隧道爆破施工减振措施分析
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摘要：随着轻轨、地铁等轨道交通的快速发展，须修建大量地下隧道。重庆由于特殊的地理位置，其岩层埋藏较浅，多为IV围岩，需要进行爆破施工。为了减少和避免对隧道上部和附近建筑物的影响，在安全距离不能满足规范计算值条件下，通过在隧道周边设置减震孔达到了顺利施工的目的。
关键词：爆破振动；振速；减震孔
前言
轻轨交通以其高效、快捷、环保等优点,成为缓解城市交通和减少污染的有效手段,但是由于城市即有建筑的存在，须修建大量地下隧道。为了加快施工的进程，岩层地段不可避免要采用爆破施工，但爆破通常会对现有建筑物带来一定的影响。采用合理有效的减振措施，是达到顺利施工的关键。
一、工程概况
某区间隧道起止里程为YK0+400.000～YK0+617.672，共217.672m。本段线路出露地层自上而下分别为：第四系全新统人工杂填土、卵石土、下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组砂岩和砂质泥岩。岩层主要由一套紫褐色砂质泥岩和黄色--黄灰色砂岩组成，基岩强风化带厚度一般小于1.0m，局部地段基岩由于地表水的影响，强风化带厚度较大，达1.5～2.0m，基岩强风化带岩体破碎，风化裂隙发育，岩质软。围岩级别为IV类围岩。
隧道埋深仅7.8～12.6m，顶板岩层厚度为仅3.5～11.1m，为超浅埋隧道，其具体埋深情况如表1。
表1区间隧道埋深情况
里程（YK0+） 长度（m） 埋深(m) 顶板岩层厚度（m）
400～430.083 30.08 3 11.1～12.2 9.0～9.6
430.0 83～479.82 2 49.739 7.8～9.0 5.5～4.0
479.8 22～504.86 1 25.039 8.5～9.3 3.5～4.2
504.8 61～570 65.139 10.2～12.6 9.5～5.1
570～60 7.465 37.465 12.6 11.1～9.5
607．465～617.672 10.207 12.6 9.5～10.3
同时该隧道沿线在许多既有的重要建筑物：饭店、国际服装城，隧道上面为道路。隧道与上述建筑物平面关系见图1和表2。
图1小区间隧道沿线环境图
表2区间隧道与相邻重要建筑物关系
建筑物名称 隧道 饭店 国际服装城
里程 KO+450～KO+480 KO+498～KO+533 ZKO+534～ZKO+567
结构结构类型 地下暗挖隧道 钢筋混凝土 钢筋混凝土结构
基础类型 / 条基 桩基
隧道跨度 / 17，2～19.6m 17.2
平面关系 上跨隧道 下穿条基 邻近桩基
标高关系 隧道顶部距拟建隧道底部距离约6.7m 基底至隧道顶板的最小垂直距离约为3.9m。 隧道桩号ZK0+534～ZK0+567,左侧距衬砌边最小距离2.5m
由于隧道处于IV围岩内，需要采用爆破施工。如何避免爆破施工对既有建筑的破坏和道路的沉降，是施工中涉及的重要问题。
二、爆破分析
1爆破技术控制原则
为了尽量避免爆破施工对既有建筑的破坏和其上部道路的影响，根据专家组的意见，小区间隧道爆破施工控制原则是：地表面质点振动速度在允许范围内，最大允许安全振速为2cm/s。
2安全距离计算
根据《爆破安全规程》（GB6772-2003），爆破允许安全振速和距离关系按下面公式计算：
式中，V---允许安全振速，/s；Q---一次装药量，；R---为爆心距，m；
K、α---与爆炸点至计算保护间的地形、地质等有关条件的系数和衰减指数。
根据工程计划和场地的具休工程条件，先行确定的爆破的实行装药量。朝小区间隧道爆破施工控制地表面质点振动速度最大允许安全振速为2cm/s，按公式计算得到的本工程的安全距离见表3。
表3 允许安全距离计算表
部位 雷管段别 v(cm/s) K a 一次起爆药量（Kg） 计算的安全距离（m） 实践深埋（m）
掏槽眼 Ms-1～17 2 250 2 3.4 16.8 7.8～12.6
扩槽眼 Ms～9 2 250 2 3.1 16.3
辅助眼 Ms～10 2 250 2 3.0 16.1
辅助眼 Ms～11 2 250 2 2.9 15.9
辅助眼 Ms～12 2 250 2 2.8 15.8
内圈眼 Ms～13 2 250 2 2.6 15.4
周边眼 Ms～14 2 250 2 0.6 9.4
底眼 Ms～15 2 250 2 3.2 16.5
由表1可知，本工程隧道的实际埋深不能满足爆破施工按约定的最大允许安全振速（
3爆破施工方案
根据小区间隧道顶板岩层厚度及洞室周边建筑物情况，施工中采用了如下爆破方案：YK0+570～YK0+617.672长47.672m，为大断面及单线隧道，顶板岩层厚度为9～11.1m，采用普通的光面爆破法施工。
YK0+430.083～YK0+570的大断面及双车道隧道段共长139.917m，顶板岩层厚度为3.5～9.5m，其中K0+450～K0+480为上跨隧道地段、K0+498～K0+533为过饭店地段、ZK0+534～ZK0+567为国际服装城地段，采用控制爆破法施工。
4减振措施
1）控制爆破原理
控制爆破主要是通过在拱部周边布设减震孔形成减震隔离带；和小导坑超前开挖所创造爆破凌空面达到减震之目的，其原理就是利用爆破凌空面和减震隔离带在爆破时对爆破震动能力的大量吸收及消耗；使隔离带后面的区域受到的震动大大减小；同时减少了断面的装药量，在爆破时也大大减少了对洞顶附近建筑物的扰动，从而确保了爆破安全。
2）施工主法
①布眼方法：布眼方法见图2。在拱部周边共布设设三环，孔间距为350mmx350mm，梅花形布设，第一环沿开挖轮廓线外侧35cm布设，第二环沿开挖轮廓线布置，减震孔间隔布设一排φ40周边眼，在开挖轮廓线内侧35cm布置第三环减震孔，减震孔间布设二圈眼，所有减震孔均不装药。
②施工方法：采用水平钻机进行钻孔，孔径大小为φ100mm，钻孔深度为25m，先开挖工作室，工作室较设计开挖轮廓线向外扩挖100cm，沿隧道纵向长度为3.5m，开挖后挂网喷射C25砼厚20cm，后期施工再用C30砼回填工作室。
图2：减振孔布制图
三、减震孔效应分析
1数值模拟计算
本工段YK0+430.083～YK0+570段顶部岩石薄，邻近重要建筑物（隧道、饭店、国际服装城等）采用控制爆破法施工，主要是通过在拱部周边布设减震孔形成减震隔离带达到减震之目的。
1.1数值模拟理论分析
为了了解该控制爆破法施工的效果，对设置减震孔前和设置减震孔后隧道爆破分别进行了数值模拟分析。分析采用LS-DYNA动力分析软件，ANSYS作前处理，lsprepostd作后处理分析。LS-DYNA是一个以显式为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性问题。
采用Lagrange的方法来描述炸药及与它发生相互作用的材料，此算法的优点是可以得到清晰的物质界面。炸药和结构之间的关系通过定义接触关系来实现。
1)岩土材料的本构模型：采用双线性弹塑性(图3)，材料达至屈服后应力不再增加，即没有塑性硬化产生。
图3：岩石本构模型
2）炸药的状态方程采用*EOS_JWL，其压力与体积应变关系为：
3）边界条件：实际尺寸截面取隧道一部份。由于隧道下部实际区域较大，为了克服爆破产生的应力波在传输到物体边界的时候会有一部分反射回来再次影响施加载荷，因此下部边界条件采用了无反射边界，既通过添加透射边界，来模拟无限区域。
1.2数值模拟结果分析
1）通过数值模拟,研究了设置减震孔前后爆破时开挖隧洞围岩的动力响应规律,得到了不同爆心距处围岩的峰值振速分布规律,以及爆破振动峰值振速在不同部位的衰减规律。
2）隧道围岩破坏图
图4为设置减震孔前爆破后岩石破坏图，图5为设置减震孔后爆破后岩石破坏图，从图中可知，设置减震孔后增大了岩石的破坏面积。
图4设置减震前孔爆破后岩石破坏图
图5设置减震孔后爆破后岩石破坏图
1）隧道围岩应力云图
图6为设置减震孔前爆破后隧道围岩主应力云图，图7为设置减震孔后爆破后隧道围岩主应力云图，从图中可知，减震孔的设置减少了孔后围岩遭受的爆破应力。
图6 设置减震孔前爆破后主应力云图
图7 设置减震孔后爆破后主应力云图
2）振速变化
图8为设置减震孔前爆破后孔后1.5m、4m处振速，图9为设置减震孔后爆破后孔后1.5m、4m处振速。理论计算表明，设置减震孔对减少爆破后的振速的效果还是很明显的，距爆破点1.5m处振速只有未设置减震孔的七分之一，距爆破点4.5m处振速也有明显减少。
2爆破试验
为了验证理论计算的准确性和了解实际可装药量，选取了试验段进行了爆破试验分析，并进行了设置减震孔前后的对比分析。
图8 设置减震孔前爆破后1.5m振速图 图9 设置减震孔后爆破后1.5m振速图
图10 设置减震孔前振速图 图11 设置减震后振速图
图10和图11为设置减震孔前后爆破试段段布置在建筑物上同一测点的振速图，其实测最大振速设置减震孔前为2.71cm/s，设置减震孔后为1.26cm/s。
①实测振速说明，设置减震孔后，建筑物上振速有了明显的减少，已能满足爆破控制原则确定的最大允许安全振速为2cm/s。②也说明理论计算和工程实际不可避免地存在差异。
五、结束语
①按不考虑减振措施计算，朝小区间隧道隧道的实际埋深不能满足爆破施工按约定的允许安全振速（
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