青岛胶州湾海底隧道陆域段近距下穿地表建筑物爆破震动控制技术

罗厚金，方俊波

(1.中铁隧道三处有限公司，广东深圳 518052;2.中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

当硬岩隧道埋深较浅时，其爆破掘进引起的震动常能使地表建筑物墙体开裂、结构错位等，需要采取一系列的减震措施进行施工。目前，国内对于钻爆法近距下穿地表建筑物的施工实例较多，技术措施亦较多。

文献［1］以胶州湾海底隧道陆域段以例，指出地表震动以垂直向为主，水平震动较弱，只要将毫秒管的时间间隔控制在50 ms左右即可使相邻波段分开而不叠加;文献［2］通过爆破震动监测及分析，得到了震动波的传播规律，指出控制最大单段药量及循环进尺是控制措施的关键所在;文献［3］介绍了隧道爆破震动监测技术及各种减震措施;文献［4］主要介绍了某隧道近距(拱顶距地表15.8 m)下穿地表建筑物的控制爆破技术，采用楔形掏槽、人工手持风钻钻眼，分区分批次进行双侧壁导坑法施工，循环进尺仅0.5 m。

纵观国内近距(埋深15m以下)下穿地表建筑物控制爆破施工技术，主要采用多分区、短进尺的技术措施达到减震目的，更有采用非爆破开挖通过的实例。对于类似胶州湾海底隧道大断面、中进尺下穿薛家岛后岔湾村民房的控制爆破施工还不多见。本文所述技术的关键在于:通过采用孔外中段别雷管接力起爆，实现了大断面(超前下导、后续扩挖面)一次性点火起爆，解决了大断面一次性爆破雷管段别不足的难题;通过液压凿岩台车钻凿一排近距大直径空孔，进行具有较好减震能力的直眼掏槽爆破，循环进尺达到了2 m，避免了大规模爆破引起的过大震动;通过进行爆破震动监测及数据回归分析，得到了震动波在该地层中的传播规律，实现了不同地段最大单段安全药量的真正校核。

1 工程概述

青岛胶州湾海底隧道是连接青岛市主城区和黄岛经济技术开发区的重要通道，北连青岛市团岛，南接青岛经济技术开发区薛家岛，下穿胶州湾湾口海域。隧道设2条主隧道和1条服务隧道，总长约6 170 m，其中跨越海域段约 3 950 m，两端陆域浅埋段长约1 000 m，是一条以城市道路功能为主兼有公路功能的隧道。

陆域浅埋段右侧主隧道YK8+050～+480段穿越薛家岛后岔湾村，洞顶集中约50栋1～2层民房，为居民自建自居房，基础埋深在1 m左右，砖混结构，建筑年代在10 a左右，墙体为单层，有许多已开裂，部分房仍有人居住。该段主隧道埋深12～39m。主隧道与地面建筑物位置关系示意如图1所示。

由于存在大量的、距隧道拱顶较近的地表建筑物，主隧道陆域浅埋段在下穿薛家岛后岔湾村施工地一个重要特点是需要控制隧道爆破施工对位于其上方表建筑物的影响，需要采用控制爆破技术，减弱隧道爆破的震动量，防止因震动较大而对地表建筑物产生破坏性影响。

该段围岩级别以Ⅱ级和Ⅲ级为主，多为微风化花岗岩，存在高倾角裂隙。局部Ⅴ级围岩段以强、弱风化破碎岩体为主，岩体断裂构造发育，风化破碎严重，爆破施工可能对洞顶建筑造成破坏。基岩裂隙水既接受低山丘陵基岩裂隙水的侧向补给，也接受海水补给，地下水运动缓慢，为不发育。

2 下穿地表建筑物爆破震动控制技术流程及对策

2.1 控制爆破施工技术流程

针对右线主隧道施工现场，提出了控制爆破施工技术流程(见图2)。

2.2 控制爆破施工技术对策

1)选择合理的开挖方法。主隧道Ⅱ级和Ⅲ级围岩下穿房屋段采用下导洞超前、后续大断面扩挖法进行施工，局部Ⅴ级围岩段采用台阶法施工。

2)应用控制爆破技术。应用控制爆破技术将爆破震动对地表环境的扰动降低到最低程度。开挖时采取跳段(时间间隔大于50 ms)微差起爆技术［1］，全面实施光面爆破，减少超挖量、减小围岩松驰圈的影响范围。施工中采取分区施工、分次或采用孔外中段别雷管接力起爆，减小炮眼装药密度，采用低威力低爆速炸药或采用小直径不耦合装药、限制一次起爆装药量等减震措施［3］。

3)爆破震动检测。根据GB 67222—2003《爆破安全规程》规定，下穿房屋段时为保证地表建筑物的安全，应将爆破震动波速控制在1.5～2.0 cm/s［5］。施工前提前布置地表监测点，以自动采集数据的形式进行以地表垂直震速为主的震动测试试验［1］，并进行反馈分析，寻找到合适的爆破方案、经济的施工方法以满足爆破震动波速控制指标及进度指标要求。

3 爆破设计

主隧道下穿房屋段主要为Ⅱ级和Ⅲ级围岩，围岩整体性较好，故采用下导洞(宽度4.6、高4.1 m)超前、后续断面(设计宽15.386 m、高9.63 m)扩挖的施工方案，导坑超前后续扩挖大断面1～2个循环长度，同时钻孔。后续扩挖大断面上孔外延期接力雷管采用7段毫秒管串联超前导洞所有炮孔，进行孔外接力起爆，达到2个断面同时点火起爆且避免超前导洞与扩挖大断面上相同段毫秒雷管数相叠加而增大。超前导坑的主要作用是为后续扩挖大断面创造较好的临空面，达到减震目的。

超前下导及后续扩挖大断面均采用液压凿岩台车钻孔，钻孔深度为2.0～2.5 m，设计开挖循环进尺为2.0 m。超前下导采用大中空孔直眼掏槽，后续扩挖大断面不需要掏槽。主隧道开挖方法及钻爆设计示意如图3所示。

后续扩挖大断面是在超前下导创造出较好的临空面后进行扩挖，根据多年控制爆破施工及爆破震动监测经验，扩挖爆破对地表的震动影响不会很大，最大的爆破震动应该位于超前下导，故主要控制超前下导的爆破药量。超前下导装药参数及经济技术参数如表1和表2所示。

隧道爆破的关键在于掏槽孔爆破后能否为其他炮孔的爆破创造出足够的第二自由面，为此掏槽孔的药量通常都大于其他炮孔的装药量。国内外许多隧道爆破震动波形图也表明，掏槽孔爆破产生的震动波幅通常比其他炮孔高出很多，故改进爆破效果，降低爆破震动，故改进掏槽方法是关键［6］。

本工程由于具有大型液压凿岩钻孔台车，在主隧道下穿地表建筑物时，采用了钻凿大直径中空孔直眼掏槽技术，而弃用常见的楔形掏槽。施工中采用直径0.1 m的大钻头在超前下导中部钻3个(有时达5个)大孔，自上而下一字形排列，中心间距0.2 m，深2.3～2.5 m，钻孔完成后由3个大空孔(最多时达7个)形成一个宽0.1 m、高0.4 m(最大时达0.8 m)的空槽。掏槽孔和其他炮孔则以此开口槽为中心布置。这一开口槽为其他炮孔爆破提供了一个很好的第二自由面，不仅大大提高了爆破进尺，而且也有效地降低了爆破震动。

图3 下穿地表建筑物段隧道爆破开挖方法及钻爆设计示意图(单位:cm)Fig.3 Excavation method and drilling and blasting design for tunneling underneath buildings(cm)

表1 超前下导装药参数表Table 1 Charging parameters for bottom heading

表2 超前下导经济技术参数表Table 2 Economical and technological parameters of bottom heading

4 超前下导最大单段允许药量的校核

根据我国大量实测数据整理结果，隧道爆破开挖的最大震动速度值与微差爆破的总药量无关，而是决定于某单段的最大用药量［2］，并在GB 67222—2003《爆破安全规程》中，最大单段药量与允许震速之间的关系［5］为

式中:Qmax为最大单段允许药量，kg;R为爆心距，超前下导爆心距地表建筑物基础的最近距离，m;v为允许最大震速，cm/s，取2 cm/s;K，α为由地质地形条件决定的场地系数和指数(K值一般取50～150，α值一般取1.3～1.8)。

主隧道拱顶距地表最近距离为12 m，并以一定的角度向海底下插，而超前下导拱顶距主隧道拱项约5 m，爆破中心按位于下导中心计算，则爆心距约为12+ 5+2=19 m。过民房段超前下导最大单段允许装药量校核值见表3。按表3对上述系数赋值，代入式(1)，则可计算出超前下段最大单段允许装药量应控制在10.11 kg以下。

表3 过民房段超前下导最大单段允许装药量校核值Table 3 Calibrated value of maximum allowable charging quantity per delay for bottom heading underneath buildings

由表3知:超前下导最大单段设计药量(9 kg)要小于校核计算出的最大单段允许药量(10.11 kg)，即超前下导设计钻爆装药参数是合理的，并且随着主隧道向海底掘进，超前下导的爆心距会增加，则主隧道爆破震动对地表的影响会更小。

5 爆破震动监测结果及分析

一般将爆破震动速度作为衡量爆破地震波效应的判据［2］，爆破震动监测采用四川拓扑智能爆破震动监测仪UBOX－5016和中科院TC－4580爆破震动自记仪。接收数据采用水平和垂直传感器(以垂直为主)，监测时传感器用石膏固定。测点布置原则上是沿离爆心最近的房屋墙角和房屋的结构处进行全程监测，其目的是通过爆破震动监测，掌握主隧道爆破对近距离地表建筑物的影响程度，以验证和修改爆破设计参数，确保地表建筑物结构安全。另外，亦可根据实际测得的爆破震速进行反分析计算，回归出场地系数K和指数d，根据传播规律预测出爆破开挖掌子面前方某一定范围内的最大单段允许药量。

5.1 爆破震动实测结果

主隧道下穿地表建筑物期间，控制爆破按上述设计进行，进行了数百次的地表建筑物垂直质点震速测试。通过爆破震动测试，基本上掌握了爆破震动的量值及其衰减规律。测试结果统计显示:在下穿初期，质点速度峰值超标(2 cm/s)相对较多，且以超前下导掏槽眼爆破引起的震动值超标为最多，所占比值达到了43%;随着下穿深度加大，大中空孔个数增加(至5个)，质点震速得到了较好的控制，峰值超标现象降低至10%左右。由上可表明控制爆破效果较好，钻爆设计是合理的。2007年12月至2008年1月期间部分爆破震动测试结果见表4。

表4 主隧道浅埋段下穿薛家岛后岔湾村爆破震动监测表(部分)Table 4 Blasting vibration monitoring data during tunneling underneath Houchawan Village on Xuejia Island with shallow cover

5.2 爆破震动传播规律

式(1)中能核心反映震动波在岩层中震动传播规律的参数是K和α，超前下导最大单段药量校核计算中，此2个参数是根据经验预估;但在实际施工中，还需要通过实测数据进行反演分析计算，寻找出传播规律。一般用最小二乘法计算反演其大小，反演的基础是有适量的数据，每套数据包括单段药量Q、爆心距R，震动速度v。

将式(1)进行变形后两边取自然对数为线性方程

对于表4测试所得的多组v，Q，R数据，代入y= ln(v)，x=ln/R)，得到2组数组(y，x)值，将此2组数组列入Excel表，运用LINEST函数进行回归分析计算，可得到回归系数b为1.955，常数项a值为4.958，相关系数为0.9242(表明回归效果较好)，反算出α值为1.955，K值为142.35。则爆破震动的传播规律为

运用此传播规律，可得到最大单段药量在12kg的情况下，主隧道爆破引起距拱顶12 m的地表建筑物震动速度为2.0 cm/s。随着隧道下穿距离的增加，爆破中心距地表建筑物会愈来愈大，地表建筑物会更安全。

5.3 典型爆破震动波形

爆破震动波形不仅反映爆破震速的大小，还反映隧道爆破分段情况，波形图各时刻对应各段毫秒管所产生震动大小以及整个爆破震动历程。图4为主隧道下穿地表建筑物阶段的典型爆破震动测试波形图。

图4 主隧道下穿地表建筑物阶段的典型爆破震动测试波形图Fig.4 Typical blasting vibration waves measured during tunneling underneath buildings

从实测典型波形图可以看出:1)除超前下导1段和3段波有所叠加外，其余各段波基本按设计微差间隔时间分隔开，段别愈大，间隔时间愈长，没有出现震动峰值叠加现象。2)爆破最大峰值震速基本上是由掏槽爆破引起的，其次是由扩挖层爆破的第1层所引起。3)一旦有了较好的临空面，后各段引起的爆破震动均较小。

6 爆破效果

从监测数值可以看出，胶州湾海底隧道陆域浅埋段在下穿薛家岛后岔湾村施工过程中爆破控制良好，所产生的地震波对上部建(构)筑物的震速基本上控制在2 cm/s以下，未对隧道上部建(构)筑物产生不良影响。此外，现场的实际震感也不强烈，分段明显，由于采取炮孔封堵，震动产生的分贝不大。至2010年4月，该隧道已贯通，通过走访调查，主隧道下穿房屋段爆破施工对附近建筑物和居民生活没有造成太大的影响，地表建筑是安全的，无墙体开裂及结构错位等损坏现象，居民生活正常。上述现象表明了隧道控制爆破设计及施工是合适的、正确的。

7 结论

1)合理采用掏槽形式。在液压凿岩台车的基础上，可采用较大钻头钻大中空孔进行直眼掏槽，由于具有大中空孔，直眼掏槽具有掏槽效果好、能为主掏槽眼爆破创造较好的临空面等特点，可以在增大爆破规模(循环进尺达到了2 m)的同时，减少掏槽眼爆破震动强度，保证地表建筑物安全。

2)通过采用孔外雷管(7段)接力起爆，实现大断面(超前下导、后续扩挖面)一次性点火起爆并掘进，解决了大断面一次性爆破雷管段别不足的难题。

3)通过进行爆破震动监测及数据回归分析，得出震动波在该地层中的传播规律，实现不同地段最大单段安全药量的真正校核。

4)埋深大于12m的三车道公路隧道爆破开挖时，可采用下导超前、后续大断面扩挖的施工方法，并采用大中空孔直眼掏槽，最大单段装药量控制在10 kg左右，爆破震动对地表的建筑影响较少，表明该方法是安全的。

［1］ 李现森，付迎春，孙星亮.青黄海底隧道接线工程近接地面建筑物段爆破震动控制数值分析［J］.石家庄铁道学院学报:自然科学版，2007，26(4):74－77.(LI Xiansen，FU Yingchun，SUN Xingliang.A finite element analysis of blasting vibration in Qingdao-Huangdao cross-harbor tunnel guide line project［J］.Journal of Shijiazhuang Railway Institute:Natural Science，2007，26(4):74－77.(in Chinese))

［2］ 邢新元.隧洞开挖中爆破震动控制研究［J］.东北水利水电，2008，26(8):51－54，74.(XING Xinyuan.Study on blasting vibration control in tunnel excavation［J］.Water Resources＆Hydropower of Northeast China，2008，26(8):51－54，74.(in Chinese))

［3］ 张金泉，魏海霞.爆破震动测试技术及控制措施［J］.中国矿业，2006，15(6):68－70.(ZHANG Jinquan，WEI Haixia.Testing technique and control measures of blasting vibration［J］.China Mining Magazine，2006，15(6):68－70.(in Chinese))

［4］ 周春锋.城市浅埋隧道开挖减震控制爆破技术［J］.工程爆破，2001(1):58－62，54.(ZHOU Chunfeng.Vibrationreducing controlled blasting technology for excavation of urban shallow tunnel［J］.Engineering Blasting，2001(1):58－62，54.(in Chinese))

［5］ 中国工程爆破协会.GB 6722—2003 爆破安全规程［S］.北京:中国工程爆破协会，2003.

［6］ 邹定祥.复杂环境下的地铁隧道爆破技术［C］//第七届全国工程爆破学术会议论文集.成都:中国力学学会，2001.