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文章信息
- 李刚
- LI Gang
- 临海大断面超浅埋公路隧道侧穿敏感建筑物控爆技术
- Controlled Blasting Technology for Shallow-buried Large Section Tunnel Side Crossing Susceptible Buildings in Coastal Stratum
- 公路交通科技, 2023, 40(1): 160-168
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(1): 160-168
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2023.01.018
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文章历史
- 收稿日期: 2022-05-11
近些年来，随着城市隧道工程建设的发展，下穿城市主干道及建筑物的隧道工程案例大量涌现，如何有效控制钻爆法城市隧道施工产生的爆破扰动对周围环境的影响引起了学者及施工单位的密切关注[1-4]。王明年等[5]通过现场试验与数值模拟研究了隧道爆破开挖产生的地震波对既有隧道衬砌结构稳定性的影响。Xue等[6]给出了邻近隧道爆破振动的安全阈值。阳生权等[7]通过对小净距公路隧道爆破振动的监测，发现爆破规模与爆心距对爆破振动效应的影响程度很大。Yang等[8]根据现场实测给出了爆破施工时隧道表面及围岩内部的振动特征。占城、刘斌、黄华东和Xue等[9-12]通过理论分析、数值模拟等方法对城市钻爆法隧道施工产生的爆破地震波对周围环境的影响、围岩及周边建筑物引起的动力响应进行了研究。费鸿禄等[13]采用现场监测的方法探讨了隧道爆破施工振动至地表的传播规律，并基于数值模拟结果对萨道夫斯基公式进行了修正。对于近距离穿越地表建筑物的城市隧道，管晓明等[14]发现采用电子雷管逐孔起爆可有效降低地表振动强度，同时能够提高地表振动主频。随着城市隧道修建技术的发展，城市钻爆法隧道控制爆破及配套施工技术研究逐渐引起重视，但是在超浅埋、超大断面公路海底隧道下穿城市主干道、侧穿敏感建筑物段的实施案例较少，在隧道沿线建筑物减隔震措施、爆破参数优化等方面的研究尚有欠缺。
本研究依托的厦门厦门第二西通道(海沧海底隧道)工程，位于沿海超浅埋回填区域，所在区域地质条件复杂，周边环境敏感，地下水丰富，与海水连通[15]。为确保项目顺利进展，对其陆域段隧道进行施工技术研究，从减隔震技术、爆破方案设计和爆破参数选择的角度提出城市钻爆法隧道施工控制爆破技术，并通过现场试验对控爆方案进行验证。
1 爆破振动经验公式大量实践表明，爆破引发地表振动速度最主要的影响因素包括最大装药量、爆心距及岩土体介质的性质。因此，大部分计算爆破振速的经验公式均与此相关，其基本形式为：
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(1) |
式中，V为爆破振速；Q为1次起爆药量；R为爆心距；K，n，m为有关常数。各国的研究人员根据试验数据，得到了不同的形式，常见的几种经验公式及其适用条件如表 1所示，其中我国现有规范推荐使用苏联的萨道夫斯基经验公式。
| 序号 | 国家和地区 | 公式形式 | 适用条件 |
| 1 | 苏联 |  |
K和α为与岩石特性等因素有关的常数，介质为岩石时，K=30~70，为土质时，K=150~250，α取1~2；β为与装药形式有关的参数，对于集中药包，β取1/3，对于延长药包，β取1/2 |
| 2 | 日本 |  |
K为与爆破条件有关的参数，露天爆破时K=100，隧道爆破时K=300 |
| 3 | 美国 |  |
经大量现场量测，推荐取值K=160，α=1.6，但该取值不适用于堵塞非常严密的爆破，如平巷掘进中的掏槽眼爆破或预裂爆破以及在1个延发段内采用多个炮孔的爆破方案 |
| 4 | 欧洲 |  |
K和α为场地系数，K=0.013~0.148，α=0.64~0.96 |
| 5 | 英国 |  |
R适用于大于100英尺的范围 |
2 工程概况 2.1 项目概况
厦门海沧海底隧道工程，为国内第3条钻爆法施工公路海底隧道工程，隧道长约为6.3 km，采用三孔隧道方案，主线隧道为双向六车道，单洞最大开挖断面256 m2[17]。
海沧海底隧道为典型的城市海底隧道，其中A2标陆域段下穿城市主干道，隧道沿线建筑密集，包括小区、办公楼共计10余座，建筑物多为上世纪90年代多层建筑，其中最近的建筑物——鸿图苑小区距离隧道右线开挖轮廓线仅6 m(水平距离)，隧道埋深23 m。该段沿线水文地质条件复杂，地下管线众多，周边环境敏感，其施工风险高、技术难度大，对爆破及沉降控制要求极高。隧道平面位置与沿线建筑物平面位置见图 1。
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| 图 1 隧道平面位置与沿线建筑物示意图 Fig. 1 Schematic diagram of tunnel plane location and buildings along the line |
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2.2 沿线小区及建筑物情况
隧道南侧包括小区4个，酒店1座。隧道北侧包括小区1个，写字楼1座，储运仓库及办公楼各1座。多数建(构)筑物建设于20世纪90年代，小区内均包含多栋建居民楼，建(构)筑物形式多为砖混结构和框架结构，隧道沿线建(构)筑物详细信息见表 2。
| 序号 | 位置 | 名称 | 离隧道最近水平距离/m | 隧道埋深/m | 竣工年份 | 结构形式 | 基础形式 | 隧道围岩情况 |
| 1 | 隧道南侧 | 金庄花园 | 12 | 16 | 1998 | 框架结构 | 独立基础 | 全风化花岗岩 |
| 2 | 榕福苑 | 22 | 18 | 2000 | 框架结构 | 独立基础 | 全风化花岗岩 | |
| 3 | 鸿图苑 | 6 | 23 | 1994 | 框架、砖混结构 | 桩基础 | 微、中风化花岗岩 | |
| 4 | 三航大厦 | 14.1 | 24 | 2001 | 框架结构 | 桩基础 | 微风化花岗岩 | |
| 5 | 象屿花园 | 17.3 | 30 | 1998 | 框架、砖混结构 | 桩基础 | 微风化花岗岩 | |
| 6 | 隧道北侧 | 中国外运仓库 | 31 | 16 | 1991 | 框架结构 | 桩基础 | 全风化花岗岩 |
| 7 | 中国外运办公楼 | 23.8 | 16 | 1991 | 框架结构 | 桩基础 | 全风化花岗岩 | |
| 8 | 嘉会大厦 | 23.1 | 22 | 2010 | 框架结构 | 桩基础 | 微风化花岗岩 | |
| 9 | 厦门储运物资总公司 | 16.3 | 30 | 2003 | 框架结构 | 桩基础 | 微风化花岗岩 |
2.3 水文地质条件
根据地勘及补勘资料，隧道位于浅滩回填区域，地下水丰富，地质条件复杂。覆盖层以杂填土、淤泥、残积粉质黏土为主。杂填土厚度为2.2~5.7 m，结构疏密不均，淤泥呈流塑状，厚1.3~4.5 m；残积粉质黏土厚度1.5~12.3 m不等；基岩为微风化花岗岩，岩体较完整，岩质较硬，透水性弱，左、右线地质断面图见图 2。
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| 图 2 地质断面图 Fig. 2 Geological sections |
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右线隧道BYK16+534~BYK16+638段位于基岩内，埋深为20~25 m，隧道上层岩石厚度0~12.1 m，BYK16+638~BYK16+690段隧道位于上软下硬地层，BYK16+690~BYK16+730段隧道处于全强风化岩层。左线隧道BZK16+434~BZK16+632段位于基岩内，为微风化花岗岩，埋深为18~30 m，隧道上层岩石厚度0~14.3 m，BYK16+632~BYK16+658段处于土石交界面，围岩裂隙较发育。
3 控爆试验方案设计方案设计的总体原则：在先保护、再加固的前提下，利用爆破控制技术进行隧道开挖。需要采取控爆措施区段为左线BZK16+434~BZK16+634和右线BYK16+534~BYK16+638。由于沿线周边小区距离左线隧道轮廓线相较于右线隧道远，所以选取左线隧道30 m(BZK16+434~BZK16+464)作为控制爆破的现场试验段。根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)中的爆破振动安全允许标准要求，国内相似隧道工程下穿建筑物基础与地下管线时，较多采用1~1.5 cm/s的振动控制标准，考虑到本工程沿线有年代较为久远的框架、砖混结构建筑物，因此将容许值进一步降低到0.8 cm/s。
进行试验段爆破的主要目的如下：
(1) 验证爆破参数的合理性，收集爆破监测数据，结合地质补勘成果，动态调整爆破参数，减少对周边环境影响，爆破振速控制在0.8 cm/s以内。
(2) 通过监测数据，分析左线爆破对周边建筑物的影响。
(3) 通过左线试爆，模拟右线爆破对鸿图苑影响，确定合理的爆破参数，为右线开挖提供参考依据。
隧道左线试验段采用上台阶开挖，左侧导洞先行，开挖12~15 m后再进行右侧导洞开挖。
3.1 建筑物保护及加固方案为确保施工及周边建(构)筑物安全，采取“先保护并加固，后开挖紧支护”的总体施工方案。在右线隧道BYK16+534~BYK16+638段与建筑物之间增设φ1 000@1 200 mm的钻孔灌注桩，入岩深度≮2 m，桩间采用φ1 000@750 mm旋喷桩止水，减少因桩间失水引起地表、建筑物沉降。同时对未开挖段隧道上方土层进行地表注浆加固，然后再进行隧道开挖。建筑物保护及加固示意图见图 3。
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| 图 3 建筑物保护及加固示意图 Fig. 3 Schematic diagram of building protection and reinforcement |
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隧道上半断面采用CD开挖工法，先开挖左侧导洞的中导洞，再进行周边扩挖，为提高开挖工效，中隔壁取直；下半断面采用全断面开挖。开挖过程根据房屋、地表监测沉降情况，适时对房屋地基进行补充注浆。为保证施工安全，中导洞开挖后及时进行初喷，确保后续开挖安全。
3.2 控制爆破辅助措施软岩段采用机械开挖为主，局部采用弱爆破，施工中爆破振动对周边建筑物及小区影响较小。因此，控爆设计主要针对硬岩段，主要控制措施有：
(1) 采用数码电子雷管[18]，控制单段最大装药量。
(2) 减少开挖断面尺寸，缩短进尺以控制单循环总药量。
(3) 隧道开挖工法由原设计三台阶开挖优化为上半断面采用CD开挖工法，下半断面采用全断面开挖。
(4) 加强监控量测，记录每循环爆破参数，结合爆破振速、地质等情况，动态调整爆破参数，获取最优爆破参数。
3.3 控制爆破参数优化 3.3.1 优化原则结合工程现场的实际情况，确定该区间内隧道爆破优化遵循以下的原则：
(1) 采用上CD工法分区开挖，采用空孔及多创造自由面的原理，降低爆破振动。
(2) 按照多分区、短进尺、密布孔、少装药、多分段的原则，提高爆破效果和安全性。
(3) 起爆顺序：靠近临空面方向先爆，采用逐排逐孔、单孔单响的形式进行爆破。
3.3.2 爆破器材选择(1) 炸药选择：Ф32 mm的2#岩石乳化炸药。
(2) 雷管选择：数码电子雷管。
3.3.3 爆破参数优化(1) 炮孔参数
① 炮孔直径：人工打眼Φ40 mm。
② 炮孔数量：上导洞炮孔数目由公式N=3.3(S2f)1/3计算得到，式中N为炮孔数目(光面爆破适当增加6%~12%)；f为岩石坚固系数，设计取10；S为巷道掘进断面面积。
③ 单孔最大装药量
根据萨道夫斯基公式，按最大振速0.8 cm/s控制计算，爆心距30 m，围岩为微风花岗岩，K取200，α取1.7，采用数码电子雷管，单孔单响，按公式
(2) 进尺设计
中导洞循环进尺1.2 m，周边扩挖循环进尺2.4 m，隧道左、右导坑分次进行爆破。
(3) 中导洞掏槽设计
采用“空孔+掏心+楔形掏槽”(掏心：在2排空孔中间钻1排直孔，中间孔作为爆破孔，利用两侧空孔和中间直孔，爆破形成临空面)的炮眼布置方案，左右导洞分别在中心偏下位置用三臂台车钻取10个Φ100 mm的空孔作为减振孔，结合楔形掏槽，辅助眼均匀布置在掏槽眼与周边眼之间。掏槽眼与掏心眼夹角25°。掏心、掏槽眼炮眼剖面布置见图 4。
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| 图 4 炮眼剖面布置示意图(单位: m) Fig. 4 Schematic diagram of layout of blasting hole profile (unit: m) |
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(4) 炮眼孔间距
辅助眼孔间距取600~1 000 mm，周边眼孔间距约取10 d~15 d(d为炮眼直径)，底板眼孔间距取800~900 mm。
(5) 炮眼超深
根据循环进尺选择，超深为30 cm，其中掏槽眼应比辅助眼、周边眼再加深20~30 cm，周边眼底部外倾10 cm。
(6) 装药结构
除周边眼外，其余炮孔采用连续装药的方式，起爆药包装置在孔底倒数第2节药卷上，采取反向起爆方式；周边眼布孔形式利用导爆索隔孔间隔装药。炮眼布置及开挖顺序如图 5所示，掏心、掏槽眼炮眼布置如图 6所示。
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| 图 5 炮眼布置及开挖顺序(单位：m) Fig. 5 Layout of blasting holes and excavation sequence (unit: m) |
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| 图 6 掏槽眼与掏心眼布置(单位：m) Fig. 6 Layout of cut holes and core holes (unit: m) |
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(7) 装药参数
爆破设计参数如表 3所示，按逐孔、逐号进行爆破，各孔延迟时间15 ms。
| 位置 | 钻孔排序 | 炮眼名称 | 炮眼个数 | 炮眼深度/m | 单孔装药量/kg | 合计药量/kg | 装药系数 | 备注 | ||
| 卷数/条 | 装药长度/m | 单响药量/kg | ||||||||
| 中导洞 | 1~4 | 掏心眼 | 4 | 1.5 | 6 | 1.2 | 1.2 | 4.8 | 0.67 | 单耗： 2.2 kg/m3，进尺：1.2 m， 面积：20 m2 |
| 5~8 | 掏槽眼 | 4 | 1.7 | 6 | 1.2 | 1.2 | 4.8 | 0.59 | ||
| 9~12 | 掏槽眼 | 4 | 1.7 | 6 | 1.2 | 1.2 | 4.8 | 0.71 | ||
| 13~16 | 辅助眼 | 4 | 1.4 | 5 | 1 | 1 | 4 | 0.71 | ||
| 17~20 | 辅助眼 | 4 | 1.4 | 5 | 1 | 1 | 4 | 0.71 | ||
| 21~24 | 辅助眼 | 4 | 1.4 | 4 | 0.8 | 0.8 | 3.2 | 0.57 | ||
| 25~31 | 辅助眼 | 7 | 1.4 | 4 | 0.8 | 0.8 | 5.6 | 0.57 | ||
| 32~38 | 辅助眼 | 7 | 1.4 | 4 | 0.8 | 0.8 | 5.6 | 0.57 | ||
| 39~50 | 辅助眼 | 12 | 1.4 | 3 | 0.6 | 0.6 | 7.2 | 0.43 | ||
| 51~57 | 底板孔 | 7 | 1.4 | 5 | 1 | 1 | 7 | 0.71 | ||
| 合计 | 57 | — | — | — | — | 53.4 | — | |||
| 上台阶扩挖 | 1~4 | 辅助眼 | 4 | 2.6 | 5 | 1 | 1 | 4 | 0.38 | 单耗： 1.1 kg/m3，进尺：2.4 m， 面积：24 m2 |
| 5~7 | 辅助眼 | 3 | 2.6 | 5 | 1 | 1 | 3 | 0.38 | ||
| 8~16 | 辅助眼 | 9 | 2.6 | 5 | 1 | 1 | 9 | 0.38 | ||
| 17~26 | 辅助眼 | 10 | 2.6 | 4 | 0.8 | 0.8 | 8 | 0.31 | ||
| 27~34 | 周边眼 | 8 | 2.6 | 4 | 0.8 | 0.8 | 6.4 | 0.31 | ||
| 35~63 | 周边眼 | 29 | 2.6 | 4 | 0.8 | 0.8 | 23.2 | 0.31 | ||
| 64~67 | 底板眼 | 4 | 2.6 | 6 | 1.2 | 1.2 | 4.8 | 0.46 | ||
| 68~69 | 底板眼 | 2 | 2.6 | 6 | 1.2 | 1.2 | 2.4 | 0.46 | ||
| 合计 | 69 | — | — | — | — | 60.8 | — | |||
3.4 爆破振动监测方案
在地表开挖轮廓线外侧6 m位置设置爆破振动监测点，分别在掌子面前方1.2 m(1#监测点)、10 m(2#监测点)、20 m(3#监测点)、30 m(4#监测点)位置布设爆破振动监测仪，监测点位随隧道掌子面开挖向前移动，监测点与爆破点相对位置始终保持不变。左导洞开挖布置在左侧，右导洞开挖布置在右侧。同时在鸿图苑小区离隧道最近部位、结构薄弱部位、小区内部等关键部位布设爆破监测点，如图 1所示。
4 控爆监测结果 4.1 试验段监测试验段施工过程中，根据试验设计方案对爆破振速、地表沉降、周边建(构)筑物沉降、变形等进行实时监测，做到一炮一测，一炮一分析，利用监测数据指导爆破作业，动态调整爆破参数。
根据隧道纵断面设计图获取试验段隧道埋深，结合监测点位置，根据萨道夫斯基公式计算得到1#监测点的允许最大爆破振动速度为0.513 cm/s，2#监测点的允许最大爆破振动速度为0.481 cm/s。此外，由于在计算监测点爆心距时，侧向距离取用的为监测点到左线隧道地表开挖轮廓线的距离，即6 m，然而测点到炮孔的实际侧向距离一定大于6 m，因而实际允许最大爆破振速大于上述两计算值。
试验段共开展了30次爆破试验监测，1#监测点和2#监测点的峰值振动速度如图 7所示，振速曲线按照升序排列。根据监测数据分析，爆破产生最大振速的位置为1#监测点(掌子面前方地表 1.2 m处)，右侧导洞中导爆破时最大，最大值为0.508 cm/s，小于允许最大爆破振速且多数可控制在0.5 cm/s以内。根据爆破监测数据分析，无论是左侧断面开挖还是右侧断面开挖，中导洞爆破时的振速普遍高于压顶扩挖时的振速，这是由于压顶位置的炮孔装药量较小导致的。此外，隧道右侧开挖时，其爆破扰动明显大于左侧开挖，考虑到左侧先行，在隧道右侧爆破时，左侧已开挖完成的断面形成空腔，对爆破振动产生放大作用，产生爆破空洞效应[19]。
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| 图 7 峰值振动速度 Fig. 7 Peak vibration velocities |
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对于2#监测点(掌子面前方地表 10 m处)，其最大爆破振动速度出现在左侧中导洞开挖时，为0.225 cm/s。多数振速可控制在0.2 cm/s以内，且压顶爆破时，一部分并未触发爆破振速监测仪。3#监测点(掌子面前方20 m处)和4#监测点在数次爆破试验中均未触发。通过采取控爆措施，地表 10 m位置基本实现无感爆破，20 m以外爆破振速监测仪无触发(小于0.1 cm/s)，大大降低了爆破振动对周边环境的影响。
4.2 非试验段控爆实施效果在右线隧道开挖过程中，严格执行左线试验段爆破工艺，单孔单响，控制单孔最大装药量≯1.6 kg，同时根据不同地质情况对炮眼布置、装药参数等进行了微调。此外，由于右线隧道地表轮廓线距鸿图苑小区居民楼最小水平距离仅6 m，爆心距23.8 m，因而加强了建筑物的隔振与加固措施，以保障该段隧道的顺利施工。根据监测数据，该段爆破振速最大值为0.485 cm/s，地表沉降最大1.3 cm，建筑物最大沉降0.8 cm，最大隆起0.6 cm，爆破振动、地表及建筑物沉降变形均在规范允许范围内，控制爆破技术应用效果良好。
5 结论依托厦门海沧海底隧道陆域段工程，对城市浅埋暗挖隧道侧穿敏感建筑物段控制爆破技术进行了优化研究，结合工程地质条件及周边建筑物的保护需求，从隧道周边建筑保护及加固技术、控制爆破方案设计、控制爆破参数选择的角度出发，进行了复杂地质条件下钻爆法城市浅埋暗挖隧道侧穿敏感建筑物的控制爆破现场试验。通过试验段及后续实施效果，结合现场监测信息反馈情况，得到以下结论：
(1) 采用数码电子雷管、控制单段最大装药量、减小开挖断面尺寸、缩短进尺等控制爆破辅助措施，结合“空孔+掏心+楔形掏槽”控爆开挖方案及参数优化方案，可以显著控制周边建筑物的爆破振速，方案安全可靠、合理可行。
(2) 当隧道近距离穿越地表建筑物时，应采用必要的建筑物保护及地层加固措施，如在爆破影响区与建筑物基础间增设灌注桩、隔振桩及注浆等方式，能够起到明显的隔振和控制沉降的作用。
(3) 通过控制爆破现场试验及监控量测指导并验证爆破方案，以此为依据动态调整施工工艺及爆破参数，在保证隧道结构和路面交通安全、控制周边建筑物振动与沉降等方面起到关键作用。
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