隧道爆破振动对上部高压铁塔的影响分析

孟 琦，邱明灿，薛建峰,李永军

(1.安徽理工大学化学工程学院， 安徽 淮南市 232001; 2.山西江阳工程爆破有限公司,山西 太原 030041； 3.特种作战学院， 广东 广州 510000)

目前国内外隧道仍然主要采用钻爆法开挖施工方式。由于高铁和地铁的隧道断面面积大，一般在隧道中采用多断面分期钻爆法，造成整个隧道及其周围的山体多次受到爆破震动的影响。国内外许多学者关于爆破震动的研究表明[1-2]，浅埋隧道地段地表附近建(构)筑物受爆破扰动的影响尤其明显。假如隧道上部有重要的输电线路铁塔时，爆破振动可能导致塔基下沉或倾斜，因此对铁塔塔基的爆破震动监测与保护尤为重要。本文实测了长湘高速公路李家冲隧道爆破振动峰值，采用塔基“H”型加固及改进施工方法等措施减少隧道爆破对山体上部铁塔振动的影响，保证了输电铁塔基础不受损害。

1 工程概况

长湘高速公路李家冲隧道位于长沙市西南侧岳麓区，长沙端进口洞门位于莲花乡华宝村李家冲东南侧，距机耕路约200 m，湘潭端出口洞门位于莲花乡华宝村江家冲西北侧，距机耕路200 m，交通条件较差。隧道左洞长115 m，右洞长180 m，隧道设计采用双向六车道、设计时速为120 km/h。隧道区地貌属剥蚀丘陵地貌，山体形态不规则，其山脉为北西走向，洞身横穿山体鞍部，山坡植被茂密，沟谷发育，地形切割强烈，起伏变化较大，地面高程变化在120～170 m之间。隧道设计净宽17.5 m，净高10.8 m，最大埋深位于K147+120处，埋深39 m。李家冲隧道围岩为板溪群五强溪组变质砂岩，与次级向斜大角度相交通过，断裂构造不发育，结构面主要为节理、裂隙及层面，岩层走向与洞轴线大角度相交。隧道洞身围岩级别为Ⅴ级，围岩稳定性差，工程地质条件较差。根据长湘高速公路李家冲隧道上部高压铁塔鉴定报告并按照《爆破安全规程》(GB6722-2011)的相关规定，高压铁塔处爆破振速应控制在3.5 cm/s以下，以确保高压铁塔的安全[3]。

图1 施工现场

2 高压铁塔加固及隧道施工

爆破减震措施大致有3种：一是针对爆源所采取的控制措施，比如干扰降震法[4]，控制最大段药量，改变爆破方式及参数[5-6]等；二是针对受控对象所采取的措施，如增加吸震器或改变受震结构的震动响应特性，如果是混凝土结构，还可以在混凝土中添加早强剂；三是针对爆破地震波在传播过程中所采取的措施，如开挖减震沟槽[7-8]，增加临空面，减小夹制等。

2.1 高压铁塔塔基加固措施

李家冲隧道上方高压铁塔共有4个基座，塔基采用“H”形框架梁加固(见图2)，以提高铁塔整体的刚度，也使各个塔基的受力更加均匀。在四个塔基之间采用地下连续墙加固措施，即使用挖槽机械，借助泥浆的护壁作用，在塔基处挖出深而窄的沟槽，并在沟槽内浇筑水泥等材料形成一道具有防渗水、档土和承重功能的连续地下墙体。塔基改造加固历时12 d，在框架梁强度达到要求后，先开挖距离铁塔较远的右洞，后开挖左洞。

图2 高压铁塔塔基“H”型加固结构

2.2 施工方案

爆破施工采用三台阶分布开挖方式。上台阶爆破掌子面预留核心土，保持围岩的稳定性，减少爆破对围岩的影响。由于中、下台阶爆破掌子面面积小，自由面多，夹制少，所以对中、下台阶爆破，不必做过多减震措施。

2.2.1 钻凿空孔

在掏槽眼附近钻凿中心空炮眼，以增加掏槽爆破的临空面积，减小岩石夹制，空孔深度与掏槽眼深度相通。并且掏槽眼深度比辅助眼深10 cm左右，以减小辅助眼和周边眼的夹制，降低辅助眼和周边眼的爆破震动效应，炮眼布置见图3。

2.2.2 改变钻爆设计

从钻爆设计着手进行降震研究，包括调整炮孔起爆顺序、改变起爆方式等等，其根本目的都是控制最大段药量和爆破规模，减小对围岩和衬砌的损伤。在原有的钻爆设计中，周边眼统一用13段雷管引爆，单响药量比较大，周边眼爆破对近处衬砌的影响比较大。从控制最大段药量的角度出发，可以把周边眼由13段雷管统一引爆改为分开引爆，从两肩处向拱顶和拱脚处采用5、7、9、11、13段雷管引爆炸药，把原来同时起爆的周边眼改为分开延时起爆。经过计算，最大段药量占总药量的比例由原来的0.3降低为0.191，这样的设计使得最大段药量向低段别转移，其起爆位置转移到掌子面靠中心的位置，有助于地震波峰值的衰减(见图4)。

图3降震优化后的炮眼布置

注：：图中数字代表雷管段别

2.2.3 改变上台阶核心土尺寸

有关研究表明，有自由面爆破的震动速度一定比离自由面较远的夹制爆破产生的震动速度小，而且基本上是离自由面越远，夹制作用越大，产生的爆破震动越强。因此改善临空面条件、减小最小抵抗线也能起到降低爆破震动的作用[9]。根据这一原理，可以将核心土的高度增加，拱顶部分的爆破面积会相应减小，爆破药量也会相应减小，从而起到减小爆破震动的作用。另一方面，核心土爆破具有3个自由面，几乎没有夹制作用，产生的爆破震动不大而且只有很少一部分会传播到衬砌上。因此，增大核心土的比重，将原本属于爆破掌子面爆破的部分划分给核心土，在一定程度上可以起到降低爆破震动的作用。

3 爆破振动监测与数据分析

3.1 爆破振动监测

结合测振目的及测点布置基本原则，并在高压铁塔4个塔基处布置4个爆破振动监测点。监测采用的仪器为加拿大Instantel公司生产的BlastmateIII爆破振动监测仪。在实施保护措施以后，对铁塔塔基和隧道内测点进行了七次跟踪监测，分别对装药量、爆点与测试点的距离(简称爆心距)、爆破振动速度和振动频率进行了记录，监测结果见表1。

3.2 数据分析

(1)采取塔基加固措施及改变施工方案后，实测质点振动速度最大值为2.58 cm/s，在《爆破安全规程》(GB6722-2011)规定的3.5 cm/s范围之内，即隧道爆破振动对高压铁塔的影响被控制在安全范围之内。

图4 同一爆源不同测点处质点振速与爆心距关系

(2)表1中2号爆源数据单段最大装药量为48 kg，1、2、3、4号测点距爆心距离分别为17，16.5，17.5，18 m，质点振速峰值分别为2.52，2.58，2.40，2.20 cm/s，爆破振速与测点距爆心距离呈反比关系。对比分析其他爆源数据可知：在同一爆源不同测点处，质点峰值爆破振动速度随监测点距爆心距离减小而增大，如图4所示。

(3)表1中2、5、6号爆源单段最大药量均为48 kg，如2号测点爆心距分别为16.5，19.5，20.5 m，爆破振速峰值为2.58，1.88，1.79 cm/s，爆破振速随爆心距的增大而减小。对比分析1、3、4号测点，可知：不同爆源同一测点，单段最大药量相同，质点峰值爆破振速随爆心距的增大而减小。

表1 爆破振动数据记录

4 结 论

根据《爆破安全规程》(GB6722-2011)的规定，对长湘高速公路李家冲隧道上方高压铁塔采取加固及优化施工方案等措施，分析实测爆破振动监测数据结果表明：

(1) 高压铁塔塔基处采取“H”型框架梁加固措施，并在隧道开挖过程中，采取了钻凿空孔、改变钻爆设计与改变上台阶核心土尺寸等施工方案，成功将塔基处爆破振动速度控制在2.58 cm/s以内，既保证了高压铁塔的安全又实现了隧道的快速施工。

(2) 爆破减震措施在李家冲隧道施工过程中取得了良好的效果，例如采用钻凿中心空炮眼、多段别雷管分开起爆、增加核心土高度等措施，较为有效的降低了爆破振动效应。

参考文献：

[1]黄明利，孟小伟，谭忠盛，等．浅埋隧道下穿密集房屋爆破减震技术研究[J].地下空间与工程学报，2012, 8(2)：423-427．

[2]杨海书，林从谋，林丽群，等．复杂结构体系下隧道爆破震动对房屋影响的试验研究[J].山东科技大学学报(自然科学版)，2011, 30(2)：65-69.

[3]GB6277-2011.爆破安全规程[S].

[4]周乔勇，尚艳亮，赵 玉，等．爆破干扰降震法在隧道爆破施工中的应用[J].铁道建筑，2007(4)：52-54．

[5]杨千华，张志毅．隧道爆破震动控制技术研究[J].铁道工程学报，2010(1)：82-86．

[6]张艺峰，姚道平，谢志招，等．爆破地震效应主控因素分析及减震措施探讨[J].岩土力学，2010(1)：304-308．

[7]丁 凯，方 向，范 磊，等．减震沟对爆破地震波能量特性影响试验研究[J].振动与冲击，2012, 31(13)：113-118．

[8]王晨龙，张世平，张昌锁．边坡爆破开挖中减震沟合理尺寸的研究[J].爆破，2012, 30(1)：50-53．

[9]蔡福广.光面爆破新技术[M].北京:中国铁道出版社,1994.