地铁隧道爆破开挖与振动控制施工技术
摘 要：洞身地质为岩体的隧道目前主要采用矿山法爆破开挖施工，而城市地铁隧道往往修建于人口密集街区，隧道埋深浅，且周边建筑物密集、地下管线复杂，如何进行爆破开挖与振动控制成为地市地铁爆破施工的关键。分析了爆破产生破坏的机理、爆破地震波的形成和特征，结合工程实践，从爆破设计中炮眼布置、装药量、振速等的计算方法、施工过程中的控制，阐述了城市地铁隧道爆破开挖与振动控制技术要点。
关键词：地铁隧道；爆破开挖；振动控制；施工技术
1 工程概况
由中铁八局集团昆明铁路建设有限公司承建的青岛地铁3号线一期工程13 标段，共有两站两区间，分别为李村站———君峰路站区间、君峰路车站、君峰路站———西流庄站区间、西流庄车站。李君区间为并行单洞单线隧道，暗挖段区间长 782.687m，单洞长度1562.374m；君西区间为并行单洞单线隧道，暗挖段区间长784.401m，单洞长度 1568.802m。
区间隧道由于隧道埋深浅，管线多，特别是李君区间建筑物密集，部分侧穿，部分贴穿，并有纵向管线通过，隧道拱顶埋深11～28m，洞身穿越地层以中等———微风化花岗岩为主，采用喷锚构筑法施工。施工前对周边影响范围内的建（构） 筑物、地下管线现状，进行了相应评估，根据周边环境要求须做好爆破开挖控制，同时应进行振动速度的量测和控制，采取措施确保建筑物及管线在爆破震动作用下的安全，因此该区间隧道爆破开挖与振动控制是隧道安全施工中的重点。
2 爆破产生破坏的机理
2.1 爆破产生的破坏和扰动
爆破对隧道围岩的扰动破坏，一般可分为两种情况，即爆破的直接破坏区和扰动区。钻爆施工时，炸药的能量瞬时释放，接近爆破一定距离内，爆破能量对介质的作用为非弹性作用，在这个区域内，在冲击波和爆炸气体生成物高温高压直接作用下，出现不等的碎圈和松动圈。稍远处伴随着冲击波面在介质中产生应力波和地震波，其中一部分能量转换为地震波，另一部分能量转换为空气冲击波，对围岩产生扰动破坏，这就形成了围岩的松动范围。
爆破引起的爆破地震效应、冲击波超压与爆破噪声、爆破毒气等副效应被合称为爆破三害。爆破振动相对冲击波超压、爆破噪声影响范围更广，因而城市爆破施工对周边环境的影响主要是爆破振动对建（ 构） 筑物、地下管道带来的影响，核心问题是采用计算与试验相结合的方法进行爆破振速控制。
2.2 爆破震动的安全数据
1）根据《爆破安全规程》爆破振动安全允许范围标准见表 1。
实际应用时，每个工程都会结合具体情况作出相应的安全规定，如李君区间设计爆破振速控制标准：1.5～2cm/s，（在两隧道开挖净距小于6m，紧邻已成永久结构时施工应根据具体情况确定）。
2）在地表有建（构） 筑物的特殊地段的爆破，爆破宜进行特殊设计，在爆破时应对需要重点保护的建筑物和管线进行监测，根据爆破监测数据，调整爆破参数，以确保建筑物和管线的安全。
3）对于临近居民的浅埋隧道 ，为避免爆破振动和噪声而扰民，一般振动速度应控制在1.5cm/s，而且应在白天爆破。如李区间贴穿房屋段振动速度按控制1.5cm/s 控制，并在白天进行爆破。
2.2 爆破地震波的形成及特征
炸药在岩（土） 体中爆炸时，一部分能量对炸药周围的介质引起扰动，并以波动形式向外传播。通常认为，在爆炸近区（药包半径的10～15 倍）传播的是冲击波。在中区（药包半径的 15～150倍） 爆炸冲击波转化为应力波，当应力波继续向外传播时，波的强度进一步衰减，其作用只能引起质点做弹性震动，而不会引起岩石破坏，这种波称为弹性波，即为爆破地震波。地震波是一种弹性波，它包含在介质内部传播的体波和沿地面传播的面波。爆破过程中造成岩石破裂的主要原因是体波的作用，而造成爆破地震 破坏的主要原因是面波的作用。
描述爆破地震波的特征一般用振幅、频率。地震波的振幅在一个完整的波形图中是不相同的，它随时间而变化。由于主震相的振幅大，作用时间长。因此主震相中的最大振幅是表征地震波的主要参数，是振动强度的标志。频率或周期一般用最大振幅所对应的一个波的周期作为地震波的参数，频率为周期的倒数。
2.3 爆破衰减规律
爆破震动，有时称为爆破地面运动，它是由爆源释放出来的地震波引起的地表附近介质质点的振动。用以表示质点振动的参量有位移、速度、加速度和频率。爆破地震效应是一个比较复杂的问题，它受多种因素的影响，如爆源的位置、装药量、爆破方式、传播介质和局部场地条件等，同时还与地基特性和约束条件以及施工质量等因素有关。影响爆破震动强度的因素较多，最主要的有：药量，包括总药量和最大段齐发爆破药量；距离，亦即从爆心到结构点的水平距离。此外还应考虑场地的几何形态、地质条件、岩性特征等因素，一般用场地系数加入到速度与药量、距离的关系中一并考虑。表征其大小用可采用萨道夫斯基公式表达（K、α 取值推荐见表 2）：
式中:Q———炸药量（kg），单段爆破炸药量；R———测点至爆源的距离（m）；V———地震安全振动速度（cm/s）；K———与爆破点地形、地质等条件有关的系数；α———衰减指数。K、α 值可通过试验爆破及振动观测直接得出或通过手头资料选取或工程类比确定。
由公式可知，质量爆破的振动强度与一次爆破的炸药量和距爆源的距离有关。
由于爆炸地震动效应只存在于介质的弹性传播范围内，所以通常该公式只适用距离爆源5～3000m的范围内，不可以向两端无限延长。
3控制爆破振动的隧道爆破技术
控制爆破振动的隧道爆破技术通常也称微振动爆破技术，尤其是城市隧道，为了保证安全，除了控制地表沉降、围岩变形稳定外，还需控制由于爆破而产生的地震动效应对地表建筑物、地下构筑物及沟槽管洞等的影响，必须采用综合措施才能达到较理想的效果。可采用合理的开挖工法，使用低爆速炸药，毫秒雷管微差爆破，改善装药结构，以及最重要的控制爆破数据，控制每循环进尺等措施，实践证明都是行之有效的。
还要重点强调的是，隧道微振动爆破时，通常不对一次装药量的多少进行控制，而是对同时起爆的同段药量进行控制，对较弱围岩来说尤其是极为重要的。依据工程对象的爆破振动速度安全标准设计装药量，并对振动速度全程监控。
4 开挖方案的确定
应根据结构断面形状和大小、环境及埋深情况、选择开挖方式、尽可能地使主体开挖爆破有较多的临空面。控制循环进尺大小，循环进尺不宜过大，单线区间隧道一般应控制在1～2m，最大也不应超过3m。车站根据分层开挖情况确定进尺大小。每个循环要仔细计算出每次爆破允许一段的最大药量。
李君区间隧道Ⅱ、Ⅲ级围段设计采用全断面开挖，由于附近建筑较多，实际施工中采用上下台阶分部开挖方式，Ⅱ、Ⅲ级围岩循环进尺控制在 1.5 m 以内，Ⅳ、Ⅴ级围控制在 1.0 m 以内，按萨道夫斯基公式每个循环要仔细计算出每次爆破允许一段的最大药量，如在贴穿一幢房屋时，该幢房房屋处隧道最小埋深 23m，取R=23m，V=1.5cm/s，K=200，α=1.8，代入萨道夫斯基公式：
计算得每次爆破允许一段的最大药量 Q=5.5kg。施工中按单段装药量不超过 3.41kg 进行爆破设计和试验，实测振速均小于1.5cm/s，满足要求。
5 钻爆设计要点
钻爆设计应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻具和爆破材料等综合进行钻爆设计，结合现场实施来调整钻爆参数，达到安全、合理、经济的爆破效果。其爆破参数的选定最好实地试验确定，也可参考有关光爆和预裂爆破的相关资料选定。
5.1 爆破参数设计原则为：多打眼、少装药、多分段，严格控制地震振速，装药试爆不少于 3 次，以振动监测实测数据调整同段最大装药量。
5.2 爆破设计必须重视炮眼（掏槽眼、辅助眼、周边眼）的布置、数目、深度和角度、爆破器材、装药量的计算和装药结构、起爆方法和起爆顺序。
5.3 炮眼布置应符合下列规定
掏槽眼可依围岩情况来选定直眼掏槽、中空直眼和斜眼掏槽，尤其是坚硬、整体性较好围岩宜选用中空直眼或斜眼楔形掏槽。
周边眼应依隧道开挖轮廓布置，顺帮打眼，并注意外扦角1°～3° ，以保证开挖断面符合设计要求。
辅助炮眼在掏槽和周边眼之间交错梅花状均匀布置，爆出的块体需满足装载要求。
周边与辅助眼的眼底应在同一垂直面上，而掏槽眼应加深10cm，以保证爆破效果。
5.4 爆破设计中主要参数的计算
爆破中每一循环用量的计算公式为Q=q×S×L（kg），式中q ———爆破每 1m3岩石用药量（kg/m3） 可按有关资料选用；S———需开挖爆破面积（m2）；L———炮眼深度（m），以掏槽炮眼深度为准。
一般情况下掏槽炮眼用药量占总用药量的30%～35%，而周边和辅助眼用药量占 45%～70%，并且单位用药量与围岩断面大小、眼深、炮眼直径、装药方式和密度及炮眼利用率有关。一般说来，同一地层断面大，单位用药少，反之则大。
炮眼数目的计算：标准直径的炮眼数目N=qs/r，式中N ———炮眼数目（个）；q ———单位炸药消耗量（kg/m3）; s ———开挖断面积（m2）；r ———每米炮眼长度装药量（kg）。不同的炸药每米用量是不同的。地铁暗挖区间隧道施工炮眼的深度一般按按循环进尺决定：L=（1.1～1.2）L0，L———炮眼深度（m），L0———循环进尺。
5.5 光面爆破的重要性和注意点。从技术角度来讲,毛洞轮廓与初支外轮廓一致并密贴,使之接通合理,共轴受力好,不易出现局部应力集中而致使初支和二衬在切向应力作用下出现拉剪裂纹致使应力重分配致使结构失稳,这就保证了结构的稳定。从经济效益来说,减少了超挖量,从而也减少施工数量和出渣进料的运输成本,从而也获得较好的经济效益。光面爆破的参数应根据工程类比法或通过爆破实验来确定爆破参数。
周边炮眼应按下列要求施工:
开挖轮廓线的炮眼间距误差宜小于50mm；炮眼外偏斜率不应大于50mm，深度误差不宜大于 100mm，比掏槽眼浅 100mm，内圈眼的孔深大于2.5m 时，内圈眼的斜率应与周边眼相同。
光爆应采用毫秒起爆方式，当雷管分段毫秒差小造成振动波峰叠加时应挑选使用。
周边眼应采用低密度、低爆速、低猛度、高爆力的炸药，并应采用毫秒雷管或导爆索同时起爆。当炸药用量较多，对围岩振动较大时，可分段起爆。周边眼宜采用小药卷连续装药结构或间隔装药结构。
光爆的质量要求：眼痕率（炮眼眼痕大于孔长的 70%的炮眼个数与不含底板的周边眼总数之比） 硬岩不应小于 80%，中硬岩不应小于50%，软岩中隧道周边应符合设计轮廓，岩石不应有明显的爆震裂缝，隧道周边不应欠挖，平均线性超挖值应小于50mm。
5.6 预裂爆破。预裂爆破应为光爆的一种特例，只是当隧道埋深浅或上部有工民建、地下构筑物、沟管槽洞等时，为了减少爆破对其扰动或破坏而采取预裂孔增加临空面减少爆破力的一种措施。
6 爆破开挖过程控制
6.1 爆破开挖前，必须根据开挖段围岩和结构断面的实际情况编制详细的钻爆设计，并报监理工程师批准后实施。钻爆设计的主要内容包括炮眼布置、数目、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法和爆破顺序等。
6.2 做好技术交底，严格按爆破设计和试验调整的炮孔布置和参数进行钻孔、分段装药和爆破，加强工序检查。开挖面尺寸必须符合设计要求，开挖轮廓线要加强控制。
6.3 提高钻眼精度、控制装药量、提高作业人员技术水平，一方面必须按设计要求预留足够的变形量，避免侵限，另一方面应尽量减少隧道的超挖，或将超挖控制在允许值以内。
6.4 施工期间要做好超前预报、净空量测、地质核对和描述，并做好信息反馈，及时修正爆破参数、支护结构参数，做到信息化施工。
6.5 开挖断面应以衬砌轮廓线为基准，考虑预留变形量，测量贯通误差和施工误差等因素，并适当放大。预留变形量可依围岩级别、结构宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件采用工程类比法确定。允许施工误差宜控制在±5cm。
6.6爆破人员应按爆破设计图表及说明严格施工，并根据爆破效果和监测结果，及时修正有关参数,以达到理想的爆破效果，尽量降低爆破振动。
6.7 注意爆破施工安全。对爆破位置需采取必要的防护措施，爆破安全警戒距离必须达到爆破安全规程的有关要求。每次爆破前30 分钟进行安全警戒，警戒范围内的一切人员必须全部撤离。在通往爆区所有通道的警戒范围线上设立警戒点。每次爆破应依次发出预告信号、起爆信号和解除警戒信号并严格按照信号控制人员警戒。每次爆破后应进行爆破后安全检查，如果发现危石、盲炮等现象应及时处理，未处理前应在现场设立危险警告或标志。
7 结论
在城市地铁爆破施工中，控制爆破振动非常重要，须根据围岩条件、开挖方法、断面大小等设计针对性的爆破开挖方案，根据振速控制标准，进行细部的爆破设计，爆破炮眼布置、装药量、起爆时间和顺序等，在实施过程中，加强关键环节和细节过程控制，并做好监控量测和安全防护工作，根据监测信息及时调整爆破参数，就能有效做好爆破开挖与振动控制，确保爆破施工和周边环境的安全。
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