微震爆破技术
1 情况介绍
本隧道段200m范围内地面为营区，地表建筑物新旧并存，主要为低层建筑，建筑物多为浅基础，以夯实的人工填土或强～弱风化基岩为持力层，基础埋深一般1～2m，部分深达5～6m，地下管线无相关资料，右线主隧道上方有6栋1～2层营房；匝道上方有4栋房屋。该段隧道埋深约12m，由于埋深浅，且房屋多为砖混结构，因此同样应该对该段爆破进行严格控制，确保隧道上方构筑物安全，并避免施工震动扰民。
匝道 5 6 飞机库 2 5 飞机场 主隧道 图1 小净距及周边建筑物示意图
3 4 4 2 4 6 3 （1）超浅埋过停机坪控制爆破
根据现场调查，本小净距隧道穿越军用停机坪，隧道埋深仅16~18m，属超浅埋，且围岩条件较差，属硬、较硬破碎岩体。因此为保证施工安全并避免爆破对停机坪上军用设施及人员训练造成影响，必须进行严格地爆破控制。 （2）超小净距安全控制爆破
由于两隧洞净距极小，后行洞（主隧道）施工过程中必然对先行洞（匝道）既有支护及中岩墙造成不利影响。在实际施工中采用匝道二衬修建完成后，再进行主隧道CD法靠近中岩柱一侧施工。因此本超小净距隧道段集中在对如下两个方面进行控制爆破：①控制爆破震速、降低围岩的扰动、保护既有二衬安全；②提高爆破效果、减少超欠挖量、
保护中岩墙围岩。
2 爆破地震破坏的主要判据
我国新实行的爆破振动安全允许标准(GB6722-2003)在某些方面考虑了震动速度和震动频率两方面的因素，但是对于地下隧洞则仍采用单一的振动速度判别标准。另外，我国的一些行业也根据自身需要提出了隧洞受振动破坏的标准，如我国长江水利水电研究院建议的允许爆破振动速度和破坏标准〔见表1〕所示。
表1 爆破振动安全判据（GB6722-2003） 序号 1 2 3 4 5 6 保护对象类别 土窑洞、土坯房、毛石房屋 一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物 钢筋混凝土结构房屋 水工隧道 交通隧道 新浇大体积混凝土： 龄期：初凝～3天 龄期：3天～7天 龄期：7天～28天 安全允许振速 /（cm·s-1） ＜10Hz 0.5～1.0 2.0～2.5 3.0～4.0 10Hz～50Hz 0.7～1.2 2.3～2.8 3.5～4.5 7～15 10～20 2.0～3.0 3.0～7.0 7.0～12 50Hz～100Hz 1.1～1.5 2.7～3.0 4.2～5.0 表2 地下结构允许的爆破振动速度和破坏标准 质点振速（cm/s） 地下结构破坏现象 5.0～10.0 10.0～20.0 20.0～30.0 30.0～60.0 60.0～90.0 未衬砌的松散洞体有小的掉块 ①隧洞原有裂缝有时扩大；②破碎岩体有掉块；③管道接头有细微变位 ①隧洞有大掉块，偶尔有小坍塌；②岩柱有掉块 ①衬砌出现裂缝；②管道变形；③顶板出现坍塌 ①地下建筑物或衬砌开裂；②硬岩体裂隙严重扩张 根据以上振动破坏判据不难发现，尽管岩石特性有较大差异，但临界振动速度差值范围并不显著。针对本工程面临两大爆破控制问题，对于地表建筑物震动可参照规范要求并考虑施工扰民影响，选取1.5cm/s作为过停机坪及房屋段爆破震动速度控制标准值，而对于超小净距控制爆破，按15cm/s作为其控制爆破标准值。
.3 控制爆破的主要方法
隧道爆破是处于一种相对狭小空间的爆破作业。课题组在深入研究影响其爆破震动因素，同时参照地表爆破降震措施的基础上，相应的提出了本段隧道爆破的降震技术措施：“短进尺、分块开挖、光面爆破、复合式楔形掏槽、密眼、少药、增加雷管段位”等综合减震措施，对爆破进行全面控制。如表3所示。
表3 微震爆破主要设计参数 开挖 方法 循环 单段允炮眼 掏槽光面爆破周边眼参数 进尺 许药量 直径 眼 E(cm) W(cm) q(kg/m) (m) (kg) (mm) 形式 爆破 器材 掏槽、辅助眼： Φ32mm乳化炸药； 周边眼： Φ25mm乳化炸药 均采用分段非电毫秒雷管 主隧道 CD法 <=1 45 60 0.1 <10 42 匝道 台阶法 <=1 45 60 0.1 <12 2级复合式楔形掏槽 4 爆破施工工艺
隧道开挖钻爆作业程序见图2所示：
测量定位， 确定炮孔位置 钻爆设计 布孔 钻孔作业 炮孔检查 装药堵塞连线 震动监测 手风钻 起爆 信息反馈 爆破效果检查 通风找顶
图2 钻爆作业程序图
5 爆破振动监测及分析
目前，人们对于炸药爆轰现象以及岩石爆破的物理过程等的认识还十分肤浅的，岩石爆破工程的设计和施工，至今仍然主要靠经验来完成。因此，岩石爆破技术远远不是一门完善的科学，而更多地被人们视作为一种发展缓慢的技艺。
在促进岩石爆破技术发展的过程中，使用现代科学所提供的各种测试手段，在施工现场进行反复的观测，无疑是我们认识岩石爆破机理以及岩石动力学特性的有利条件，同时通过对监测数据进行反演分析来改进爆破参数，能够有效地优化爆破设计，从而实现各种理想的爆破目的。比如为控制爆破而进行得爆破震动速度测试就是最常用的方法之一。
通常的爆破震动监测及分析流程如图3“爆破振动监测及分析流程图”所示：
现场测点勘测选定 仪器设备安装 爆振速度测试 公式回归拟合 数据读取存储 分析爆振测试结果数据 图3 爆破振动监测及分析流程图
打印单质点数据 5.1 测试系统与仪器
由于炸药在岩石中的爆炸作用使安装布置在监测质点上的传感器随质点而振动，使传感器内部的磁系统、空气隙、线圈之间作相对的运动，变成电动势信号，电动势信号通过导线输入可变增益放大器将信号放大，进入AD转换，再通过时钟、触发电路，同时也通过存储器信号保护，再通过CPU系统输入计算机，采用波形显示和数据处理软件进行波形分析和数据处理，如图4“爆破振动监测系统”所示。
现场爆破测试采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振仪进行测定，如图4所示，该爆破振动测振仪广泛应用公路隧道的爆破振动测试中。该仪器具有如下优点：
（1）仪器高度智能化，自带嵌入式计算机模块，自带液晶屏（128×点阵）可在现场直接设置各项采集参数；
（2）配备X， Y， Z三矢量一体的速度传感器，软件支持矢量合成。
（3）大容量存储： 可连续记录128段～1000段数据，共128兆存储空间 用户可根据需要自行灵活分段；并彻底消除了因误触发造成的数据丢失。
（4）高可靠航空接插件，高强度铸铝防潮、防尘仪器外壳，标准USB 2.0数据接口 ，内置可充电锂电池（充电器自重50克），供电时间60小时。
（5）仪器具有遥感遥测功能，现场噪声测试功能，空气冲击波测试功能（以上均为
选配件）。
（6）16位高精度AD分辨率，仪器无需设置量程量化台阶可精细到满量（0.001cm/s-35.4cm/s）的1/65536，能完全涵盖爆破振动所需全部量程。
图4 爆破振动监测系统
图5 TC-4850爆破测震仪
5.2 监测点布置
目前，在以振动速度作为爆破振动的安全判据指标时，振动速度的表示方法是采用垂向、横向、纵向三个分量之一，还是采用三个分量的矢量和，还没有形成统一的认识。瑞典的V.Langefors提出，在多数情况下只需记录垂直分量或纵向分量即可。Northwood的观点认为，横向分量对爆破振动分析的作用不大。美国矿业局规定的破坏判据也并不要求以三者的矢量和表示振动速度，而仅需要求三个分量中的最大一个。日本矿业会爆破振动研究委员会指出，原则上应同时测定互相垂直的三个分量，但是，为比较不同地点振动的衰减情况，仅测量一个分量也是可行的，在测量结构物的振动时，还可仅测量影响最大的一个分量。鉴于认识上的不同，我国的爆破安全规程对这一问题也未有明确
的解释和规定，在实施过程中，往往根据具体情况处理。本工程在测量隧道爆破产生的振动强度时，布设了三个监测点，分别对垂向、横向、纵向进行监测。
图6传感器布置示意图
1） 地表测点
为了解爆破引起的地表振动效应，以掘进掌子面(爆区)为中心，在对应地表沿隧道轴线布置振动测点，如图6所示。由于停机坪为军事管辖区，无法布置测点，地表测点均布置于停机坪外隧道沿线地段，该地段埋深及地址条件与停机坪均类似，因此可作为停机坪爆破的预测值，并且作为依据对爆破参数进行优化。
2） 二衬测点
对于衬砌安全检查，由相关资料显示，通常爆破振动对相邻隧道产生的最大振动速度出现在迎爆侧的拱脚和边墙，拱脚的最大振动速度稍小于边墙处，所以传感器布置在隧道边墙处（隧道起拱处），如图7所示。
图7 现场测试图
3） 建筑物测点
为研究建筑物上爆破振速响应，位于建筑基础上布设测点，当隧道掘进至建筑前20m时对其进行监测。
5.3 测试结果及分析
（1）地表对爆破振动波相应
图8“地表测点典型速度波形图“给出了一组地表测点的典型振动速度波形，表4
“地表振动速度统计表”列出了几组爆破的地表振动速度幅值和测点至爆源的距离，表中的R表示测点至爆源的距离。VV 、VP、VH分别表示掘进前后方测点垂向振动速度、纵向振动速度、横向震动速度。
表4 地表振动速度统计表 参数 测点 1 2 3 R（m） 15.2 16.8 18.8 VV/(cm/s) 1.52 1.33 1.13 VH/(cm/s) 0.88 0.75 0.65 VP/(cm/s) 1.39 1.22 0.81
（1）垂向分量
（2）横向分量
（3）纵向分量
图8 地表测点典型速度波形图
由图可知由于掏槽眼药量较小，因此最大振动波速并未出现在该时刻，而是在扩槽眼或辅助眼爆破的时候；由图8可以看出最大波速分量排序为垂向>横向>纵向，且随测点距离增加而减小，但掌子面前方测点震速略大于掌子面后方；监测数据基本小于1.5cm/s；振动频率一般位于20HZ~40HZ之间，可避免围岩共振，说明爆破参数及方法选择合理可行。
（2）匝道二衬对爆破振动波响应
15爆破震速（cm/s）12963001234567垂向横向纵向净距(m)图9 二衬振速统计图
由图9 “二衬振速统计图”及表5“匝道二衬振速统计表”可明显看出，净距小于2m以后，振速出现陡增的趋势，因此需采取必要的措施，在参考及总结现行的主要减振措施下，对在净距小于1m隧道段，采取隧道周边均设Ф50mm空眼，以作减振和光爆导向眼作用，在一定程度上阻隔了爆破振动波的传递，并提高了光面爆破的效果，同时将进尺控制为0.5~0.6m，缩减了耗药量，最终振速小于15cm/s；振动频率大于40Hz，可避免围岩、二衬发生共振；并通过现场监测，二衬并未出现任何裂缝，因此证明控制爆破取得了预期的成效。
表5 匝道二衬振速统计表
参数 净距（m） 6 4 2 1 R（m） 10.2 8.3 6.1 5.1 VV/(cm/s) 4.33 6.27 9.53 12.13 VH/(cm/s) 3.61 4.73 5.88 9.62 VP/(cm/s) 1.24 1.91 3.08 5.45
（3）地表建筑对爆破振动波的响应
表6 地表建筑振速统计表
参数 测点 1 2 3 R（m） 13.1 15.6 17.4 VV/(cm/s) 1.73 1.21 1.03 VH/(cm/s) 0.98 0.73 0.58 VP/(cm/s) 0.65 0.44 0.43 由表6“地表建筑振速统计表”得出振动速度均小于 2cm/s，振动频率均大于40HZ，说明爆破参数及方法选择合理可行。