爆破近区喷射混凝土振动安全控制施工技术研究.pdf

93现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 2 期2024 年 1 月Vol.3 No.2Jan.2024爆破近区喷射混凝土振动安全控制施工技术研究王 虎中铁十七局集团城市建设有限公司，贵州贵阳 550025摘要：隧道循环爆破和初期支护结构施工交替完成，贴近爆破掌子面的喷射混凝土层龄期短、强度低，受爆破振动影响最为严重。爆破近区容易出现喷射混凝土层掉块、局部脱落，甚至破坏喷射混凝土喷层与保留岩体之间的黏结力，随后其分离形成空洞，导致支护结构的最大振速值增大，作用时间变长，且振动频率降低后易产生共振。喷射混凝土层的振动安全问题是制约隧道爆破开挖施工效率提高、施工安全和成本控制的重要因素。依托某工程开展不同爆破荷载作用下支护结构的振动监测试验，研究了爆破荷载作用下喷射混凝土层的振动响应特性及安全振动控制技术，确定短龄期、低强度喷射混凝土层的振速阈值，给出初期支护结构的安全距离，以提高施工效率、安全性。降低施工成本。关键词：隧道；钻爆法；初支混凝土；施工技术；安全控制中图分类号：U455 文献标识码：AConstruction Technology for Vibration Safety Control of Shotcrete in the Vicinity of BlastingWang HuChina Railway 17th Bureau Group Urban Construction Co.,Ltd.,Guiyang,Guizhou 550025Abstract:The tunnel cyclic blasting and initial support structure construction are completed alternately,and the sprayed concrete layer close to the blasting face has a short age and low strength,and is most severely affected by blasting vibration.In the vicinity of blasting,it is easy for the sprayed concrete layer to fall off,fall off locally,and even damage the bonding force between the sprayed concrete layer and the retained rock mass.Subsequently,it separates and forms voids,leading to an increase in the maximum vibration velocity value of the support structure,a longer action time,and a decrease in vibration frequency,which is prone to resonance.The vibration safety issue of sprayed concrete layer is an important factor that restricts the improvement of tunnel blasting excavation construction efficiency,construction safety,and cost control.Based on a certain project,carry out vibration monitoring tests on support structures under different blasting loads,study the vibration response characteristics and safety vibration control technology of sprayed concrete layers under blasting loads,determine the vibration speed threshold of short age and low strength sprayed concrete layers,and provide the safety distance of initial support structures.Keywords:tunnel;drilling and blasting method;initial concrete support;construction technology;safety control作者简介：王虎（1981），男，中铁十七局集团城市建设有限公司安全生产部部长、工程师，研究方向为路桥隧施工技术。隧道爆破出渣完成后会立即进行初期支护结构立架和喷射混凝土层施工，喷射混凝土层可以填充岩体裂隙，并与保留岩体表面形成黏结力，增强围岩的完整性和抵抗变形能力，加强保留岩体稳定性以确保施工作业安全1。隧道爆破作用下结构的动力响应特性通常通过支护结构的振动响应表现。如图1所示，当喷射混凝土出现局部脱落或存在空洞时，不能正确反映爆破荷载作用下支护结构的动力响应规律，对爆破参数设计和安全高效施工技术发展具有较大影响。因此研究隧道爆破近区喷射混凝土层的振动特性及振动安全控制技术具有重要的工程实践意义。(a)大范围掉落 (b)局部剥落图1 喷射混凝土层破坏情况图唐先习等人2基于小波分析等振动信号分析方法研究喷射混凝土层的振动响应特性与装药量和爆心距的变化规律，为隧道爆破施工提供了理论指导。曹峰等942024 年 1 月第 3 卷第 2 期现 代 工 程 科 技94人3基于应力波的透射、反射和折射传播规律研究混凝土的振动速度和应力大小的理论计算方法，结合强度破坏准则和数值计算方法验证了理论公式的适用性和正确性。宗琦等人4基于数值计算结果采用PPV安全判据研究爆破荷载作用下不同龄期喷射混凝土层的损伤深度，并给出严重损伤区域阈值0.25m。彭宇峰等人5引入损伤计算因子，结合声波测试仪和爆破振动监测的现场试验结果分析爆破荷载作用下距离掌子面不同距离喷射混凝土层的累积损伤程度，并认为爆破近区20m范围内的支护结构损伤严重，需要加强支护。单仁亮等人6开展模型试验，结合声波测试研究爆破参数与初期支护结构喷射混凝土层的损伤情况，认为爆破次数、爆心距与混凝土喷层的累积损伤的理论模型关系呈现非线性，爆破近区是安全控制重点。徐芳妹等人7基于波动理论研究坚硬岩石区域初期支护结构的安全距离，综合考虑了应力波作用下喷射混凝土的拉伸破坏机理指导工程应用。谢江峰等人8基于振动监测数据和信号分析方法，综合考虑爆破荷载作用下喷射混凝土的振动速度、损伤因子和抗拉强度等因素，建立喷射混凝土层的累积损伤方法，提出不同龄期喷射混凝土层的爆破安全 准则。准确掌握爆破荷载作用下喷射混凝土层的振动响应特性及安全振速阈值对于控制振动安全、提高施工效率和降低施工成本具有重要工程意义，有助于准确评价爆破荷载作用下喷射混凝土层的振动安全，为合理设计爆破参数和确定支护结构的施工时间和工序提供参考。1工程背景本文依托剑河至黎平高速公路瑶里隧道研究爆破荷载作用下爆破近区喷射混凝土层的振动响应特征，综合考虑速度、频率、爆心距和单段起爆药量等因素的影响，给出爆破振动衰减预测预测模型。结合支护结构的振动安全准则研究初期支护结构的施工方案和喷射混凝土空洞控制技术，确保隧道爆破施工质量的同时实现安全高效穿越，以达到提高施工效率和降低施工成本的目的。瑶里隧道位于贵州省黔东南苗族侗族自治州黎平县瑶里村附近，地表植被发育，进口地形较缓，出口地形较陡，隧道区域临近省道S311及乡道。隧道按照双车道分离式隧道设计，左线起止里程桩号Z2K48+443Z1K48+941，全长498m，其中级围岩140m，级围岩340m，明洞18m；右线起止里程桩号K48+437K48+940，全长503m，其中级围岩140m，级围岩345m，明洞18m。其中右线K48+437K48+940段位于R=1100的圆曲线上，左线Z2K48+443Z1K48+941段位于R=1100的圆 曲线上。2喷射混凝土施工技术2.1初期支护结构方案每循环爆破出渣完成后及时完成钢拱架支护并喷射混凝土层，文章中喷射混凝土的设计抗压强度为25MPa，喷射厚度为15cm。钢拱架立架前机械清除不稳固岩体，防止施工过程岩体脱落造成安全事故，同时可减少喷射混凝土层出现空洞效应的情况。钢拱架结构需按照施工规范要求，达到质量验收后方可进行喷射混凝土层施工。喷射混凝土层施工分区域进行，从拱脚开始浇筑，自下而上地填充混凝土，隧道超挖部分需要填满，按照厚度分两次进行施工。施工过程机械喷嘴应缓慢移动，其距离控制在1.2m左右，风压控制在0.5MPa，有利于控制混凝土的回弹量，节约施工成本。施工完成后应清理支护结构表面多余的混凝土，效果如图2所示。图2喷射混凝土层效果图2.2振动安全评价方法根据爆破规程和施工质量要求，喷射混凝土层不应出现大面积脱落和空洞现象。文章以振速作为评价指标，小龄期达到抗压等级且无空洞的喷射混凝土在爆破95王 虎：爆破近区喷射混凝土振动安全控制施工技术研究环境与化工科技近区的振动速度不能超过10cm/s。基于量纲分析和理论解析等方法综合考虑振动速度、频率、爆心距和单段起爆药量的影响，可得到爆破振动衰减预测表达式，结合现场验证其适用性，可较好地拟合爆破近区喷射混凝土层的动力响应规律，表达式如下：（1）式（1）中，V为振动速度，cm/s；f为质点振动频率，Hz；K为修正系数；R为爆心距，m；A为衰减系数；Q为单段最大起爆药量，kg。2.3喷射混凝土空洞控制技术喷射混凝土层空洞作为隧道工程主要病害之一，严重影响支护结构的稳定性，其产生原因主要有围岩完整性差、隧道爆破施工振动效应影响和初期支护结构施工不到位三个方面。山区隧道岩体受到侵蚀和风化等因素的影响导致岩溶、裂隙和节理的存在，增加了空洞现象出现的可能性，因此地质勘探结果对于爆破参数设计具有重要参考价值，为衬砌结构设计、喷射混凝土层厚度设计提供计算依据，因此专业的地质勘探对于隧道施工意义重大。爆破开挖需要专业的作业人员，合理布设炮孔位置和设计爆破参数，减少隧道超欠挖，降低保留岩体的损伤程度，严格控制周边孔爆破质量，对于超挖严重位置和破碎带应注浆处理。初期支护结构的喷射混凝土层发挥柔性作用将钢拱架和保留岩体连接为一个整体，提高支护结构稳定性，施工时严格控制其质量，减少喷射混凝土层施工不达标造成空洞的情况。3振动安全控制技术爆破振动危害是隧道初期支护结构喷射混凝土层需要考虑的安全因素和预防的重要问题之一，通过合理的安全振动控制施工技术和爆破参数设计可以有效减小振动对支护结构的危害效应。根据应力波传播的三要素振动源、传播介质、结构自身力学性质，考虑振动安全控制施工技术，其中传播介质通常为保留岩体，即可从爆破参数设计、应力波介质传播规律和支护机构力学性质三个方面考虑。3.1爆破参数设计隧道爆破振动监测作为隧道爆破施工安全控制的常用手段，监测位置如图3所示。喷射混凝土层时间振速曲线作为常用的评价参数，结合现有理论基础建立符合隧道工程地质条件下爆破施工方案的安全振速预测模型。根据隧道不同位置爆破振动预测理论公式预测近区喷射混凝土层的振速，结合现场的破坏程度判断结构是否安全，以此为依据调整爆破参数。图3炮振动监测布设示意图爆破参数设计中掏槽爆破是振动响应最为显著的，掏槽爆破时只有唯一自由面导致围岩夹制作用大，爆破振动监测结果显示同一爆心距处不同位置的喷射混凝土层振动速率值均呈现最大值。文章建议采用楔形掏槽爆破方式，增加爆破数量，减少单孔装药线密度，布设解炮孔和空孔，以此减少岩体的夹制力，把爆破振动对支护结构的影响控制在安全阈值范围之内。分段延时起爆技术在隧道爆破施工中普遍使用，单段起爆药量决定应力波的初始能量，初始能量越小，影响程度越小，同时要考虑爆破效果和施工效率，即群孔分段起爆技术应用也是爆破振动的有效手段。文章中掏槽孔起爆分为两段，保证开挖效果的同时大幅度减少掏槽孔的单段起爆药量，周边孔与底孔分段起爆，减少围岩的损伤和超欠挖，对减少喷射混凝土层出现空洞现象具有重要意义，实验段上台阶起爆顺序和药量见表1。表1爆破参数炮孔类型倾斜角度（）孔深（m）炮孔间距（m）装药线密度（kg/m）起爆顺序掏槽孔 1503.60.650.501 段掏槽孔 2603.90.650.653 段解炮孔903.20.800.703 段辅助孔 1703.40.900.505 段辅助孔 2753.40.900.507 段辅助孔 3803.40.850.459 段周边孔863.30.450.2511 段底孔903.20.900.5013 段3.2应力波传播过程合理控制段间的延期时间，根据不同起爆段类型炮孔间距、起爆药量及围岩的力学性质确定延期时间，合962024 年 1 月第 3 卷第 2 期现 代 工 程 科 技96理利用应力波的干扰相消机理，减少应力波在喷射混凝土层的叠加，从而降低爆破振动的影响。周边孔爆破减小装药线密度，减小炮孔间距，使得更多能量在掌子面破岩时消耗，适当设置减振孔。3.3支护结构施工技术合理确定初期支护结构与爆破作业掌子面的距离，在确保围岩安全稳定性的前提下可增大初期支护结构到掌子面的距离，文章建议控制在0.250.50m。喷射混凝土层作为初期支护结构的重要组成部分，与钢拱架共同维持围岩的稳定性，钢拱架之间设置钢筋网片增强与喷射混凝土层的整体性，有利于提高抗拉破坏能力。相比普通商用混凝土，喷射混凝土的组成材料中添加了速凝剂和早强剂，在不影响施工效率和施工成本的情况下应尽可能提升初喷混凝土抗拉强度，所以要合理控制支护结构的完成时间。4结语文章依托瑶里隧道工程研究爆破荷载作用下喷射混凝土层的振动响应特性及安全振动控制技术，综合考虑振动速度、频率、爆心距和单段起爆药量等因素建立振动预测模型，确定爆破近区喷射混凝土层的振速阈值为10cm/s，给出初期支护结构的安全距离为0.5m。从不良地质条件处理、隧道爆破施工振动效应控制和初期支护施工技术和空洞预防技术等方面提出施工建议，对提高隧道爆破开挖施工效率、控制施工安全和成本具有工程实践意义。参考文献1 杨建华,黄启欢,姚池,等.空洞对隧道喷射混凝土爆破振动特性及安全评价的影响研究J.岩土力学,2022,43(5):1401-1411.2 唐先习,张春洋,王要武,等.爆破振动下隧道初支混凝土振速衰减规律J.工程爆破,2022,28(6):42-50.3 曹峰,凌同华,张胜.考虑应力波透射影响的公路隧道爆破振动速度安全阈值J.振动与冲击,2020,39(23):154-159.4 宗琦,吴捷豪,马梽清.爆破动载对不同龄期混凝土支护体影响的数值模拟J.煤矿安全,2018,49(3):52-55.5 彭宇峰,单仁亮,宋永威,等.隧道爆破引起喷射混凝土累积损伤研究J.混凝土,2020(8):61-66.6 单仁亮,黄博,耿慧辉,等.爆破动载作用下新喷射混凝土累积损伤效应的模型实验J.爆炸与冲击,2016,36(3):289-296.7 徐芳妹,陈士海,吴建,等.地下工程喷射混凝土爆破振动安全标准研究J.工程爆破,2014,20(5):32-36.8 谢江峰,李夕兵,宫凤强,等.隧道爆破震动对新喷混凝土的累积损伤计算J.中国安全科学学报,2012,22(6):118-123.