并考虑频率因素， 可 从评定建筑物爆破振动安全的角度， 所形成的质点 峰值振动速度不应该超过 V 2. 7 cm/ s。 （2） 考虑到钻爆条件稍有变化， 在建筑物地面 的质点振动速度就可能出现超标的现实， 必须采取 密集的爆破振动跟踪监测， 利用前炮的测值评判分 析结果， 及时地反馈下一循环或爆区， 作为爆破参数 调整和优化的依据。爆破振动监测也是掌握复杂环 境条件下爆破振动传播规律和建筑物振动响应特性 的有效手段， 这有利于对后续爆破形成的振动进行 合理的预估， 并指导监测点的选取和布置。 （3） 在隧洞钻爆弱振动施工技术方面， 根据开 挖部位与控制性振动测点的相应空间关系， 利用反 馈的振动实测数据， 实施循环进尺 （0. 8 1. 5 m） 、 断面分部 （全断面、 上下分两部和上下左右分四部） 及最大单响药量等技术措施的调整， 设法降低可能 出现的较大振动量， 以确保周边建筑物的安全。 2 不同隧洞段别的钻爆方法和振动控 制效果 从整个隧洞洞线与沿线民居建筑的空间关系和 建筑物的密集程度， 依据振动控制的难度将隧洞的 钻爆开挖分成三类典型控制洞段， 针对不同洞段， 选 定控制监测点， 如图 2， 并采取相应的钻爆方案与参 数 ［6-8］。 图 2 隧洞与民房的空间相对关系 Fig. 2 Diagram of monitoring points relative position 07爆 破 2015 年 3 月 2. 1 出口明挖段钻爆振动控制 在隧洞的出口部位有近 400 m3开挖方量， 需要 从地面往下明挖约7 m 深。其两侧的民用建筑物最 近仅 14 m。对于此阶段的钻爆， 需兼顾爆破振动和 爆破飞石的安全影响， 故主要采用小孔距的浅孔台 阶爆破， 具体实参数为 孔径 d 42 mm， 孔深 H 1. 2 m， 孔距 a 1. 2 m， 排距及抵抗线 w b 1. 0 m， 矩形布孔方式， 采用炮泥堵塞。按距洞口 14 m 的条石房屋初步估算， 单响允许最大药量 Q 3. 0 kg， 采用孔内分段起爆的微差起爆网路。 对洞口明挖区域的钻爆施工， 在控制点 （B 点和 C 点） 监测结果见表 1。监测结果表明洞口明挖阶 段的爆破振速控制在 1. 0 cm/ s 以下， 多数测值小于 0. 5 cm/ s。明挖阶段能够使振动量控制在 0. 5 m/ s 以内， 较好地降低了附近房屋的震感， 一定程度减缓 了居民的担忧和生活干扰， 这为工程向洞内推进起 到了十分有利的作用。 由于洞口部位是露天爆破开挖， 个别飞石和空 气冲击波的危害往往成为主要控制对象。为防止爆 破时出现飞石击碎民房窗户玻璃、 损伤墙体防护层 的现象， 对露天炮孔进行了有效覆盖和钢丝柔性网 固定， 并在作业面与民房之间架设 8 m 高的排架进 行防护。 表 1 隧洞出口明挖段的爆破振动测值 （单位 cm/ s） Table 1 The vibration velocity at the open excavated part （unit cm/ s） 测点位置竖直向水平向 0. 2820. 207 0. 3130. 276 0. 2150. 266 测点 B1. 1230. 410 0. 4190. 310 0. 4210. 111 0. 6330. 251 0. 1720. 094 0. 0870. 046 0. 2870. 167 测点 C0. 1750. 112 0. 1800. 164 0. 4360. 230 0. 5240. 350 2. 2 特别控制段的钻爆振动控制 在隧洞进洞约55 m 的范围内， 周围民房建筑密 集， 最近的距离仅 7 m， 爆破振动控制极为困难， 将 该隧洞段作为特别控制段。在初期进洞时， 基于洞 口明挖阶段振速控制效果良好的经验， 采用全断面 掘进钻爆方法， 孔径 d 42 mm， 设计循环进尺 1. 5 m， 单响允许最大药量 Q 3. 0 kg， 依掏槽孔 崩落孔周边孔底孔顺序毫秒微差起爆。爆后在 测点 B 所在民房的浆砌石地基、 测点 A 所在民房的 院墙出现裂缝， 判定该裂缝是由洞身开挖爆破振动 所致。 爆破振动强度主要受单段最大药量和地震波的 传播路径及地层条件等因素的影响， 同时， 在隧洞钻 爆施工时， 掘进的设计循环进尺 （孔深） 和临空面条 件也强烈的影响着爆破能量转化为地震波的比例。 为了将该特别控制段的振动控制在安全范围 内， 施工中分别按设计循环进尺 1. 5 m、 1. 2 m、 1. 0 m、 0. 8 m 逐步减少， 当振动量还难于控制时， 将 全断面的钻爆， 调整为上下断面分部钻爆， 当开挖点 更靠近控制点时， 则必须将整个断面按上下左右四 次进行分部钻爆。表 2 为针对上述不同钻爆控制方 案在测点 A 监测到的振动速度值， 由该表可以看 出， 在隧洞的特别控制段， 采用设计进尺 1. 5 m 的全 断面钻爆方法， 要将爆破振动峰值控制在 2. 7 cm/ s 是相当困难的， 惟有采用更短的设计进尺， 或者采用 断面分部的钻爆方法， 才能将振动速度控制下来。 钻爆过程中， 通过对循环进尺长度和断面开挖 方式的及时调整， 在监测点实测的振动速度控制效 果是明显有效的。进尺为 1. 5 m 时， 当从全断面开 挖变化至断面分四次开挖之后， 最大竖直向振速从 3.622 cm/ s 减少至 2. 396 cm/ s， 减少值 1. 226， 相比 减少 33％； 全断面开挖时， 当进尺长度从 1. 5 m 减 少 至 0. 8 m 之 后，最 大 竖 直 向 振 速 减 少 了 2. 064 cm/ s， 相比减少 57％。可以得出， 减少循环 进尺长度和调整断面开挖方式， 是减小爆破振动非 常有效的措施。图 3 反映了隧洞不同掘进钻爆方案 条件下的最大振动变化情况。 表 2 不同钻爆方案的实测峰值振速比较 （单位 cm/ s） Table 2 The peak vibration velocity in different scheme （unit cm/ s） 开挖方式 1. 5 循环进尺/ m 1. 21. 00. 8 全断面开挖 竖直向3. 6222. 4162. 1171. 558 水平向3. 2822. 7812. 1501. 604 上下断面 开挖 竖直向2. 5042. 1171. 8981. 223 水平面2. 7902. 1441. 7221. 464 全断面 四次开挖 竖直向2. 3961. 8571. 1690. 921 水平向2. 1441. 4831. 3581. 081 17第 32 卷 第 1 期 余 明， 舒大强， 丁留涛， 等 浅埋隧洞钻爆技术与振动控制 图 3 不同钻爆方案峰值振速图 Fig. 3 Diagram of the peak vibration velocity in different scheme 当循环进尺越短， 即孔深越小时， 由于临空面的 有利影响， 使得孔底受到围岩夹制作用相对更小， 故 转换成在岩体中传播的地震波能量就相对减小。当 在仅通过单响药量调整来减小振速的作用不明显 时， 改变孔深， 即减小循环进尺的方法， 则具有明显 的降振效果。 临空面是影响爆破振动速度的另一个重要因 素， 张建平通过实测指出控制其它条件相同时， 爆破 振动强度随着自由面数量的增加而减少 ［9］， 具有三 个自由面的振动强度为单个自由面的 1/6 1/3， 两 个自由面的振动强度为单个自由面的 1/3 2/3。 断面分部开挖， 前一次的爆破可以为下一次创造更 良好的临空面条件。 在该特别控制段， 考虑爆点与建筑物的空间关 系， 爆破振动监测以 A 点作为控制点， 将该处振动 强度控制在安全允许范围内 （2. 7 cm/ s） ， 在其它监 测点的振速实测值则绝大多数控制在 1 cm/ s 以内， 见表 3 所示。由于多数房屋的实际振动量均控制在 0. 5 1. 0 cm/ s 以内， 振动所形成的不适感相对可 以接受， 故没有引起因居民的反感而出现阻止施工 的现象， 这对施工的正常推进是十分重要的。 表 3 不同监测控制点的实测峰值振速比较 （单位 cm/ s） Table 3 The peak vibration velocity at different control points （unit cm/ s） 测点位置竖直向水平向测点位置竖直向水平向 1. 6041. 1600. 2760. 291 1. 9831. 9970. 5190. 308 1. 9791. 7410. 8201. 050 1. 2472. 139测点 C0. 3910. 290 2. 1193. 2820. 2300. 310 测点 A2. 9373. 5130. 3430. 280 3. 6222. 2100. 2870. 220 1. 3841. 8580. 5220. 612 1. 2021. 5000. 5300. 520 1. 5831. 486 测点 D 0. 6610. 515 1. 5771. 5041. 0700. 730 测点 B 0. 5260. 2300. 9501. 174 0. 7320. 6800. 3180. 248 采用合理的微差起爆网路， 按设计的起爆时序 和间隔时间起爆各孔的药量， 切实将各单响起爆药 量严格控制在 3 kg 以内， 也是确保爆破振动量不超 标的关键。图 4 是在振动控制监测点观测到的一典 型振动波形图， 由图 4 可以看出， 由于网路设计合 理， 波形分段明显， 各段间有明显的间隔， 没有出现 振动峰值的叠加， 达到了毫秒延迟起爆网络的目 的 ［10-12］。 2. 3 严格控制段的钻爆破振动控制 在特别控制段余下范围， 由于洞轴线附近民房 距离隧洞距离相对较远， 对爆破振动控制难度降低， 将其作为隧洞钻爆的严格控制段。在具体施工中， 主要方法借鉴特别控制段的经验， 但将设计单循环 进尺由 1. 2 m 逐渐放大到 1. 5 m， 断面分四次开挖 也逐渐改变到断面上下分部开挖。在该段施工过程 中， 于相应监测控制点 （E 点和 F 点） 各实测最大振 速如表 4 所示， 该表说明， 随着隧洞开挖工作段与周 围建筑物的相对空间关系改变， 在振动监测反馈下， 通过钻爆方案和参数的调整， 既可以将振动控制在 安全标准内， 也可有效提高隧洞的开挖进度。 图 4 振动速度波形图 Fig. 4 Vibration oscillogram 27爆 破 2015 年 3 月 表 4 振速控制点实测峰值振速 （单位 cm/ s） Table 4 The peak vibration velocity at control points （unit cm/ s） 测点位置竖直向水平向 0. 8640. 832 1. 0170. 975 测点 E 0.5340. 583 0.8810. 572 1.5121. 873 1.7181. 706 0.8861. 495 0.9371. 528 测点 F 0. 7041. 599 0. 8621. 649 1. 6992. 485 1. 1442. 143 在靠近隧洞进口方向， 随着距离民房越来越远， 隧洞钻爆的爆破振动控制难度进一步降低， 则可将 循环进尺长度 1. 5 m 逐渐调整至 2. 0 m， 断面仅分 上下两部分， 甚至全断面爆破。 3 结论 由于金鸡山隧洞段需穿过一段距离极近的民房 建筑区域， 爆破振动安全问题特别突出， 振动强度控 制难度大。通过振动监测数据的反馈和振动控制理 论的指导， 取得了一些有价值的控制方法和经验， 总 结如下 （1） 对于此类振动控制难度极大的隧洞工程， 必须采用密集的现场振动监测， 根据前炮监测数据 的反馈来调整下炮的钻爆方案。依据的控制标准， 最好按建筑物爆破振动安全允许指标和住民可接受 震动感两个数据来控制。前者是在最有难度时作为 控制标准， 而后者是减缓震动惧怕的振动强度指标， 该值的掌握和确定有一定的主观性， 本工程经验是， 当振动峰值控制在 0. 5 1. 0 cm/ s 时， 人的振动反 应并不强烈， 往往也不会因实际的振动安全问题产 生纠纷。 （2） 在施工实践中， 依据爆破振动监测数据反 馈， 并在震动形成机理的指导下， 通过改变循环进尺 长度和断面开挖分部方式， 比较每种方案下的最大 振速， 是控制振动量的关键。减小循环进尺和断面 多分部开挖， 有利于改善临空面条件， 减小夹制作 用， 其减小爆破振动的效果是显著的。 （3） 控制单段最大药量， 采取合理的微差起爆 网路， 真正做到按序按设计时差进行各钻孔的起爆， 是爆破振动不超标的重要保证措施。同时， 应强调 隧洞钻爆中炮孔的堵塞质量， 这样可充分利用爆炸 能量， 提高岩石破碎效率， 也就合理控制了单位耗药 量， 从而控制了总用药量。 参考文献 （References） ［1］ 宗 琦， 汪海波， 周胜兵. 爆破地震效应的监测和控制 技术研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2008， 27 （5） 938- 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Study on vibration effects of ground resul- ted from blasting in shallow tunnel［ D］ . Chengdu South-west Jiaotong University， 2006. （in Chinese） （上接第 63 页） 2. 4 爆破技术措施 本工程主要的施工难点在于控制爆破飞石及滚 石， 保障附近房屋及山脚水黄公路和输电线路的安 全。为此， 采取了以下措施（1） 改变临空面方向， 设置临空面朝向北面， 从而使爆破临空面背向水黄 公路， 并采取弱松动台阶微差爆破， 通过控制炮孔爆 破顺序， 改变爆破飞石的抛掷方向；（2） 开挖时注意 逐渐修正爆破临空面；（3） 在开挖层靠路面的最后 二排炮孔， 采用弱松动控制爆破；（4） 用手风钻完成 山体顶部钻爆工作后， 采用多钻孔、 少装药的微差弱 松动深孔控制爆破， 严格控制最大单响药量， 每响间 隔不小于 50 ms；（5） 并加强堵塞， 保证堵塞质量与 长度， 可有效控制飞石和大块滚石。 2. 5 爆破效果 本工程计划工期为 55 d， 通过采用螺旋式逐层 降低爆破技术， 实际完工工期为42 d。爆破后， 整个 山体降至设计标高， 提前约 1/4 工期圆满完成了任 务。整个爆破施工过程中， 没有产生超出控制范围 的飞石和危石， 未对周围的道路、 输电线路、 民房造 成破坏， 完全达到了控制爆破的预期目的和效果。 3 结论 针对圆锥形独立山体的特殊性， 通过分析螺旋 式逐层降低的爆破技术工艺特点及与普通爆破开挖 工艺展开对比， 结合实际工程， 以贵州六盘水某工程 为例， 阐述螺旋式逐层降低的爆破技术在工程中的 应用， 结论如下 （1） 对独立山体的开挖处理， 普通爆破施工方 案具有局限性。 （2） 在同样体积的独立山体施工时， 采用螺旋 式施工， 从开始至结束， 施工工作面积均较大， 可同 时供多台机械同时施工。 （3） 螺旋式施工开挖爆破临空面较多， 整个施 工便道的外围均可以作为爆破施工时的临空面， 这 样可以有效降低炸药单耗， 岩石破碎效果较理想， 相 比普通开挖方式节省约 1/5 成本， 减少 1/4 工期。 参考文献 （References） ［1］ 史雅语. 工程爆破实践 ［M］ . 北京 科技大学出版社， 2002. ［2］ 龙维祺. 爆破工程 ［M］ . 北京 冶金工业出版社， 1992. ［3］ 杨金华， 夏元友， 祝文化， 等. 风化岩体边坡开挖爆破 试验研究 ［J］ . 爆破， 2012， 29 （1） 50-53， 80. ［3］ YANG Jin-hua， XIA Yuan-you， ZHU Wen-hua， et al. 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