城际铁路暗挖隧道爆破开挖微振动控制技术
摘 要：微振动控制爆破技术可以有效降低爆破振动，已在对爆破振动有要求的隧道中广泛采用。文章结合莞惠城际6标暗挖隧道下穿学校所采用的微振动控制爆破技术，针对如改善装药结构、优化爆破参数、控制最大一段起爆药量、采用微差起爆技术、同一断面分区分次起爆等施工技術进行改进，通过工程实践，最终显著降低了爆破振速，使爆破达到预期效果，为今后类似隧道的爆破开挖施工提供借鉴。
关键词：微振爆破；参数；控制
中图分类号：F530.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0037-03
引言
城市地铁隧道常修建在人口密集的街区，当采用矿山法爆破开挖时，除了控制地表沉降，另外一个主要问题就是控制爆破振动对地表建筑物及对人群的影响。目前我国《爆破安全规程（GB6722-2014）》仅对建筑物爆破振动安全允许标准有明确规定，但对人群的影响却没有明确规定。
莞惠城际轨道交通GZH-6标段隧道地处人口密集街区，并下穿一所小学，该段隧道爆破开挖时除了要求对学校建筑物不能产生不良影响外，还要求爆破振动不能对学生造成任何心理影响，因此要求爆破振速不超过1mm·s-1，使人感觉不到振感。
本文结合现场施工实际，并根据爆破振动产生的机理，从控制爆破能量源及控制爆破能量的传递着手，采用工程类比法、计算法及现场试验法等，取得爆破参数，进一步优化微振动控制爆破技术，最终使爆破振动达到预期效果。
1 工程概况
莞惠城际轨道交通GZH-6标段位于广东东莞市大朗镇，左线盾构隧道起讫里程为GDZK35+432.596～GDZK38+359.000。GDZK38+359.000处为盾构始发井，GDZK35+432.596处为盾构吊出井。原设计盾构机从始发井往小里程方向盾构吊出井掘进。
为了在限定工期内完成，经设计变更，采取在GDZK35+432.596吊出井往大里程始发井方向进行矿山法开挖接应盾构机，矿山法隧道施工二衬，盾构机空推不拼管片通过的方案。该段矿山法隧道埋深27～38m，地表建筑密集，交通繁忙，隧道需下穿一所小学。隧道洞身范围内主要为弱风化混合片麻岩，设计围岩等级为Ⅳ级，采用爆破开挖，要对爆破振动进行监测及控制。
2 开挖方案
隧道洞身施工遵守“弱爆破，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”的原则。在围岩开挖中主要采用光面爆破开挖，微振动爆破技术，以尽可能减轻对围岩和周围构筑物的扰动，维护围岩自身稳定性，达到良好的轮廓成形。
洞身开挖采用二台阶法开挖，开挖循环进尺根据围岩地质条件和初期支护钢架间距合理确定。上台阶长度5～8m，上台阶开挖高度约6.1m，开挖断面约52m2。下台阶开挖高度约4.2m，开挖断面约32m2，下台阶及早封闭成环。开挖完成后立即施做初期支护，二次衬砌满足隧道安全步距要求。
隧道施工爆破后及时清除开挖作业面石渣，使用挖机将石渣装在载重车上运输到井口位置，由龙门吊将渣吊入渣池，在渣池由挖机装车运出施工场地到弃渣场。
隧道内进行围岩及初期支护的变形监控量测，地表进行爆破振动速度监测，对每次爆破的监测值进行分析，及时调整爆破参数，使爆破振动达到理想效果，确保施工安全。
3 施工方法
3.1 微振动爆破原理
由岩石爆破机理可知，炸药包在岩石中爆炸，爆轰作用形成的应力波，由爆炸中心向周围传播，先是使临近药包周围的岩石产生压碎圈和破裂圈，当应力波通过破裂圈后，由于它的强度急剧衰减，只能引起岩石质点产生弹性振动，并以地震波的形式向外传播。爆破地震波传播到地表，引起地表振动，即为爆破振动。
微振动爆破的核心技术，就是根据应力波叠加原理，在等同装药量的情况下，采用毫秒延期雷管分段微差爆破，使爆破地震波的能量在时空上分散，从而降低爆破地震的强度。因此，通过利用微振动爆破技术对爆破振速进行控制，主要从炸药品种、装药结构、炮眼布置、装药量、爆破时差等爆破参数的合理确定来实施。
计算微振动爆破技术质点振动速度公式一般为萨道夫斯基公式：
本段隧道采用二台阶开挖法，经过初期多次爆破振动监测，下台阶爆破开挖时爆破振动未传到地表，所以只在上台阶开挖时进行爆破振动控制即可。
3.2 选择合适的炸药
炸药品种对炸药的爆破振速有直接影响，根据爆破理论，炸药爆轰传递效率与岩石波阻抗和炸药波阻抗有着直接的关系。炸药波阻抗和岩石波阻抗匹配系数β接近1，即可充分发挥炸药能量，又有一定的降震效果。
本段隧道爆破选用小直径2#岩石乳化炸药，密度ρ0=1.1g/cm3，爆速D=3600m/s，隧道岩体容重ρ=2.0g/cm3，纵波波速V=2500m/s。
根据公式β=ρ0·D/ρ·V，计算得β=0.792，能满足控制爆破效果需要。
3.3 优化装药结构
目前炮孔空气不耦合装药已被广泛应用于光面爆破、预裂爆破等断裂成型控制爆破工程中。在钻孔爆破中采用不耦合装药结构可以减弱爆破的强冲击荷载对炮孔壁的破坏，延长爆破压力的作用时间，比耦合装药有明显的降低爆破地震效应的作用。
为了选择合适的不耦合系数，通过多次试爆，实测爆破振速如表1所示。
经过综合比较，选择不耦合系数2.0时爆破效果最好，本隧道选用的小直径2#岩石乳化炸药直径为2.5cm，故炮眼直径选择5cm。
3.4 设计合理的爆破参数
爆破参数的合理选取是获得预期爆破效果的基本前提，必须根据具体的工程要求与目的，在优化确定爆破方案的基础上，正确设计各爆破参数。隧道光面爆破主要参数包括：周边眼间距（E）、周边眼抵抗线（W）、相对距离（E/W）、装药集中度q。这些参数可参照铁路隧道施工规范选择，见表2：
根据以上参数可以计算炮眼数量、最大一段允许装药量、总装药量等参数。
3.4.1 计算炮眼数量
式中：N-炮眼数量，不包括未装药的空眼数，个；q-单位炸药消耗量，一般取q=1.2kg/m3～2.4kg/m3，硬巖取大值，软岩取小值；s-开挖断面积，m2；ɑ-装药系数，装药长度与炮眼全长的比值，参考表3；γ-每米药卷的炸药质量，kg/m；Ф2.5cm的2#岩石乳化炸药γ=1.25。
3.4.2 计算炮眼深度
本段隧道围岩为Ⅳ级围岩，每次开挖循环进尺不大于2m，炮眼利用率为0.9。计算炮眼深度为2.2m，一般掏槽眼炮眼深度加深0.2m，故掏槽眼深度L=2.2+0.2=2.4m，辅助眼、周边眼深度取2.2m。
3.4.3 确定炮眼直径
根据确定的不耦合装药系数及炸药药卷直径，炮眼直径为5cm。
3.4.4 计算最大一段允许装药量
3.4.5 总装药量
炮眼装药量的多少是影响爆破效果的重要因素，目前多采取先用体积公式计算出一个循环的总用药量，然后按照各种类型炮眼的装药系数ɑ进行分配，再在爆破实践中加以检验与修正，直到取得良好的爆破效果为止的方法。计算总用药量的公式：
式中：QM-一个爆破循环的总用药量，kg；q-爆破每立方米岩石所需炸药的消耗量，kg/m3，Ⅳ级围岩q=1.2；l-每掘进循环的计划进尺数，m；s-开挖断面面积，m2。
本隧道每掘进循环的计划进尺数为2m，开挖断面面积为52m2。
3.5 采用微差爆破技术
在采用多排炮孔爆破时，起爆顺序及排间的延迟时间对爆破作用的影响较大，为了改善爆破效果，降低爆破地震波的危害，爆破中采用同次分段起爆方法，即在同一次爆破中将炮孔划分成不同的组别，按照一定的先后顺序依次起爆。
隧道施工炮孔起爆顺序为：掏槽孔→辅助孔→周边孔。
为了保证准确的按设计顺序起爆，采用微差爆破技术。在生产实践中，间隔时间受起爆器材各段的间隔时间制约。根据现场施工条件，选取隔段起爆间隔50ms的1～13段毫秒导爆管雷管孔内延期起爆法。各个炮眼所采用的毫秒导爆管雷管段别为：掏槽眼1、3段，辅助眼5、7、9、11段，周边眼13段。
3.6 同一断面分区分次起爆
在上台阶爆破开挖过程中，通过采用基本的微振动控制技术，可将爆破振速控制在《爆破安全规程》对建筑物爆破振动安全允许标准之内。但当隧道通过学校时，需将爆破振速进一步减小。若减少装药量，则每循环开挖进尺过小，无法满足施工工期要求。
经过试验改进，在施工中采用了将上台阶断面划分为上下两部分，先起爆下部分，再起爆上部分的分区分次起爆方法。采用此方法后爆破振速显著减小，这样既保证每循环开挖进尺，又满足隧道通过学校时爆破振速的要求。
4 爆破参数及炮眼布置图的确定
施工过程中，根据以往爆破经验，对爆破方案和参数进行选取和设计，并通过现场初期多次试爆，对采集的爆破振速等监测数据进行分析，及时对设计参数进行逐步修正，在后续的爆破中根据实际情况不断调整，通过不断的改进和实践，最终确定爆破参数见表5，炮眼布置如图1。
5 爆破效果
根据最终确定的爆破参数及技术措施，在后续爆破施工中，对爆破振速的监测未出现超标情况，实测爆破振速见表6。
爆破监测人员在现场亲身感受爆破，在不经意间未感觉有振感，对人体未产生任何心理影响，实践证明莞惠城际轨道爆破开挖所采取的爆破技术和相关措施是成功的。
6 结束语
微振动控制爆破技术是爆破降振的有效措施，施工前根据经验及理论计算确定合理的爆破开挖方案，施工中通过试验选择炸药品种，优化装药结构，调整爆破参数等细部设计，采用微差爆破技术，采取同一断面分区分次起爆来控制爆破能量源和爆破能量的传递方法，最终达到设计的降振效果。
参考文献：
[1]GB6722-2014.中华人民共和国国家标准.爆破安全规程[S].北京：中国标准出版社，2014.
[2]中华人民共和国行业标准.高速铁路隧道工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2011.
[3]王海亮.铁路工程爆破[M].北京：中国铁道出版社，2001.
[4]宋光明.爆破振动效应与减震方法的探讨[J].世界采矿快报，1999，19（1）：26-29.
[5]冯叔瑜.城市控制爆破（2版）[M].北京：中国铁道出版社，1996.
[6]顾毅成.爆破工程施工与安全[M].北京：冶金工业出版社，2004.