中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430070
摘要：爆破是隧道开挖广泛应用的一种方法，特别是在隧道通过或临近居民居住区、高楼大厦、既有交通运输隧道等复杂环境，除保证开挖面圆顺外，还需选择合理爆破参数、起爆顺序，使用新工艺、新材料，通过防护、隔离、降噪、减振等综合措施，减少对既有结构物的影响，保证施工顺利进行。
关键词：复杂环境；控制爆破；爆破振速；聚能【1】
Summary:Blasting is a widely used method of tunnel excavation, especially in complex environments such as tunnels passing through or near residential areas, high-rise buildings, and existing transportation tunnels. In addition to ensuring that the excavation surface is smooth, reasonable blasting parameters and detonation sequence must be selected. Using new technology and new materials, through the protection, isolation, noise reduction, vibration reduction and other comprehensive measures to reduce the impact on the existing structure, to ensure that the construction progress smoothly.
Key words: complex environment；controlled blasting；blasting；vibration polymerization
一、研究背景
钻爆法因为能适用各种地质条件和地下水环境，并且断面形式比较灵活，适合单线、双线及多线、车站等各种断面，在过渡段、变断面等TBM、盾构无法施工地段更具有先天优势，所以目前仍是隧道施工广泛采用的施工方法。
目前中国高铁已突破2万公里，在东部沿海发达地区，高铁、普铁与高速公路相互交错，形成四通八达的交通运输网。同时，随着经济发展，中国人口上千万、GDP过万亿的大城市已有12个，各一线城市为争取成为区域中心，各出妙招，吸引人才，使得城市规模仍在不断扩大，城市交通压力倍增，城市轨道交通方兴未艾。城市轨道交通为少占用地，避免与地面交通干扰，多采用地铁方式。地铁隧道穿越城市中心，商业区、居民集中区高楼林立、管道众多，为减少影响，一般采用盾构施工，但在一些地质条件、断面过渡、车站等不适合盾构施工地段，仍需采用暗挖方案。暗挖隧道如遇坚硬围岩，如广州、厦门等沿海城市，下伏岩层多为玄武岩、花岗岩，其原岩抗压强度达120MPa以上，必须要采用爆破施工。而在这些发达城市进行爆破施工，周边环境复杂，有上传或下穿正在运行隧道，或者毗邻商业办公楼、政府办公区、居民生活区、重要管线，对爆破振速、噪声、粉尘浓度控制提出了更高要求，施工中，必须采用综合控制措施，才能满足规范要求，保证施工顺利进行。
表3-1：爆破振动安全允许标准
二、爆破设计原则
1.必须详细调查爆破区地质资料及周围环境情况和位置关系，能确定保护对象的性质、结构、新旧情况。
2.向当地政府、产权单位了解结构物对爆破振动、冲击波、噪声等安全要求。
3.爆破方案能保证施工人员、设备、支护结构和周边环境的安全。
4.将爆破振动、爆破飞石、爆破粉尘、爆破有毒气体、爆炸冲击波、爆破噪音等爆破有害效应控制在安全的范围内
5.爆破方案能有效指导爆破施工，满足工程施工进度和施工质量的要求。
6.爆破方案必须先试爆验证，并在实施过程中依据监测数据不断调整优化。
三、确定爆破振动参数
1.爆破振动安全允许标准要求
爆破地震效应不大于相应建筑物爆破振动安全控制标准【2】来执行，具体如表3-1：
2.确定爆破炸药用量
根据上表的允许最大爆破振动速度，通过萨道夫斯基经验公式：
推出最大爆破炸药用量Q：
Qmax＝R3×(Vkp／K)3／a
式中 R－爆破振动安全允许距离，单位为米（m）；
Q－炸药量，齐发爆破为总药量；延时爆破为最大一段药量；单位为千克（kg）
V－保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；
K、α－分别为与爆破点至计算点间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，
表3-2：爆区不同岩性的K、α值与岩性的关系
由于地铁周边建筑物众多，有一般民用建筑物、商业建筑物，且道路交通繁忙，上述表格数据参考《爆破安全规程》规定，由于需保护建筑物、管路等由于其材质、埋设方式、承压情况、新旧程度等不相同，其安全振速值也不尽相同，需以各产权单位提供的设计抗震数据为准。
3.允许最大齐爆药量与爆破振动安全距离关系
根据上述公式对最大段起爆药量进行核算。可求得允许最大齐爆药量与爆破振动安全距离关系如下表：
表3-3：允许最大齐爆药量与爆破振动安全距离关系
据上表，在未采取其他减振措施情况下，需将每次爆破最大单段药量控制在表中计算值下，可确保周边建筑物的安全。为确保安全，爆破作业时应按照空间上由远及近、装药量由小到大，逐步增加的顺序进行安排。
四、其他减振措施
如果按上述表格对应的最大单段药量仍不能满足爆破振速要求时，需采取其他减振措施，常采用的主要有：
1.打设隔离眼
隧道开口一般距离既有结构太近，基本无安全距离，需采用隔振槽设计，将爆破区和上部需保护的围岩隔离开，具体做法是沿轮廓线钻水平孔，孔径150mm、孔深5m、孔间距（净距）10cm；孔钻好后，用导爆索将空孔间岩石炸碎，贯穿成一条5-15cm宽的隔振槽。如下图所示：
隔离眼布置图
将数根导爆索分别绑于直径Φ110mm的PVC管两侧，用胶布固定后装入炮孔中，将空孔间岩石炸碎，形成了一个弧形的隔振槽，将隧道开挖爆破和需保护的岩层隔离，能有效阻隔爆破振动波对临近围岩和钢筋砼的影响。隔振槽装药设计详图如下：
隔离眼孔内布置图
2.周边眼采用聚能管
聚能管充分利用炸药聚能效应，控制爆裂方向，使向四周的爆破在聚能管作用下，在两侧凹槽部位产生高能流，在两个周边孔之间集中定向释放，当爆震压力超过岩石抗拉强度，沿轮廓方向产生裂隙并定向扩展，在周边眼之间形成贯通裂缝，达到预裂爆破的目的。
聚能管图片尺寸
孔内内窥镜观察显示，爆破后围岩仅在聚能方向出现裂缝。
3.水压爆破
水压爆破利用水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到炮眼围岩中几乎无损失，十分有利于岩石破碎。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的"水楔"效应以及早高温状态蒸发体积膨胀，有利于岩石进一步破碎，炮眼中有水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染。
炮眼装药结构图
4.孔口口封堵，洞口遮挡
炸药在空气中爆破时，由于爆炸反应速度快，瞬间爆炸产物高速向空气中膨胀，周围空气压缩，形成冲击波，噪音及冲击明显。在孔口用炮泥堵塞炮孔，使爆破能量在孔内传递，向深层围岩扩撒，可明显降低冲击能量。同时，在洞口用橡胶、泡沫、棉被等可压缩材料制成炮被，进行封闭防护遮挡，可明显降低噪音。
5.微差爆破
当非电毫秒雷管段别不能满足一次最大起爆药量时，可采用高精数码电子雷管与非电毫秒雷管相配合，达到增加段别的效果。电子雷管延期时间可精准控制，根据产品要求采用相应的起爆网路，比如串联网路，见下图。段延时间隔时间10～50ms，实行孔间或排间毫秒延期起爆。
电子雷管串联示意图
6.分块分区域起爆，增加临空面
减少一次起爆体积，远离建筑物或需保护结构部位先起爆，同时，可为后起爆区域增加临空面，减少爆破震动。
常用的减少爆破震动的措施还有采用小直径药卷、间隔不耦合装药及采用低爆速、低猛度炸药等，但由于影响爆破振动的因素众多而又复杂，施工中需对爆破振动进行现场监测，并通过监测数据调整最大单段药量，在保护建物和各种管线安全的同时尽可能满足施工进度需求。若监测振速过大，可能威胁到周边被保护建筑物的安全时，应暂停爆破作业，采取有效的减振措施，控制振速等，若在采取足够措施后仍不能有效控制爆破振动，建议采取非爆破方式进行开挖。
五、工程案例
1.工程概况
厦门市轨道交通2号线2标一工区东渡站～建业路站区间（下文均简称为东建区间）为暗挖区间。本区间东渡路站～1#竖井之间的右DK21+434.4～右DK21+741.2段（306.8m，含短链14.7m）,埋深21-29m，顺东港北路敷设，两侧重要建（构）筑物较多，主要有宝鹭苑、振华大厦、国际邮轮城，东渡路厦金码头截流泵站及排水箱涵等，隧道下穿现状道路范围内周边地下管网繁杂，类型众多，管径及埋深不一。洞身穿过区为微风化花岗岩：肉红杂灰白色，中粗粒结构，块状构造，见少量70°左右裂隙，裂隙面较平整，岩芯多呈15～50cm柱状，岩质坚硬，锤击声脆。该层岩石不可压缩，力学强度很高。RQD=65～95%，岩石饱和抗压强度63～124MPa，属坚硬岩，岩体基本质量等级为Ⅰ～Ⅱ级。承载力高，不可压缩，均匀性好，透水性弱，工程性能好。
2.主要采取的爆破方法
（1）东渡站暗挖隧道入口段，为避免对已完成结构造成损伤，拟采用潜孔钻钻孔和导爆索弱爆破，构造隔振槽后再进行隧道开挖钻爆施工；
（2）靠近宝鹭苑小区等对振动敏感的建构筑物附近爆破时，采用短进尺、小断面的方式进行开挖，并选用预裂爆破技术减振，严格根据振动监测数据指导施工；
（3）必要时选用高精数码电子雷管进行施工；
（4）所有爆破施工均需在振动监测数据符合安全要求的前提下进行，若不能确保安全，则需暂停爆破施工或采用非爆破方式进行开挖。
3.选用爆破器材
（1）炸药选择：2号岩石乳化炸药、导爆索
（2）雷管选择：毫秒延期非电导爆管雷管
（3）起爆电源：电容式起爆器、导爆管激发针
4.振速控制
2014年8月22日爆破专家对厦门地下市政管线的安全振速进行了论证，并出具了《厦门市地下市政管线爆破质点安全允许振动速度值的建议》，石油天然气管道的允许爆破振动速度见表5-3：石油、天然气管道的安全允许振速，给水管、污水管、电力电缆、通讯线的安全允许振速按照该表数值的±10%执行。
表5-1：石油、天然气管道的安全允许振速
5.实施效果
2017年12月20日，东渡站开始开挖爆破，至2018年8月31日东建区间贯通，整个爆破振速全部控制在安全范围内，目前二号线全线铺轨完成。
现场实时监测数据
六、推广应用
广州市轨道交通十八号线横沥站~番禺广场站区间矿山法隧道，位于番禺广场站南端，有18号线左线、右线、22号线左线、右线、陇枕出场线、入场线共6条线路并行，线路大致呈南北走向，区间矿山法隧道设置3个单洞双线隧道，最小线间距6m。
洞身地层为花岗岩微风化层<9H>，岩芯呈肉红色、青灰色，粗晶结构，块状构造，成分主要为石英、长石、角闪石、黑云母，裂隙稍发育，岩体较完整，岩芯多呈长短柱，少量呈碎块状，局部由于机械破碎造成岩芯较破碎，岩质坚硬，RQD约为52～78%。该层在本场地分布较为广泛，本层饱和状态岩石抗压强度范围值为42.0～62.4MPa，为较硬岩～坚硬岩，为较完整岩体。
小净距CRD法隧道开挖顺序示意图
因该隧道双线断面，断面大，线间距近，为减小施工爆破相互干扰，施工采用CRD法施工，分块分区爆破，目前A、C断面已经贯通，B断面正在施工洞口，监测量测显示拱顶沉降、收敛变形10mm左右，满足结构物变形不大于30mm的规范要求。
参考文献：
[1]何广沂,刘海波.隧道掘进聚能水压光面爆破装置及爆破方法[P].发明专利.
[2]GB6722-2014,爆破安全规程[Z].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会发布,2015.
作者简介：汪伟（1973-），男，湖北武汉人，高级工程师，长期从事项目管理工作。
论文作者:汪伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/18
标签：隧道论文; 药量论文; 断面论文; 雷管论文; 围岩论文; 炸药论文; 岩石论文; 《基层建设》2019年第18期论文;