小間距隧道爆破振動控制研究

21世紀(jì)以來，中國交通的主要發(fā)展趨勢是高速鐵路和公路的建設(shè)。在高速鐵路與高速公路隧道建設(shè)中,由于受地質(zhì)條件、環(huán)保要求和征地范圍的限制,如隧道全線均采用分離式隧道,將會給隧道的布線帶來問題。在這種狀況下,一般采取縮小隧道的間距,或直接采用連拱隧道。但由于連拱隧道的工程造價、施工周期和施工難度均比分離式隧道大的多,為此,一種界于邊拱隧道與分離式隧道之間的新型隧道結(jié)構(gòu)形式———小凈距隧道越來越多的出現(xiàn)在工程實(shí)踐中。小凈距隧道相比連拱隧道具有造價低、施工快、機(jī)械化程序高的特點(diǎn),相比分離式隧道具有占地小,布線靈活的特點(diǎn)。目前小凈距隧道在施工中的難點(diǎn),主要需要考慮如何控制后掘隧道的爆破振動對先掘隧道的影響。1中間段三心圓曲墻半徑l椒金山隧道由椒金山1號隧道與椒金山2號隧道組成,隧道為二車道公路隧道,隧道進(jìn)出口段屬于小間距隧道,中間段屬于分離式隧道。隧道軸線間距16.5~40.5m,路基設(shè)計(jì)線間距6~30m。隧道襯砌內(nèi)輪廓按建筑限界高5.0m,寬10.5m,擬采用三心圓曲墻半圓拱,邊墻半徑R=8.8m,拱部半徑R=5.6m,隧道凈高7.00m,凈寬10.79m,截面凈面積為64.25m2。隧道圍巖以Ⅲ、Ⅳ和V級三種圍巖為主。2爆破質(zhì)量控制椒金山隧道小凈距段圍巖的特征,采用鉆爆法施工,為了保證中夾巖巖柱和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,在小間距段爆破設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足如下幾點(diǎn)要求:(1)兩洞不能平行爆破作業(yè),前后洞之間的距離應(yīng)控制在30~50m之間;(2)要控制中夾巖柱區(qū)域的炸藥量,盡量保護(hù)中夾巖巖柱不受損壞,確保中夾巖柱的穩(wěn)定;(3)采用光面爆破技術(shù),嚴(yán)格控制超挖量,特別是中夾巖柱區(qū)域,寧可欠挖也不能超挖;(4)爆破裝藥量設(shè)計(jì)需滿足爆破震動速度不超過25cm/s的要求。3動速度大間距隧道安全施工相結(jié)合小間距隧道內(nèi)爆破控制需有效地控制爆破震動速度,保護(hù)中夾巖柱的穩(wěn)定,其是小間距隧道安全施工的重點(diǎn)。目前,小間距隧道爆破中控制爆破振動的方法主要有以下幾種:3.1微差爆破技術(shù)控制同段起爆的最大藥量可有效減小爆破振動的影響,但為了加快施工進(jìn)度,往往要求加大一次起爆的藥量。因此,降低振動的影響與保證隧道施工進(jìn)度是一對矛盾關(guān)系,目前一般采用微差爆破技術(shù)來解決此矛盾。采用微差爆破技術(shù)時,質(zhì)點(diǎn)的爆破振動源于每段爆破引起的振動。由于各段爆破的振動波作用于同一測點(diǎn)時存在一定的相位差,因而根據(jù)波的疊加理論,可以通過調(diào)節(jié)段與段之間的相位差來達(dá)到各段爆破振動相互削弱的目的。3.2炮孔起爆時差精度的影響大量實(shí)踐證明爆破振動量主要與爆心距、爆破藥量以及介質(zhì)條件有關(guān),而在這些條件介質(zhì)條件是不可改變的,而相比于爆心距,爆破藥量的控制更為有效。當(dāng)采用延期雷管時,將一次爆破藥量分成多段毫秒延期起爆,使得爆破振動的峰值受分段單響最大藥量控制,因而一次爆破的裝藥量可以擴(kuò)大很多倍但不會產(chǎn)生超強(qiáng)振動。在分段起爆過程中,雖然每段單響藥量相同,但由于一個段別有很多炮孔,那么同一段雷管起爆時差精度對爆破振動峰值會產(chǎn)生一定影響。根據(jù)大量測試結(jié)果表明,后段雷管時差精度逐漸降低,而前段雷管時差精度越高,延時誤差范圍大。由于后段雷管的所有炮孔不能同時引爆,各炮孔引爆時間誤差較大,使得炮孔產(chǎn)生的振動波相互干擾且峰值不能迭加增強(qiáng),后段爆炸產(chǎn)生的振動持續(xù)時間增長,最大振動峰值顯著減小。前段雷管基本能保證同段炮孔在很小時差范圍內(nèi)同時引爆,所產(chǎn)生的振動量級基本等于總藥量所產(chǎn)生的振動量級。根據(jù)上面的分析,在小間距隧道爆破中,可以采取排段別適當(dāng)減小炮孔數(shù),后排段別又能適當(dāng)增加炮孔數(shù),這樣不僅能使得爆破振動控制在要求的范圍,而且還能使爆破裝藥量擴(kuò)大,滿足施工進(jìn)度的要求。3.3爆壓上升時間爆破振動的強(qiáng)弱與炸藥的性能之間存一定的關(guān)聯(lián)。室內(nèi)爆破試驗(yàn)證明,空腔內(nèi)壓力上升時間越短,則炸藥爆炸時產(chǎn)生的頻率越高,振動越強(qiáng)。爆轟壓力的上升時間和爆破沖擊波的速度密切相關(guān)。當(dāng)爆壓上升時間越短,沖擊波速度愈大,則爆破振動越強(qiáng)。為了減小爆破振動的強(qiáng)度,可以從降低爆破產(chǎn)生沖擊波速度和增加爆壓上升時間兩個方面入手,采用低爆速炸藥可以有效地降低爆破產(chǎn)生的沖擊波速,采用藕合裝藥結(jié)構(gòu)能有效地增加爆壓上升時間。3.4爆破振動的改善試驗(yàn)。在椒金川隧道,爆破振動的強(qiáng)弱與爆破臨空面的多少,爆破位置離自由面的位置有關(guān)。臨空面越多,離自由面位置越近,則爆破產(chǎn)生的振動速度越小。根據(jù)室內(nèi)爆破試驗(yàn)可知,爆破位置是離自由面越遠(yuǎn)夾制作用越大,產(chǎn)生的爆破振動越強(qiáng),最大差別可達(dá)到5倍以上。因此改善臨空面條件、減小最小抵抗線也能起到降低爆破振動的作用。綜合上述分析,在椒金山隧道小凈距段隧道爆破設(shè)計(jì)方案中應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)原則:(1)采用中等爆速的炸藥;(2)優(yōu)化鉆爆參數(shù),降低炸藥單耗;(3)周邊眼采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的光面爆破;(4)開挖中嚴(yán)格遵循“弱爆破、短進(jìn)尺”的施工原則,以減小每次爆破的炸藥總用量;(5)起爆采用非電毫秒雷管,大間隔微差起爆,使相鄰段別的起爆間隔大于100ms,以減少每段起爆的炸藥量及各段爆轟波的疊加,讓爆破地震主震相間無疊加效應(yīng),達(dá)到減小對圍巖擾動的目的。4隧道的爆炸參數(shù)和爆炸效果4.1槽、炮孔布置根據(jù)爆破控制要求與爆破振動控制技術(shù),椒金山隧道采用全斷面施工,斷面一次分段爆破成形,設(shè)計(jì)單循環(huán)進(jìn)尺為3.5m。隧道最大段起爆藥量為40.3kg,常規(guī)爆破的中心掏槽孔總裝藥量為33.6kg。掏槽孔布置于隧道斷面中部,對稱布置,共布置上下2組,上組掏槽孔3對,下組掏槽孔4對,兩組掏槽孔垂向距離間隔lm,每對掏槽孔孔口間距3.7m.掏槽孔傾斜角度為58°,孔深4.5m。掏槽方式采用垂直向楔形掏槽,。在隧道拱部設(shè)置一圈周邊孔。爆破采用微差起爆方式,共分8段起爆。在隧道上部呈弧形布置3排炮孔,最外層炮孔與隧道拱部周邊孔相距30cm,中間排距為60~70cm,。在邊墻周邊孔與掏槽孔之間布置4排炮孔,最外排炮孔與邊墻周邊孔相距30cm,中間炮孔的排距為50~65cm。在隧道下部(掏槽孔下方)布置3排炮孔,最下層炮孔和底板孔間距40cm,中間炮孔間距60cm。4.2圍巖塊度較大、爆堆集中程度較低,掌子面整體呈凹面形態(tài)設(shè)計(jì)隧道爆破單循環(huán)進(jìn)尺為3.5m,但實(shí)際爆破后單循環(huán)進(jìn)尺為3.0m左右,實(shí)際炮眼利用率約86%。從爆破現(xiàn)場出渣情況看,爆破后巖體塊度較大,最大塊度達(dá)到1.5m以上,爆堆較為分散,集中程度低,大部分爆堆分散在15m范圍內(nèi)。巖塊和爆破飛石拋擲較遠(yuǎn),爆破飛石最大水平拋擲距離達(dá)到50m以上,巖塊的最大水平拋擲距離達(dá)到25m左右。爆破后,掌子面整體呈鍋底狀凹面,且凹凸不平,隧道周邊圍巖輪廓線清晰可見。施工期間,經(jīng)爆破震動測試,振動速度均在10cm/s之內(nèi),中巖柱