小间距隧道爆破振动安全影响因素分析

毕春杰，谢 丹，谢菁钰

(1. 云南公投建设集团有限公司，云南 昆明 650100； 2. 邵阳学院 食品与化学工程学院，湖南 邵阳 422000)

采矿

小间距隧道爆破振动安全影响因素分析

毕春杰1，谢 丹1，谢菁钰2

(1. 云南公投建设集团有限公司，云南 昆明 650100； 2. 邵阳学院 食品与化学工程学院，湖南 邵阳 422000)

为分析小间距隧道爆破参数的改变对相邻隧道既有结构的影响因素以及爆破中爆破参数改变对临近隧道爆破振动的作用效果。通过对既有隧道进行振动监测并对监测数据进行分析，总结振动衰减规律，得到隧道监测质点的振动峰值主要受到爆心距、临空面、装药结构、岩性参数等因素的影响较大，同时通过优化临近隧道的开挖方式、支护方式能够有效的减小爆破监测质点的峰值振动速度。

隧道；安全；爆破振动；振动衰减规律

0 前 言

炸药在岩土中爆炸，约2%～18%的能量转换成弹性波在岩土中传播并引起围岩及地表振动。5%～15%的能量转换为爆破冲击波在空气中造成扰动。约50%以上的能量生成爆破膨胀气体。爆破振动是影响小间距隧道建设进度一个重要影响因素。为了改进钻爆法施工工艺工法、确保隧道周遭围岩、临近隧道的安全性、加快小间距隧道施工的进度，近年国内外学者研究人员对于近距离爆破、小间距隧道的爆破掘进施工进行了深入的研究探讨，研究方法主要包括现场监测采集数据、数值模拟及模型试验并得到了一些实用性结论。姚勇通过数值模拟提出先行隧道采取不同的开挖方式及支护方式受到的爆破振动的影响分析[1]。王春梅通过现场监测提出爆心距以及分段装药量对于爆破振速传播规律影响分析[2]。彭道富通过现场实验数据提出不同爆破方案设计、爆破条件、地质条件下对近距离隧道的影响分析[3]。姚勇等采用数值模拟的方法对小净距隧道相互影响进行研究，通过大量数值分析发现迎爆侧水平振动最大，并提出注浆加固等能有效减小爆破振速的措施[4]。

1 工程背景

某隧道位于乌江峡谷剥蚀中低山地地貌，线路并行与既有隧道左侧13～80m，进口位于既有线旁，紧邻既有线，施工安全威胁大。隧址区山顶最大高程1 113 m，最大埋深900 m，相对高差300～600 m，地形起伏较大，进口段自然坡度为10(°)～30(°)，出口自然坡度为15(°)～25(°)，砂岩单面山发育，局部呈陡崖，山顶部分多形成溶蚀槽谷地貌，溶沟、溶槽、溶洞、落水洞、洼地发育，植被茂密。进、出口端及洞身有公路相通，交通方便。隧址位于武隆向斜北西冀，单斜构造，岩层走向与线路大角度相交。隧区主要地层为土层、页岩、灰岩、砂岩、泥灰岩、煤层、泥岩等，隧道通过武隆向斜北西冀，岩层单斜，断裂发育，节理裂隙较发育。岩溶水极为丰富，存在涌水突泥风险。地下水以基岩裂隙水，岩溶水为主。

2 影响爆破振动强度和分布规律的因素

2.1爆破振动与爆破距离的关系

爆破振动速度V按照下列经验公式计算：

V=K(Q1/3/R)a

(1)

式中V——爆破振动速度，cm/s；

Q——炸药量，齐发爆破取总炸药量，延期爆破时取最大一段炸药量，kg；

R——爆心距，m；

K——表示与地震波传播地段岩土特性等相关的系数；

a——表示地震波衰减指数。

萨道夫斯基经验式(1)给出了爆破振速与爆心距呈逆相关关系，对于特定围岩性质的岩体，炸药量一定条件下，监测点距离爆破药包当量中心越远，爆破振动速度越小，对邻近隧道原有病害衬砌裂缝、施工缝的扰动影响越小。

2.2爆破条件对爆破振动的影响

装药结构是指炸药装入炮孔内的集中程度、装药与孔壁的耦合情况以及药包相对炮孔位置的几何关系。即装药在炮孔内的位置关系装药结构是调节炸药能量分布和控制爆破效果的一个重要因素，不同的装药结构可以改变炸药的爆炸性能，从而引起爆破作用的变化，不同的爆破技术要求有不同的装药结构。自由面的多少对爆破效果有着重要影响，自由面越多，被爆破的材料受到的约束力就越小，要求同样的爆破效果，则需要的药量也越少。一般来说，齐爆药量越大，振速也越大。当齐爆引起的振动对隧道产生不利影响时，采用分段爆破技术可有效地减少爆破振动。起爆方向分为正向起爆，反向起爆和中心起爆。反向起爆优于正向起爆，反向起爆中叠加的高强度应力波传向自由面，有利于岩石的破碎，优先考虑采用反向起爆方式，以减小对周围岩石的损伤和破坏，提高爆破效果。装药结构见图1。

2.3围岩性质对爆破振动的影响

岩体地质条件对爆破振动(扰动)场的影响，主要表现在岩土特性系数K与振动波的传播衰减指数a上。文献[5-7]给出不同岩性的K、a值。

在药量与爆心距一定的情况下，爆破振动速度主要受岩性参数K，地震波衰减指数a的影响。按照式(1)计算出来的振动速度不得超过文献[5-8]提到的《爆破安全规程》规定的安全允许标准。

a 导爆索装药结构；b 间隔装药结构

3 隧道施工方法对邻近隧道的影响

新武隆隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法开挖。本方案以Ⅳ级围岩作为监测分析研究对象。Ⅳ级围岩爆破炮孔布置见图2。

图2 Ⅳ级围岩爆破炮孔布置

Ⅳ级围岩爆破炮孔布置所对应的炮孔雷管段位及单孔装药量等详细参数见下表1。

表1 单线隧道Ⅳ爆破设计参数

按照对既有隧道最不利质点振速2.5 cm/s考虑，分别对不同围岩最小线间距爆破最大装药量进行计算，计算结果见表2。

表2 隧道控制爆破最大药量计算

对既有隧道振速监测点布控如图3所示，监测仪器为TC-4850型爆破振动监测仪。

图3 振速监测点布控

现场监测测试表明既有隧道横断面振速分布具有一定的规律性。整体而言，既有隧道迎爆侧拱脚振速普遍大于背爆侧边墙振速，其数值为几倍甚至于几十倍；隧道掌子面未开挖侧地表、临近隧道拱脚振速普遍小于已开挖侧。既有隧道衬砌在爆破产生的地震波作用下应力值将会产生很大改变迎爆侧应力状态比背爆侧高得多。在爆破开挖工序过程中既有隧道迎爆侧是爆破开挖控制的薄弱部位应重点对迎爆侧进行爆破振速监控[9-10]。

在小净距隧道后建隧道的开挖中采用上下台阶开挖与采用全断面开挖相比对降低爆破振动峰值速度较为有利。在相同药量相同净距相同支护条件下上下台阶开挖最大振动速度比全断面开挖要小的多，上下台阶法开挖工法中，上下台阶分别爆破对于降低邻近隧道迎爆侧振速有显著效果。当掌子面围岩类别较低采用对岩柱进行超前小导管注浆加固提高围岩的参数对减小质点爆破峰值速度效果十分显著。对邻近隧道距离施工隧道之间进行围岩注浆对于降低爆破振动的影响有显著作用。

4 结 论

1)临近小间距隧道采取上下台阶开挖，上下台阶分别爆破，迎爆侧注浆等施工工艺对减小质点爆破振动速度效果显著。

2)对于一定围岩，岩体特性系数与振动波的传播衰减指数一定，隧道质点距离爆破炸药中心越远，一次起爆炸药量越少，其受到地震应力波的振动越小。

3)已开挖隧道监测点拱顶、拱腰、拱脚爆破振速呈衰减分布。掏槽眼适当降低装药线密度，利用夹制作用将爆破能量转换为抛掷岩体碎块的能量，降低一次起爆药量同样能够降低爆破振动强度。

[1] 姚勇, 何川, 晏启祥,等. 董家山隧道小净距段爆破控制的数值模拟[J].岩土力学,2004,25(z2):501-506.

[2] 王春梅. 小间距隧道爆破对既有隧道振动影响分析[J].爆破,2013,30(2):84-89.

[3] 彭道富,李忠献,杨年华. 近距离爆破对既有隧道的振动影响[J].中国铁道科学,2005,26(4):73-76.

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[5] 蔡源,芦安贵. 基于ARM的无线通信研究及爆破震动监测应用[J].工程地球物理学报,2012, 9(6):790-794.

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TheInfluenceFactorsofSmallSpacingTunnelsBlastingVibrationAnalysis

BI Chunjie1, XIE Dan1, XIE Jingyu2

(1.YunnanReferendumConstructionGroupCo.Ltd.,Kunming,Yunnan650100,China; 2.SchoolofFoodandChemicalEngineering,CollegeofShaoyang,Shaoyang,Hunan422000,China)

This paper analyzes the influence of the change of the blasting parameters of the small pitch tunnel on the existing structure of the adjacent tunnel, and the effect of the blasting parameters on the blasting vibration of the adjacent tunnel. Through monitoring the vibration of the existing tunnels and the monitoring data are analyzed, finally the vibration attenuation laws are summarized. The result shows that the vibration peaks of the tunnels are mainly affected by the following factors, like burst center distance, vacant surface, charge structure and lithological parameters, And the peak vibration velocity of the blasting monitoring mass can be reduced effectively by optimizing the excavation method of the adjacent tunnels and the support style.

Tunnel; Safety; Blasting vibration; Vibration attenuation rule

2017-07-05

毕春杰(1989-)，男，河南鹤壁人，研究方向：安全系统工程，手机：18213856024，E-mail：990575955@qq.com.

U456.3

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.024