城市浅埋隧道正三角形掏槽爆破错峰降振研究

()文章编号:1006-7051201906-0020-07

城市浅埋隧道正三角形掏槽爆破错峰降振研究

杨家松

()中铁二局集团有限公司,成都610000

摘 要:随着城市对爆破振动效应的关注程度以及拟定控制标准越来越高的趋势,提升有效的城市爆破工程的降振措施是极为重要

的。而隧道掏槽产生最大振动的概率极大,特别是斜孔掏槽。对浅埋隧道而言,即使用先进的数码电子雷管技术,从波的相位差出发,让振动波的峰谷抵消也是十分困难的,只能实现一定程度的错峰降振,相比常规控制爆破,振速下降50%~60%。于是基于普遍采用复式掏槽研究成果,使用正三角形掏槽方法,通过差分掏槽深度、等份装药与延时错峰来实现降振。以青岛地铁8#线海底隧道陆域段的工程实践为例,在进尺1使用正三角形掏槽和非电毫秒雷管,错峰降振效果十分显著,振速最大下降7平.5m的条件下,5%,均振幅在5既保障了密集建筑的安全,又避免了信访事件发生。0%以上,

关键词:城市浅埋隧道;正三角形掏槽;错峰降振

:/中图分类号:U45 文献标志码:A 10.3969.issn.1006-7051.2019.06.004doij

trianlecutofurbanshallowtunnelg

YANGJia-song

Researchonvibrationreductionofstaeredblastininreulargggg

(,,,)ChinaRailwao.2Enineerinrouo.LtdChendu610000ChinayNggGpCg

,tisextremelmortanttopromoteeffectivevibrationreductionmeasuresforurbanblastinroects.Howeverheyipgpj,,shallowburiedtunnelsevenusindvanceddiitalelectronicdetonatortechnoloitisverifficulttocancelthepeaksgaggyydandvallesofthevibrationwavefromthephasedifferenceofthewave.Itcanonlachieveacertaindereeofeak-to-eakyygpp

:,AbstractAscitiesbecomemoreawareoftheeffectsofblastinibrationsandthetrendtowardhihercontrolstandardsitgvg

,robabilitfmaximumvibrationoccurrinintunnelexcavationisextremeliheseciallinobliueholeexcavation.Forpyogyhgpyq

,,vibrationreductioncomaredwithconventionalcontrol.Durinlastinthevibrationseeddrosb0%~60%,pgbgppy5,vibrationreductioncanbeachievedthrouhdifferentialgroovedetheualchareanddelaedpeakshift.Takinhegpqgygt,,of1.5mfootaeusineulartrianlecutoutandanon-electricmilliseconddetonatortheeffectofstaeredpeakggargggg,,,Thereforebasedontheresearchresultsoftheuniversaluseofdouble-roovinusineulartrianle-roovinethodgggrggggm

,enineerinracticeofthelandsectionoftheQindaoMetroLine8#submarinetunnelasanexamleundertheconditionggpgp

,50%.Thisnotonluaranteesthesafetfdensebuildinsbutalsoavoidstheoccurrenceoflettersandvisits.ygyog:;;Keordsurbanshallowtunnelsreulartrianlecutvibrationreductionusintaerineaksgggsgggpyw

,vibrationreductionisversinificantthemaximumvibrationseedisreducedb75%,andtheaveraeamlitudeisaboveygpygp

收稿日期:2019-11-04

)基金项目:中国中铁A类重大课题资助项目(重大2008--10

,:作者简介:杨家松(男,大学本科,教授级高级工程师,从事隧道、地下工程及工程爆破等研究。E1963-)-mials6757001@163.comyj

EnineerinlastinggBg

,():工程爆破,201925620-26

第6期

杨家松:城市浅埋隧道正三角形掏槽爆破错峰降振研究

21

城市地下工程爆破振动倍受关注,

对振动的十分苛刻,以至于在特定条件下将钻爆法变更为机械开挖,虽然这在一定程度上满足了民众诉求,可是却增加了施工的工程成本,甚至可能延误工期。近几年来众多学者围绕城市浅埋隧道施工(埋深小于开挖跨度的产生且对环境敏感的突出问题2.5倍),研究了爆破过程,取得了丰硕成果。

有些研究成果表明,无论什么形式的掏槽,振动最

大幅值发生在掏槽部位的概率最大。欧仙荣[1]孟小伟[2]、何闯等[3]围绕隧道采用复式V型掏槽、、

孔内分段和电子雷管网路,达到了错峰降振~60%的效果;邹新宽等[4

]基于复式掏槽的研究30%,采用非电雷管孔内延时,达到降振至少30%的效果;张志毅等[5

]研究了在隧道复式掏槽增加个空孔,采用高精度雷管9ms间隔错峰,实现了2

降振。

这些研究都是基于普遍使用的斜孔典型掏槽———水平楔型掏槽为前提,采用先进的电子雷管技术为主的研究成果。同样,周宜等

[6

]结合青

岛地铁50mm3螺旋形掏槽#线区间隧道,采用直孔深,使用多段非电雷管结合孔外0.8m、

孔径延时技术,成功地将距爆源在2cm/s以内;

杨家松[7]、刘思峰10.3m处的振速控制

[8]李启月等10],、等[9][及产生振动的原因从不同侧面对空直孔掏槽的机理以

、、减振技术措施、爆破参数等方面进行了较为系统的研究。

归纳前述研究成果发现,城市浅埋隧道爆破降振的研究在延时网路上,大都侧重于电子雷管或高精雷管的错峰降振研究,而在掏槽上几乎多用复式内分段装药上也未超过V型掏槽,掏槽夹角一般未超过2段,同时对分段装药在孔55°,在孔内布置方式的研究不够深入,实现的降振效果也未超过m60%,

而且在爆破循环进尺上一般也不超过新临空面设计理念。为此针对未涉及的问题,提出了正三角形掏槽方法,

基于各类研究成果,建立,创1精准的装药结构体系和延时网路系统,使用普通非电雷管,在满足快速施工的条件下,进一步开展降低掏槽区振动关键技术的攻关研究。

www.cseb.org.cn/form/xhq

k/indexframe.html11. 错峰降振

1 降振原理

在隧道掌子面爆破掘进过程中,创造临空面的在同一平面上与掌子面构成正三角形3~5对上、下平行炮孔(简称掏槽孔)的延长线;同时差分掏槽深度(W孔间错位形成炸药能量基本均匀分配的装药结构)

在掏槽孔内间隔装入等份微量炸药,体系,并采用普通非电导爆管雷管,满足各等份炸药合理延时有序起爆的要求,以形成每列振动波峰值完全的网路系统,再通过减少同段雷管最大起爆装药量,以实现对最大峰值的有效控制,最终达到大幅削弱掏槽区爆破振动的效果。1.2 主要特点

削弱炮孔夹制作用1

)正三角形掏槽无论在什么地质条件下、创造临空面上均较其他斜孔,在掏槽有显著优势,可获得较高的炮孔利用率和稳定的施工循环进尺。

在计算2)掏槽孔的夹角较固定且为特殊角度、分析和控制实际钻孔工艺等方面十分方(60°),便,而惯用水平楔形掏槽的夹角是变量,变化在30°~70之间,设计经验性强,实际操作相对复杂。错峰网路3)°

差分掏槽深度实现微药量装药,能很好地降低振动速度,打破了传统的,结合延时认识—

——掏槽是产生最大振动的源头。区大块率低4

)等份炸药装药结构,现场操作精准方便,能量基本均匀分布。,槽2. 关键技术

21 差分掏槽深度(W)

针对隧道斜孔掏槽爆破而言,定义掏槽孔底至掌子面的垂直距离为掏槽深度。隧道或地下工程开挖进尺控制是爆破降振的先决条件,在此基础上再将一次性掏槽深度按比例进行支解(即差

分),分散振源能量,就能实现有效的降振[

5]当设计炮孔的循环进尺超过1.5m时,

。在振动控制严格的敏感地带,其工艺困难,几乎难以实现降振,但低于本大)因此0.5m时又无工程实际意义(功效低、成。,当差分掏槽深度W为W槽孔的小掏槽深度)和W12(对应大掏槽孔的大掏槽

(对应小掏

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|Vol.25,No.6122工程爆破 ENGINEERINGBLASTING 第25卷

深度)且满足一定比例时,大、小掏槽孔内就能实现等份装药。即在0.50W.25=W0;.10.;2<0.8W差分掏槽深度如图1W所示。1=0.6W,W2=图1 差分掏槽深度

2.2 Fig.1 Difference-cutdep

ths槽区孔网参数

根据实践经验,掏槽区参数按下述原则取值,既能获得良好的掏槽效果,又能保障孔内单孔装药量适度。孔网参数如图2所示。

图2 槽区孔网参数

Fig

.2 HolenetworkparametersinthecutareaEngineeringBlasting

Ⅲ、Ⅳ1)2、掏槽孔层间距h。h=4)Ⅴ各级围岩依次对应槽口高度H。H=12400~、0~5204、70c0c60、mm70c,

m即。Ⅱ、较小值,硬岩取较大值。。软岩取

宜少于3

)炮孔数量3对炮孔。。

硬岩不宜多于5对炮孔,软岩不制振动4)掏槽区设在掌子面中偏下一点;槽口底部掏槽孔离隧道底板高度控制在

,可严格控0.3~ 70软岩取大值。装药量计算

cm。硬岩取小值,掏槽区满足加强松动爆破既是获得基本进尺的前提条件,又是控制爆破振动药量计算的上限。装药量仍然采用经典的体积公式计算,但在分别计算大、小掏槽单孔药量时,V分别由V代替:

1、V21)掏槽孔的单孔装药量(Q单)

Q单=K0

V(VV1(1)2=式中:K(23

))0=W=W0h1h2

.7(0(0~.6.61WW.1k+1+dD/)-)Vm3,经验值1值,硬岩取较大值;V为g

积,1对炮孔所承担的掏槽体

:软岩取较小m3;Vm3;V1为1对小掏槽炮孔承担的掏槽体积,

2为1对大掏槽炮孔所承担的掏槽体积,3为正三角形掏槽孔间距离,;m;Q单为单个掏槽孔炸药装药量m,;d为孔底间距m,

2。将)等份炸药质量V(Q0)

kg

12分别代入式(单孔等份炸药数,V(n1

)计算后,根据确定的j同值,即Q),计算出Q单0,然后平衡取相0均相同,其质量控制在。为了使得掏槽区各等份炸药量Q30g≤Q0g

)。并满足:0≤150g(

精准至单

n∑nj×Q0Q≤Q(i×0≤Qmax

(45

))Qmax≤[

R(vK)1α]3(6)式中:nj为同一炮孔内的等份炸药数量,且nj~3;n=

i为掏槽区第

i段非电雷管的等份炸药数工程爆破,2019,25(6):20-26

52h51第6期

杨家松:城市浅埋隧道正三角形掏槽爆破错峰降振研究

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量;R为振源中心距被保护对象的距离,为与地质条件相关的系数;v为设计允许m;K振速,α,

c2m.4/s

。装药结构体系

将掏槽孔的装药量分成相同的若干等份(即等份炸药),并在孔内间隔错位放置,使能量在孔内基本上均匀分布,让每等份炸药(Q体积基本相当,同时保证孔内的间隔填塞长度0)爆破岩石(l30cm影上首尾相接0等份装药结构如图3所示。图3 等份装药结构

2.5 Fig.3 Equalexplosivechargings

tructure延时错峰网路系统

爆破引起的两列波间隔就完全,实践已得到充分佐证2.5T0。(

主振周期软岩主振周)时期一般在岩一般小于10~30m遵循该原则并具备10ms(s大于(30~1010H00Hz

)。),延时网路设计中硬及以上围①首段(发)起爆的对称炮孔数不得多于4个条件就能够达到完全错峰z

,

3对;)向内(孔底)孔间由内(靠隧道轴②孔内由外(掌子面、线)向外(洞壁侧)有序起爆;侧或依次自首发掏槽的下方孔③掏槽区先再两

、上方孔顺序起爆;④允许的同段雷管数量ni由式(

结果取小于或等于n)和式()计算,i的偶数。

56结合非电毫秒雷管的延时特点,针对浅埋隧道对振动的标准不同,实际运用可分设计延时网路。

2种情况10~1

13m)严格控制振动的敏感地带且对振速在0.5~1。.5c当埋m/s深时介,

于严格施工循环进尺使其不超过地质条件的不同,采用不同的爆破网路设计0.75m,并根据,软弱围岩、中硬及以上围岩的爆破网路设计分别如图4

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k/indexframe.html~图5所示。

注:图中数字为非电毫秒雷管段位;h=70cm

图4 软弱围岩爆破网路

Fig.4 Blastingn

etworkofweakrocks注:图中数字为非电毫秒雷管段位;h=405 、、图中硬及以上围岩爆破网路

5060cm

Fig.5 Blastingn

etworkofmiddlehardandharderrocks于102

~)振动环境要求较为严格的地带15m之间且振速不超过2.0c。m当埋深介/s时,

限December2019|EngineeringBlasting

|Vol.25,No.624工程爆破 ENGINEERINGBLASTING 第25卷

制施工循环进尺在不同,采用不同的爆破网路设计1.5m以内,并根据地质条件,软弱围岩、中硬及以上围岩的爆破网络设计分别如图所示。

6~图7注:图中奇数及14为非电毫秒雷管段位;h=70cm

图6 软弱围岩网路

Fig

.6 Networkofsoftandweakrocks 工程案例

青岛地铁结构平房),m地层为中风化流纹岩ZD8K#线区间隧道下穿密集居民区(

砖39+142-185段隧道埋深12~13

.1 1.5c,m基岩裂隙水s

,围岩Ⅴ级。控制地面垂直振速,

/。方案实施

施工循环进尺为1)初支采用格栅,间距0台阶法施工。槽深度W=1.61m.5m,取d,计入炮孔利用率.75m,

=0.2m,则计算。设计掏.6×0.6=0.96m、W:W1=

2槽参数选用如图6所示=。

1.6×0.4=0.m。掏ngineeringBlasting

注:图中17,3 ~中硬及硬岩网路

14为非电毫秒雷管段位

图Fig

.7 Networkofmiddlehardandharderrocksax合地质情况2)允许的最大装药量Q,m、

Q单依据回归资料,取K=3、Q200计算。结α=1.9

=15m、.8kg

/m(3掏槽至地面垂直距离、,代入式(1)~(3)、式(6),)计算结果如,并取K0=表1~2所示。

表1 最大允许装药量

/(cm·-1T)able1K ThemaximαumallowabRlecharging

1.5

s

320

1.9

1/5

mQ0m.a7x/0k9

g表2 掏槽孔药量

Table2 ThechVQarging

inthecutholes部位单小掏槽(W大掏槽(W12)0/.5m

21

30n)

0..2/kg30181

2jQ00/k 0.778

3

0..110g043

综合取Q0=0.1kmax/Q0=0.709/0.1=7g,,取偶数由式(5,n)推算得:ni≤

i=6段雷管数量)

。(低段同所示3

)控制爆破设计如图8所示,各孔装药量如表。

工程爆破,2019,25(6):20-26

0R33v1EQ3第6期

杨家松:城市浅埋隧道正三角形掏槽爆破错峰降振研究

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图8 控制爆破设计

表3 Fi正三角形掏槽雷管段位及装药量控制

g.8 Controlledblastingdesig

nTable3 Dvoleutomn炮孔

eatfoorrgrreagduelaandallowableexplosive炮孔

非电毫秒rtrianglecuts单孔装小计装

名称数量/个雷管段位药量//小掏槽(W大掏槽(W1)6扩槽孔2)6掘进孔周边孔16111515、、17、33、90.2kg药量1.20kg

、1400..3513.80二台孔231、17底板孔48合计

781

15、1915、、190.67..08007、2100.12、0.13.04 /、179、2000.62.40/.7254.6.804

注:炸药单耗0.67kg

/m3。www.cseb.org.cn/form/xhq

k/indexframe.html离大振速为15m4

)爆破振速评估处(拱部正上方。在掏槽至地面垂直距),计算得到可能产生的最3.2 方案效果对比1.5cm/s

。在常规控制爆破施工期间,振动较大,引起居民上访。距掏槽区振速为5.7cm/s,距槽区24.08m处测得地面质点最大1.2~1.5cm/s之间,

经多循环监测统计23m处附近的振速介于

,最大振速发生在掏槽区,而且以首发炮孔频率最高(见图9改善a~图,即最大振动后移至掘进孔9b)。研究成果运用后情况发生了明显的,而位于掏槽正上方地面最大振速为1.35cm/s之间,位于正前方1.35cm2/0s.,7m一般介于处,

垂直振速0.8~为0.56cm/s(见图9c~图9d)。图9 不同位置处应力时程

F通过使用正三角形掏槽爆破错峰降振技术ig.9 Stresstimehistorya

tdifferentlocations,

爆破振动降低效果十分显著,平均降幅达最大降幅75%;

另一方面,该技术的使用不仅减少50.3%,December2019|EngineeringBlasting

|Vol.25,No.626工程爆破 ENGINEERINGBLASTING 第25卷

了钻孔数量和炸药消耗量,钻孔数量降低了炸药消耗量降低了47%,几乎无拒爆现象,碴堆集中35%,而且也改善了爆破效果、块度均匀。

,4 结语

槽。1既方便爆破参数的计算又能提供较大的爆破)掏槽设计60°

特殊角度,构成正三角形掏破裂角,减少炮孔夹制,提高掏槽成功率,有利于降低振动以及获得较大进尺等爆破效果。抵抗线2

)将一次掏槽深度W再按一定比例分成“小”,极大地保障了掏槽的成功率,减少了同时起爆的装药量,实现了微药量爆破,消除了掏槽是产生最大振动的源头认识。

内装药分配基本均匀3

)采用等份炸药均匀的装药体系,又能做到孔间等份药段相,保障了孔互错开,从整体上看炸药能量基本均匀分布在掏槽区,各等份爆破体积基本相当,炸药能量得到充分利用。

()孔内延时错峰网路系统可靠。孔外掌子面4

(洞壁侧)向内)有序延时起爆(孔底)、孔间由内,既减少了低段位同段(靠隧道轴线内由)外向同时起爆药量,从本质上满足了降振要求,又能够使得爆炸应力波作用相互叠加,不削弱爆破总体效果。

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