王军涛，王海亮，杨 庆

(1．中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 0 65201;2．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，山东青岛 2 66590)

0 引言

青岛地铁一期工程3号线自青岛火车站至青岛火车北站，全长24．9 km，全部为地下段，共设22个站点，全线采用钻爆法施工。沿线下穿、侧穿各种类型的建(构)筑物多达95处。地铁隧道爆破施工中面临的一个重要问题就是如何降低爆破振动对临近地表建筑物的影响。开展隧道爆破减振技术方面的研究对于地铁隧道的顺利建设、确保地面建(构)筑物、交通干道及地下管线的安全具有重要意义。

从大量的施工监测数据来看，隧道进行钻爆法施工时，振动的最大值一般发生在掏槽位置［1］，因此掏槽爆破时对振速的控制尤为重要。目前国内外学者对于掏槽爆破做了大量的研究工作，如:林大能等［2］基于典型空孔直眼掏槽炮眼布置，研究了腔内碎石在高压爆生气体作用下的抛射过程，建立了空腔形成的物理和力学模型，得出了空腔尺寸的理论计算方法;郑祥滨等［3］采用ANSYS三维非线性动力有限元软件，对单螺旋空孔直眼掏槽的爆炸应力波传播规律与成腔过程进行了数值模拟研究，得到了单元有效塑性应变分布图、节点有效速度分布图、节点时间-加速度历程曲线和炸药爆炸体积扩展过程示意图;李萍［4］通过理论分析与数值模拟系统地对渐进式大空孔螺旋掏槽的布孔数目、空孔直径、槽孔与空孔的距离、孔深、装药量和爆破延迟时间等爆破机理问题进行了理论分析研究。

目前，国内外学者对掏槽爆破做了大量的研究工作，但大多集中在掏槽掘进效果、槽眼优化布置、装药量等方面，对于掏槽爆破的振动效果研究较少，而掏槽区正是隧道爆破振动最大值发生区域。因此，本文通过对3种掏槽形式的振动及掘进效果进行现场试验，并将其掘进进尺、炮眼利用率及振动峰值速度进行对比分析，以确定最优掏槽形式，确保施工时顺利通过建筑物。

1 工程概况

青岛地铁一期工程3号线3标段ZK4+966～+797区段共下穿4栋建筑物。在ZK4+966．65～+929区间，隧道左线下穿济南军区第一疗养院口腔科医院(以下简称口腔科医院)，也是该标段施工过程中首次下穿建筑物的区间，故选取该段作为本次试验研究区段，隧道与口腔科医院空间关系如图1和图2所示。口腔科医院楼东侧与西侧地势平坦，适合布置监测仪器。该区间隧道埋深为13～14 m，相比后续的下穿工程埋深较深。该区段隧道围岩级别为Ⅱ—Ⅲ，围岩主要为花岗岩，整体性较好，岩体性质与地质条件均无大的变化。隧道下穿的建筑物——口腔科医院，建于1957年，为地上3层、地下1层的砖木结构，地表振速要求控制在2 cm/s以内。

2 掏槽形式的选择

目前，常用的掏槽形式有直眼掏槽和斜眼掏槽2类。一般情况下，直眼掏槽采用逐孔起爆，且有中间空孔作为自由面;而斜眼掏槽采用齐发起爆方式，无中空孔作为自由面。所以单从掏槽减振效果来说，直眼掏槽优于斜眼掏槽［5］。

图1 隧道与口腔科医院平面关系Fig．1 Plan relationship between the tunnel and the hospital

图2 隧道与口腔科医院剖面关系Fig．2 Profile showing relationship between the tunnel and the hospital

近年来，随着重型凿岩机械的使用，尤其是钻取炮眼直径为100 mm以上的液压钻机投入施工，使得直眼掏槽形式有了较大发展。目前常用的有小直径中空直孔掏槽、大直径中空直孔掏槽和大直线双中空直孔掏槽等形式［3］。一般中空直孔是1个，但也可根据具体情况采用2—4个空孔［6］。

本工程ZK4+966～+944区段隧道围岩、地质变化不大，埋深在13～14 m，故选取该段对小直径单中空直孔掏槽、大直径单中空直孔掏槽和大直径双中空直孔掏槽3种形式进行试验研究，其炮眼布置如图3所示，3种掏槽形式、爆破参数如表1所示。

试验区段内的隧道采用微台阶法开挖。分上、下2个台阶进行施工，上台阶高度3．2 m。如图4所示，掏槽区位于上台阶中间偏下，距上台阶底板约1 m，单独起爆。

3 掏槽眼参数选择

掏槽眼参数选择是掏槽成功的关键，在试验时，对掏槽眼的关键参数进行了设计［6-8］。

图3 直眼掏槽炮眼布置图(单位:mm)Fig．3 Layout of blasting holes of 3 different parallel cut methods(mm)

图4 掏槽区位置(单位:m)Fig．4 Location of cut area(m)

3．1 炮眼间距

对于中空直孔掏槽装药眼与中空直孔之间的距离l可按公式(1)和公式(2)确定。

式中:D为中空直孔直径，mm;当采用逐孔起爆方式时，l1为首个起爆的炮孔与中空直孔之间的距离，mm;l2为其他掏槽眼与中空直孔之间的距离，mm。当采用齐发起爆方式时，所有掏槽眼与中空直孔之间的距离按l1计算。

按上述计算方法，小直径单中空直孔掏槽装药眼与中空直孔之间的距离过小，钻孔时容易造成两眼钻穿，影响掏槽效果。故根据前期施工经验，小直径单中空直孔掏槽装药眼与中空直孔之间的距离取100 mm，见图3(c)。

表1 3种掏槽形式爆破参数表Table 1 Blasting parameters of 3 different cut methods

掏槽眼、小直径中空直孔采用YT28风动凿岩机钻凿，钻杆直径38 mm，成孔直径42 mm;大直径中空直孔采用HTG钻机钻凿，可钻凿直径为80 mm和150 mm的直孔。

3．2 装药量和起爆方式

掏槽眼的装药量按公式(3)确定。

式中:Q为单个槽眼装药量，kg;q为单位炸药消耗量，取2．6～3．2 kg/m3;L为炮孔长度，m;ρ为炸药密度，g/cm3;m为槽眼个数。

炸药选用2号岩石乳化炸药，药卷规格为32 mm×300 mm，300 g/卷。雷管选用第1系列毫秒延期导爆管雷管。掏槽区采用逐孔起爆的方式起爆，相邻雷管段别的延期时间间隔控制在50 ms以上较好。

4 试验效果与分析

为研究3种掏槽方式爆破时地表质点振动效果，将监测仪器布置在掌子面正上方，同时监测爆破振动的垂直方向、水平径向及水平切向3个振动分量。本文所指的爆破振动峰值是振动速度3个分量中的最大值。爆破振动监测采用UBOX-5016爆破振动智能监测仪及其配套的速度传感器、数据线。数据采集及处理采用计算机及配套软件BMVⅠEW。

对大直径单中空直孔掏槽进行了4次试验，为了确保试验的可比性，每次爆破总药量均为1．2 kg，单孔装药量0．15 kg，单段最大起爆药量0．15 kg，隧道拱顶距地表距离13～14 m。

对大直径双中空直孔掏槽和小直径单中空直孔掏槽分别进行了4次试验，为了确保试验的可比性，其中，大直径双中空直孔掏槽每次爆破总药量均为1．35 kg，小直径单中空直孔掏槽每次爆破总装量均为1．8 kg，单孔装药量、单段最大起爆药量、隧道拱顶距地表距离同大直径单中空直孔掏槽试验条件一致。

3种掏槽方式首次试验时，振动峰值所在垂直方向的振动分量波形如图5—7所示，3种掏槽方式的试验效果对比如表2所示。

图7 小直径单中空直孔掏槽爆破垂直方向振动波形图Fig．7 Vibration wave in vertical direction in the case of smalldiameter single hollow hole cut method

图5 大直径单中空直孔掏槽爆破垂直方向振动波形图Fig．5 Vibration wave in vertical direction in the case of largediameter single hollow hole cut method

表2 3种掏槽方式试验效果对比Table 2 Trial results of 3 different cut methods

由表2可知，大直径单中空直孔掏槽、大直径双中空直孔掏槽与小直径单中空直孔掏槽炮眼平均利用率分别为85%、83%和69%;3种掏槽方式平均振动峰值速度分别为 0．479 cm/s、0．460 cm/s 和 0．741 cm/s。从图5—7的波形图可证实:1)采用逐孔起爆时，掌子面正上方爆破振动峰值一般出现在首个或靠前的起爆眼位置;2)该试验中，相邻雷管延期间隔时间均在50 ms以上，波形图上未出现振动叠加现象。从掏槽的减振效果和掘进效果2方面考虑，大直径单中空直孔掏槽是下穿建筑物最优的掏槽形式。爆破施工中相邻雷管延期时间间隔大于50 ms时，基本可以避免爆破振动的叠加。在左线隧道下穿口腔科医院施工中，下穿段共计21．8 m，采用大直径单中空直孔掏槽，顺利通过了下穿段，振动速度峰值全部控制在2 cm/s以内，未发生超振事故。在下穿施工过程中，口腔科医院建筑结构未受到损伤，沿线居民正常的工作生活也未受到影响。

理论研究表明，中空直孔掏槽爆破的岩石抛掷一般分为2个阶段，第1阶段是装药孔爆破使破碎介质向中间空孔方向抛掷;然后由于爆生气体膨胀，使破碎介质沿槽腔向自由面方向抛掷［7-10］。由表2和现场勘测效果分析看出，直眼掏槽掘进效果、减振效果与起爆的炮眼距中空孔边沿距离l与中空孔孔径φ比值相关。采用逐孔起爆时，大直径单中空直孔掏槽、大直径双中空直孔掏槽，首个起爆的炮眼距中空孔边沿距离l与中空孔的孔径φ之比分别为1．00和1．06，且相邻炮眼内雷管延期间隔时间在50 ms以上，从现场勘测效果来看，装药眼与空孔之间由爆炸产生的破碎岩石可以通过借助大直径空孔顺利完成2个阶段的抛掷。大直径空孔掏槽中空孔孔径较大，碎石能顺利抛出，给予未作用于岩石的那部分爆炸能量向空气自由面的溢出空间，从而可以降低爆破振动。

而小直径中空直孔掏槽，首个起爆的炮眼距中空孔边沿距离l与中空孔孔径φ之比为2．38，在爆炸过程中产生的破碎岩石易在小直径空孔内相互挤实，阻碍后续的破碎岩石沿槽腔向自由面方向的抛掷，进而影响了炮眼的利用率。小直径中空直孔掏槽，中空孔孔径较小，同时又由于爆炸过程中，中空孔内发生岩石挤实现象，未作用于岩石的那部分爆破能量难以溢出，爆破振动较大。

5 结论与建议

本工程所在隧道的围岩级别为Ⅱ—Ⅲ，岩性主要为花岗岩，埋深为13～14 m，本文通过对大直径单中空直孔掏槽、大直径双中空直孔掏槽、小直径单中空直孔掏槽3种掏槽形式进行现场试验并应用在后续工程，从中可得到以下结论:

1)同等条件下，大直径单中空直孔掏槽在炮眼利用率、减振效果方面优于其他2种掏槽形式。采用该掏槽形式，顺利下穿口腔科医院段，振动速度峰值控制在2 cm/s以内，且未发生超振事故。

2)直眼掏槽掘进效果、减振效果与装药眼距中空孔边沿距离l与中空孔孔径φ的比值相关。当首个起爆眼距中空孔边沿距离l1基本等于中空孔的孔径φ时，掏槽区的掘进效果、振动效果较好;当装药眼距中空孔边沿距离l1远大于中空孔的孔径φ时，掏槽区的炮眼利用率较低，振动速度峰值较大。

3)相邻炮眼内雷管延期间隔时间在50 ms以上，既可避免振动叠加的发生，又给予了槽腔内岩石足够的抛掷时间，利于形成较好的爆破槽腔。

由于本文对于掏槽形式的掘进与振动效果的研究，仅依据现场试验结果得出结论，因而具有一定的局限性。后续研究还需要采用数值模拟方法对不同掏槽方式的爆破效果进行分析研究，以佐证现场试验结果。本文仅通过比较3种直眼掏槽形式，得出了直眼掏槽掘进进尺、减振效果与装药眼距中空孔边沿距离l与中空孔孔径φ的比值相关这一观点。对于直眼掏槽的掘进进尺、爆破时振动掌子面正上方地表质点的振动速度峰值与掏槽区装药眼距中空孔边沿距离l与中空孔孔径φ的比值的关系尚需进一步的量化，才能更好地指导工程实践。

［1］赵继增，孙毅．青岛地铁隧道掘进的爆破控制及减振方法:青岛地铁试验段青纺医院车站［J］．地铁与轻轨，1998(2):25-30．

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