爆破作用下隧道支护结构振动安全控制技术研究.pdf

57现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 1 期2024 年 1 月Vol.3 No.1Jan.2024爆破作用下隧道支护结构振动安全控制技术研究王 虎中铁十七局集团城市建设有限公司，贵州贵阳550025摘要：隧道开挖采用钻爆法具有经济高效的特点。随着交通的快速发展，新建隧道断面越来越大，掏槽段起爆药量增加，爆破作用下隧道支护结构的振动显著。爆破振动传播规律、支护结构振动响应特性和振动安全控制是隧道爆破安全高效施工的热点研究问题。依托瑶里隧道开展支护结构现场爆破振动监测试验，分析掏槽爆破作用下大断面隧道支护结构的振动响应特征，优化掏槽爆破参数，提出安全合理的振速阈值，研究支护结构振动安全控制技术和高效穿越的爆破开挖方法，以指导现场工程应用。关键词：大断面隧道；掏槽爆破；支护结构；振动安全控制中图分类号：U455.7 文献标识码：AResearch on Vibration Safety Control Technology of Tunnel Support Structure under Blasting ActionWang HuChina Railway 17th Bureau Group Urban Construction Co.,Ltd.,Guiyang,Guizhou 550025Abstract:The use of drilling and blasting method in tunnel excavation has the characteristics of economy and efficiency.With the rapid development of transportation,the cross-section of newly built tunnels is getting larger and larger,and the amount of explosive in the excavation section is increasing.The vibration of the tunnel support structure under the blasting effect is significant.The propagation law of blasting vibration,the vibration response characteristics of support structures,and vibration safety control are hot research issues in the safe and efficient construction of tunnel blasting.Based on the Yaoli Tunnel,on-site blasting vibration monitoring tests were carried out on the support structure to analyze the vibration response characteristics of the large-section tunnel support structure under the action of cut blasting,optimize the cut blasting parameters,propose safe and reasonable vibration speed thresholds,study the vibration safety control technology of the support structure and efficient blasting excavation methods for crossing,and guide on-site engineering applications.Keywords:large cross-section tunnel;excavation blasting;support structure;vibration 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。随着我国经济的快速增长，交通网络日益完善，山区高速公路需要建设大量隧道工程，新建隧道通常以三车道、四车道等大断面隧道为主。钻爆法是大断面隧道常用的开挖方法，可节约大量的人力和施工成本，但炸药爆炸破岩产生的应力波对隧道支护结构稳定性具有较大影响，存在支护结构喷射混凝土脱落情况，严重时导致支护结构钢拱架变形甚至倒塌，因此研究隧道爆破振动安全控制技术对隧道的安全高效穿越施工具有重要指导意义。爆破振动控制作为隧道爆破安全高效开挖的研究热点问题，前人采用理论分析、现场试验和数值模拟相结合的方式开展了诸多研究。王泰恒等人1通过数值模拟和现场监测试验分析不同围岩等级、爆破荷载等因素作用下隧道支护结构的振速和位移等动力响应特征及规律。徐昊等人2采用数值模拟研究不同爆破开挖施工技术对支护结构的振动响应规律，分析爆破振动应力波传播规律，以及支护结构的振速和应力响应规律，给出最大振速危险点。肖明清等人3开展隧道支护结构安全性分析，考虑爆破振动对支护结构混凝土的拉裂破坏和胶结面的拉应力破坏，研究爆炸应力波对支护结构的累积损伤，给出合理的安全评价方法并指导现场施工。马伟斌4梳理总结了钻爆法的发展历程及基本理论和方法，结合隧道施工技术阐述详细的关键步骤以及未来面临的挑战。李建高等人5考虑地应力影响，从施工技术、爆破参数设计、支护结构安全及监测等多方面研究深埋隧道的综合防治技术。罗驰等人6采用振动应变测试试验分析爆破对支护结构的扰动情况，研究爆破近区的隧道支护结构的动力响应特性，基于应变与振速的相关关582024 年 1 月第 3 卷第 1 期现 代 工 程 科 技58系给出确定隧道结构振速的方法。刘敏等人7采用有限元模拟方法研究爆破荷载作用下小净距隧道支护结构的动力响应情况，分析应力波扰动下支护结构的稳定性特征。现有研究成果主要集中于不同地质情况和施工工况下爆炸应力对支护结构的动力响应特征，掏槽爆破是引起支护结构振动的关键因素。本文结合现场试验合理布设掏槽孔位置和优化爆破参数，给出大断面隧道爆破开挖安全高效的施工技术，对工程实践具有重要参考 意义。1工程概况本文依托剑河至黎平高速公路瑶里隧道工程，研究隧道爆破荷载作用下支护结构的振动安全控制技术，爆破参数及方案优化，作为爆破振动控制方法之一，楔形掏槽爆破时支护结构振动最为强烈。本文基于掏槽爆破机理提出适用于瑶里隧道爆破施工的掏槽方案及参数设计，结合现场爆破振动监测试验验证分级楔形掏槽爆破方案的可行性，并指导现场工程实践。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掏槽爆破振动控制技术2.1楔形掏槽孔布设方案在大断面隧道中掏槽爆破具有诸多优势8，合理布设掏槽孔数量和位置可为后续辅助孔起爆创造自由面，改变岩体应力场，充分发挥应力波的反射拉伸和剪切作用，此外还可以减少炸药用量和辅助孔布设数量。掏槽孔通常成对布设，利用应力波叠加机理提升掌子面中心破岩效果，根据掏槽孔与掌子面的角度分为垂直掏槽和楔形掏槽两种类型。垂直掏槽施工技术简单方便、夹制作用小，但适用范围较小；楔形掏槽便于创造理想自由面、爆破效果好、经济效益高。采用传统楔形掏槽爆破方式，随着隧道断面增大，掏槽孔布设数量增多，掏槽孔布设方式的单段起爆药量增大，爆破振动对支护结构安全和稳定影响显著，对隧道安全高效施工存在安全隐患。因此在施工中采用多级楔形掏槽孔布设的方式分两排布设掏槽孔，布设情况如图1所示。图1两级楔形掏槽孔布设图将掏槽孔外推解放了掌子面中心，减少了单段起爆药量和辅助孔布设数量，实现了逐段起爆减振，达到了降低振动对支护结构影响的效果，同时有利于提高施工效率和节约施工成本。2.2爆破参数优化爆破开挖中，根据作用和布设位置炮孔分为掏槽孔、辅助孔、周边孔、解炮孔和底孔，本文主要讨论掏槽孔、辅助孔和周边孔，实验段详细爆破参数见表1，施工现场见图2。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50/604.30.650.50 0.651、3 段辅助孔753.00.900.45 0.505、7、9 段周边孔874.200.45 0.500.25 0.2911 段 （a）周边孔 （b）掏槽孔和辅助孔图2炮孔布设图2.2.1楔形掏槽参数图1中楔形掏槽分为两段起爆，主楔形掏槽孔第一段起爆时掌子面为自由面，围岩夹制作用大，为确保形成槽腔主楔形掏槽角度要求小于二级楔形掏槽角度，主楔形掏槽和二级楔形掏槽角度分别为50和60。59王 虎：爆破作用下隧道支护结构振动安全控制技术研究建造科技单段起爆药量是影响爆破振动速度、频率和持续时间的主要因素，现场作业合理布置楔形掏槽孔的数量、位置和起爆顺序是有效控制爆破振动的关键施工技术，本文楔形掏槽孔为7对，主楔形掏槽孔3对，起爆后形成的爆破漏斗为二级楔形孔起爆提供了自由面。楔形掏槽分段起爆后结构振动速度减小，频率增大且远大于支护结构自振频率后，有效避免了发生共振。2.2.2辅助孔爆破参数辅助孔继掏槽孔起爆后进一步扩大掏槽腔体积和自由面面积，提升破岩效果，有利于克服围岩夹制作用，为周边孔起爆提供良好基础条件。按照传统小断面隧道爆破方式布设，辅助孔数量多，施工效率低，2.1中采用两级楔形掏槽孔并外推掏槽孔布设位置，有效减少掏槽孔布设数量，掏槽孔布设可适当增加孔间距、增大单孔药量，分区域施工互不影响，多台钻机同时施工可有效提高施工效率。2.2.3周边孔爆破参数周边孔爆破破岩同时形成良好的隧道轮廓线，是控制隧道超欠挖的关键施工步骤。合理地布设周边孔位置和设计爆破参数可有效降低爆破对保留岩体的损伤程度，减少超欠挖深度，节约出渣时间和降低喷射混凝土超耗率，控制施工成本。此外，隧道轮廓线质量好坏对支护结构的安全稳定性具有重大影响。周边孔沿隧道轮廓线布设，其孔间距、装药结构、装药量和外插角等参数需要严格控制。孔间距取值偏大时相邻炮孔间应力叠加不充分，难以形成连线导致隧道轮廓线不平整，孔间距偏小时炮孔数量增多，施工效率降低，即需要根据地质情况确定孔间距，孔间距确定为4550cm。装药结构通常分为连续装药和间隔装药，本文选择爆轰压力小、作用持续时间长的间隔装药方式，起爆方式为孔底延时雷管起爆，间隔的分段炸药采用导爆索连接，相当于设置多个起爆点，孔壁压力均匀。装药线密度对超欠挖具有显著影响，本文选定间隔装药线密度为0.250.29kg/m。3爆破振动监测试验爆破产生的地震波在岩石中传播到支护结构时以应力波方式作用在支护结构上，支护结构产生动力响应，相应的特征通常采用检波传感器采集的振动速度、频率和时间表示。本次试验主要采集掏槽爆破作业时不同爆心距处支护结构拱腰的振动数据。3.1振动监测方案关于检波器的选择需要考虑振动频率的监测范围，避免造成监测数据错误。依托合理的监测方案采集有效的数据，可以正确反映掏槽爆破作用下支护结构的动力响应特征。遵循测点布设在支护结构最容易发生破坏位置处的原则选择左拱脚为监测位置，距掌子面10m开始沿着拱脚间隔8m布设5个测点，测点布设示意图见图3。图3爆破振动测点图3.2振动结果分析根据信号分析处理方法，不考虑不规律振动波形图的尾端部分，具体数据见表2，得到爆破振动持续时间范围为0.580.73s，5个测点的最大振速值出现在主楔形掏槽和二级掏槽爆破时间段，振速值小于7对掏槽孔起爆时的振速，表明了分两级楔形掏槽对控制爆破振动是有效的，5个测点振速和频率变化规律如图4所示。表2拱脚不同爆心距振动测试数据测点爆心距 R/m最大振速/(cm/s)频率/Hz持续时间/s1108.53126.870.582186.15103.460.663263.3689.350.674342.4873.250.735420.3648.630.73（a）振速602024 年 1 月第 3 卷第 1 期现 代 工 程 科 技60（b）频率图4爆破振动响应规律图由图4可知最大振速值和振动频率随着爆心距增大而减小，振动持续时间随着爆心距增大呈现增大趋势，距掌子面越远爆破振速越小，振动持续时间长，结构通过安全振动消除爆破带来的不利影响。当距离掌子面42m时最大振速值为0.36cm/s，处于安全阈值之内，且现场未发现任何支护结构变形、喷射混凝土脱落的情况。4结语本文依托瑶里隧道工程优化爆破参数，采用多级楔形掏槽孔布设的方式分两排布设7对掏槽孔，掏槽孔外推减少了单段起爆药量和辅助孔布设数量，实现了逐段起爆减振，确保安全的同时提高了施工效率。距掌子面10m开始沿着拱脚间隔8m布设5个测点开展支护结构现场爆破振动监测试验，分析掏槽爆破作用下大断面隧道支护结构的振动响应特征，距掌子面42m时结构振速处于规范安全阈值之内，且现场支护结构未发生任何破坏，对隧道爆破安全高效开挖技术的发展具有参考 价值。参考文献1 王泰恒,蒋新闻,陈猛,等.爆破冲击下隧道初期支护动态响应仿真分析J.工业技术创新,2023,10(5):12-18.2 徐昊,何如,李栋伟,等.预留核心土法爆破开挖下隧道初期支护动力响应特性J/OL.爆破,2023-10-19.http:/ 肖明清,徐晨,谢壁婷,等.高速铁路钻爆法隧道分序支护设计技术研究J.隧道建设(中英文),2023,43(3):369-382.4 马伟斌.铁路山岭隧道钻爆法关键技术发展及展望J.铁道学报,2022,44(3):64-85.5 李建高,唐泽林.深埋隧道岩爆特征分析与综合防治技术以成兰铁路平安隧道为例J.隧道建设(中英文),2020,40(12):1781-1790.6 罗驰,杨新安,李坤,等.隧道近区爆破振动动应变测试及其应用J.振动与冲击,2020,39(2):262-268.7 刘敏,刘远鹏,张卫中,等.爆破振动对小净距隧道群支护结构稳定性的影响J.科学技术与工程,2019,19(20):322-327.8 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