摘  要:研究目的:以青岛地铁 3 号线试验段工程为背景，通过对隧道掘进向地表振动速度检测试验，得到浅埋隧道开挖爆破不同作用类型炮孔引起的地表振动特性及其衰减规律，并在不降低循环进尺的前提下，提出有效的降振措施。

      研究结论:开挖掌子面上不同的炮孔爆破类型其衰减规律有所不同，随着爆破起爆段别的增加，衰减公式中的 K 值逐渐递减，α 基本保持不变; 根据 K、α 值的变化规律和影响因素，采取了增加中心孔优化掏槽方案、调整起爆顺序、减轻爆破夹制作用的措施，爆破振动降低到 1． 5 cm/s 以下。

关键词:地铁隧道; 掘进爆破; 爆破振动; 矢量合速度

 

      青岛地铁 3 号线试验段 K 14 +592． 920 ～ K 15 +950． 725( 保儿站—河西站) 选取了地质条件具有代表性的区段，隧道穿越地层为Ⅱ ～ Ⅵ级围岩，除Ⅵ级围岩采用人工开挖外，其余采取爆破开挖的方式，Ⅱ ～ Ⅳ级围岩采用全断面开挖，Ⅴ级围岩采用台阶法进行开挖。线路为双洞单线布设，黑龙江南路西侧自南向北行进，区间隧道沿线西侧主要为青岛市果品批发市场、河西村小学、青岛市交通局交通稽查站、青岛新港报关职业学校、以及一些二三层砖混结构房屋; 东侧为交通繁忙的黑龙江南路，同时存在大量的地下管沟和管线。爆破施工中要对爆破振动进行严格控制，设计要求振动速度控制在 15 mm/s 以内。

      目前，控制隧道爆破开挖引起地表振动速度的方法常用的为实测反馈设计法和萨道夫斯基公式预测法^{［1 －2］}。可以采取的措施有许多，如文献［3］采用了减振孔的方式，即在周边孔外侧打一圈间距 25 cm 的密集孔，将隧道周边断面预切断 30% ～ 60%，来达到减振的目的。文献［4］采取了分部、分台阶、短进尺、多次装药爆破技术，降低单次爆破起爆药量达到降低振动速度。这些方法实施可以很好地达到减振的目的，但在成本控制、进度控制上受到很大限制。而在实际中我们发现，单纯的使用萨道夫斯基公式进行计算存在偏差，同样的药量，不同的孔位产生的振动有所不同，因此爆破振动和炮孔的类型、位置有很大的关系，要区别对待，掌握其规律对方案优化有很大的好处。文献［5］测量掘进爆破引起的不同位置处的地表振动速度波形及其变化规律，认为掏槽孔爆破产生的地震效应最强烈，辅助孔、崩落孔和周边孔爆破引起的地表振动速度并不总是随着其单段装药量的增加而增大，但具体规律未提出。

     本文以青岛地铁 3 号线试验段工程为背景，通过对实测地表爆破振动数据的分析，研究了掌子面上不同类型的炮孔爆破振动衰减规律以及与爆破参数之间的关系，进而在不降低循环进尺的前提下，提出了有效的降振措施，并进行了分析。

 

      隧道断面为马蹄形，断面面积30．75 m²，埋深22 m，采取全断面方式爆破开挖，每循环进尺 2 m。采用楔形掏槽的方式，起爆雷管采用 1 段、3 段、5 段、7 段和9 段，具体的炮孔布置和起爆顺序如图 1 所示。全断面爆破共用 72 kg 炸药，各段的药量如表 1 所示。

      先对原爆破方案进行研究，分析各类型孔的衰减规律，及其产生的原因，并在此基础上进行一些针对性的改进试验。

      爆破时在隧道掘进向正上方地表布设了 5 组振动传感器进行振动检测，测点距离开挖断面水平距离分别为 2 m、20 m、30 m、50 m 和 70 m，如图 2 所示。爆破振动记录仪可以检测地表垂直、水平径向和水平切向三个方向的爆破质点振动速度。通过分析软件可以得到 X、Y、Z 三个方向的爆破振动速度、矢量合速度和主振频率等主要参数。

      试验共进行了 3 次，每次的装药参数以及传感器布设距离基本相同，图 3 为检测得到的两个典型的振动波形。从图中可以看出，检测到的波形可以比较清晰地分辨出各段的波形参数，便于对各段振动传播规律进行分析。将各测点各段位的检测结果读取并整理如表 2 所示。

      从表 2 中可以看出，掏槽孔引起的地表振速最大，在距爆区最近的测点上振动矢量合速度达到了2． 24 cm / s，高于设计要求的 1． 5 cm / s，随着起爆段数的增加，振速逐渐减小。周边孔和底板孔药量最大，但其产生的振动速度要小于前者，因此各段的衰减规律有所不同。

      将试验结果用萨道夫斯基公式^［6］来描述，即:

                  （1）

式中 v──单个药包内部爆破质点振动速度( cm/s) ;

       Q──最大单响药量( kg) ;

       R──测点距爆心距离( m) ;

       K──介质系数，与爆破方法、爆破参数、地形及观测方法等因素有关的爆破场地系数;

       α──衰减系数，与土岩地质因素有关。

      将表 2 中的矢量合速度值数据按萨道夫斯基公式回归拟合，得到图 4 的结果。

      从图 4 中可以看出，随着段数的增加，K 值从 68 逐渐减小到26，α 值基本保持在1． 4 ～1． 6 之间。由于 K 为与爆破方法、爆破参数等因素有关的系数，分析认为随着段数的增加，爆区出现的自由面逐渐增多，药包受到的夹制作用逐渐减小，因此其 K 值也逐渐减小，到最后的周边孔时，爆破临空面已充分形成，受到的夹制作用很小，因此 K 值降到了最低。而 α 为与土岩地质因素有关，由于围岩岩性未变，所以系数 α 基本保持不变。

 

      知道了各类型孔的 K、α 值振速度和其变化规律后，在不降低循环进尺( 即降低总药量) 、保证爆破效果的前提下，可以有针对性的进行各类型炮孔的孔位、药量和起爆时差的综合优化设计，最大限度的降低爆破振动。

      从振动数据来看，最大振动出现在掏槽孔，因此需要降低掏槽孔的一次齐爆药量，根据原方案的孔位布置，在不影响爆破效果的前提下，可以将上下两个掏槽区分段起爆，但根据回归得到的 K、α 值计算，首段振动速度值仍高于设计要求。分析认为在 α 值是保持不变的情况下，可以采取降低掏槽孔 K 值的方法，即改善掏槽爆破临空面条件，减小炮孔受到的夹制作用。我们采取的措施是在楔形掏槽孔中心增加了 2 个直眼浅炮孔，调整后方案如图 5 所示，孔深为 1/2 进尺，每孔装药 0． 6 kg，通过两中心孔先爆产生一定自由面来达到减小掏槽夹制作用，降低振动。

      为了具体了解中心孔达到的效果，在隧道掌子面单独打了两个孔进行爆破，同时进行了振动检测。爆后部分岩石被抛出，掌子面出现了如图 6 虚线部分所示的锥形漏斗，体积占对应掏槽孔抛掷量的 20%，为后面的掏槽孔提供了很好的临空面，减少了夹制作用。由于 单 响 药 量 很 小，所 测 的 最 大 振 动 速 度 值 为0． 5 cm / s。

      根据文献［7］知道爆后岩体明显移动的时间 t =48 ～ 96 ms，因此要想前一段为后一段提供理想的临空面，各段之间的延迟时间最好大于 100 ms。新的方案中取消了 3 段雷管，1 段后直接采用 5 段管，这样延长了中心孔的作用时间，降低了掏槽孔受到的夹制作用，进而可以减小产生的振动。

      上下两个掏槽区虽然药量相同，但下部掏槽区先爆后( 图5 中的5 段) 为上部掏槽区( 7 段) 提供了一定的临空面，可以减小其受到的夹制作用。

      按着新的设计方案进行了多次试验，振速得到了有效的控制，拱顶正上方最大振速为1．41 cm/s，达到了设计要求。图 7 为优化后爆区最近测点的振动波形。

      从操作工艺和成本上看，调整后的方案只是增加了两个浅孔，对施工量和施工成本的影响很小，但通过中心孔爆破减压后，掏槽孔产生的振动明显下降，降幅在35% ～45%左右，使得整个工程得以安全高效进行。

 

      ( 1) 浅埋隧道掘进爆破，对不同作用类型炮孔的振动规律采取区分的方法来各自描述，进而可以采取有效的方法进行精确控制。振动衰减参数 K 值随着段数的增加逐渐减小，α 值基本保持不变，青岛地铁隧道采取全断面开挖时，振动衰减参数 K 值随着段数的增加，从 68 逐渐减小到 26，α 值在 1． 4 ～1． 6 之间。

      ( 2) 中心孔可以起到减小掏槽孔的夹制作用，改善掏槽效果，减小掏槽孔产生的振动的作用。

      ( 3) 各起爆段间的延迟时间以大于 100 ms 为宜。

      ( 4) 通过增设中心孔、改善起爆顺序、可以在不影响进度和成本的前提下，有效降低爆破振动。