城市地下工程爆破震动控制技术措施

　　摘　要：文章介绍了爆破震动产生的机理，分析了城市地下工程爆破震动的危害；结合工程实践，总结了8种控制爆破震动的技术措施，如控制单段起爆药量、选择合理的起爆间隔时间及合理的掏槽形式、采用非炸药爆破开挖技术等；并指出，在进行城市地下工程爆破时，要根据具体情况选择合适的震动控制措施。
　　关键词：地下工程；爆破震动；控制措施
　　1引言
　　随着城市化进程的发展，城市空间日益紧张，地下空间的利用大大缓解了这一问题，如修建地铁、地下通道等。在地下工程施工过程中，爆破法开挖以其经济、快捷的特点得到广泛的应用。然而，往往城市地下爆破产生的震动会对附近建筑物或管线等造成影响，影响居民日常生活。因此，研究爆破震动控制技术措施，对爆破技术的发展和城市的发展建设有重要意义。
　　2爆破震动产生的机理
　　爆破震动是由炸药在介质中爆炸产生的震动波在介质中传播而引起的。炸药爆炸时，在炸药周围10~15R（R为炸药半径）内产生冲击波，这一区域介质被炸药产生的高温高压气体所粉碎；随着距离增大（大于10~15R时），冲击波衰减为应力波，这一区域介质会被应力破碎；当距离增大到400~500R时，应力波衰减为弹性波，这一区域的介质会产生弹性震动而不会被破坏，这个弹性波就是爆破震动波。爆破震动波传播到地表会引起地表震动，这就是我们常说的爆破震动。
　　3地下工程爆破震动危害
　　爆破震动是公认的爆破危害之首。地下工程爆破震动会引起爆源附近地表及地表构筑物等一切物体产生震动摇晃。当爆破震动达到一定强度时，就会对附近构筑物或管线造成损伤或破坏，如建筑物墙体开裂、附属物垮落、管线破裂等，严重时可能会造成建筑物的倒塌灾难后果。同时，由于爆破震动的突然性，会对附近居民的生活和心理造成影响。因此，控制爆破震动是地下工程建设中的重要课题。
　　4爆破震动控制技术措施
　　4.1控制单段起爆药量
　　理论和实践已经证明，影响爆破震动的三因素为：炸药药量、爆心距和地质条件。这里，我们可以借用萨道夫斯基经验公式予以说明：
　　v=KQ1/3/Rα
　　式中，v表示爆破震动速度，是目前评价爆破震动大小的主要指标；Q表示一次起爆炸药药量；R表示爆源与测点之间的距离；K、α表示与地质条件有关的系数和衰减指数。
　　可见，爆破震动速度与药量成正比，与距离成反比。在这三因素中，距离和地质情况是客观存在的，是难以或无法人为改变的，所以，控制起爆药量是控制爆破震动最简单最有效的方法。延期雷管帮助人们将一次起爆药量划分为多段延时爆破，大大减小了一次爆破产生的震动。这样，就使得爆破震动主要受单段起爆药量的控制，所以控制好单段起爆药量就可以控制爆破震动。
　　4.2选择合理的起爆时间间隔
　　使用延期雷管进行分段爆破，可以将大药量分为小药量进行，将爆破震动由大变小。但同时应注意爆破震动波的相互影响作用，一般认为，当爆破间隔Δt大于3倍的爆破震动波周期T时，爆破震动波是互不影响的；当Δt小于或等于3T时，震动波是会相互影响的。Langforse通过研究指出，如果爆破间隔Δt=nT，n为整数时，爆破震动波将叠加，爆破震动也将增大；n=1/2，3/2，5/2……时，爆破震动波将会相互干扰，爆破震动将会减弱。因此，选择合理的起爆时间间隔，可以避免爆破震动波的叠加甚至减小爆破震动。
　　使用高精度电子延期雷管，通过电(_"z郷脑程序精确控制每段雷管的起爆时间，将雷管起爆时间间隔Δt设置为1/2T，使爆破震动波相互抵消，减小爆破震动。目前，国内广泛使用的雷管是普通毫秒延期雷管，时间精度较低，其前15段雷管延期时间误差为10~120ms。要想达到控制震动波的干扰目的，延期时间误差应控制在1ms以内。所以，使用普通毫秒延期雷管不能保证达到爆破震动波相互抵消的目的。但是，在使用普通毫秒延期雷管时，可以控制相邻段起爆的时间间隔，避免爆破震动波的叠加。
　　4.3选择合理的掏槽形式
　　大量工程实践证明，一般掏槽爆破产生的震动最大，这是由于掏槽爆破时临空面少，爆破产生的能量除破碎岩石做功外，大部分能量转化为了震动。因此，选择合理的掏槽形式可以控制爆破震动。
　　目前，地下工程常用的掏槽形式有斜眼掏槽和直眼掏槽。楔形掏槽是最常用的一种斜眼掏槽形式，其掏槽体积大，易将岩石抛出，掏槽效果好；但由于岩石夹制作用大，产生的震动也较大。复式楔形掏槽可以改善掏槽爆破震动大的问题，其原理是将单段起爆药量由大化小，且内侧掏槽眼爆破后为外侧掏槽爆破提供了临空面，进而减小了爆破震动；复式楔形掏槽分级越多，爆破震动越小。厦门机场路J3标隧道施工中，将3级复式楔形掏槽改为4级复式楔形掏槽，很好地将震速控制在1ms/s以下，取得了良好的降震效果。空孔直眼掏槽是一种采用装药眼和空孔配合且装药眼和空孔都垂直于工作面的掏槽方式。根据空孔与装药眼的布置形式和起爆顺序的不同，空孔直眼掏槽可分为多种形式，如龟裂掏槽、螺旋掏槽、三角掏槽等。采用大直径空孔直眼掏槽可以控制爆破产生的震动，其原理是大直径空孔为掏槽眼提供了较大的自由面，爆破产生的能量可以由空孔释放掉，减少能量转化为震动，进而减小爆破震动。大直径空孔直眼掏槽相对于斜眼掏槽的优点是：爆破震动小，进尺大，且不受断面尺寸影响；其缺点为：掏槽眼多，钻眼精度要求高，操作不当可能会掏槽失败。另外，爆破震动的大小与距离是成反比的，所以应尽量增大掏槽部位与地面的距离，尽量将掏槽布置在工作面下部。
　　4.4孔外延期和孔内分级爆破技术
　　在微差爆破中，由于受到雷管段别的限制，使得大规模微差爆破难以实现，而采用孔外延期爆破技术可以扩大单次微差爆破规模。孔外延期是指将单次起爆炮孔分为若干组，每组孔内采用同一段或者不同段雷管，组与组之间采用不同段雷管并联的一种起爆方式。采用孔外延期爆破网络时，应注意防止孔外延期雷管与孔内雷管的连线被飞石砸断。孔外延期网络如图1所示。

　　孔内分级爆破技术是指在单个炮孔内使用两个或两个以上段别雷管的分级爆破技术。从孔口到孔底雷管段数依次增大，起爆后炮孔由外向内分级爆破。孔内分级爆破技术将单孔装药由整化散，将单段起爆药量由大化小，既控制了震动又保证了开挖进尺。孔内装药间隔L应大于炸药的殉爆距离，以防止炸药殉爆。装药结构如图2所示。 　　4.5预裂爆破
　　预裂爆破是在开挖轮廓线上密集钻凿炮孔，每孔装填适量炸药，在主爆区起爆之前起爆，在轮廓线上形成一条可以阻断震动波传播的裂缝，这个裂缝称之为预裂缝。预裂缝可以对掏槽眼爆破和辅助眼爆破产生的震动波起到阻断和反射的作用，可以大大减小对围岩的破坏影响，以及减小爆破震动。预裂爆破具体操作起来较为复杂，如果控制不好，不仅不会起到减小爆破震动的效果，可能还会产生更强烈的爆破震动。影响欲裂爆破的因素很多，如孔距、装药量、围岩性质、地质构造等。目前，确定爆破参数的主要方法有理论计算、经验公式和经验类比。首先通过经验类比初步确定爆破参数，根据现场试验进行调整，最后获得满意结果。表1给出了隧道预裂爆破参数值，以供参考。 　　4.6预设减震孔
　　预设减震孔是指使用机械设备在开挖边界或主爆区周围密集钻凿一排或多排小直径或大直径空孔，可对爆破震动波起到阻断反射作用，进而减小隔离带后方的震动，其原理和预裂爆破相似。石门山隧道在开挖施工过程中，使用了预设减震孔措施，在隧道拱部周边设置了3环减震孔，将最大震速由原来的2.71cm/s降至为1.26cm/s，成功地控制了爆破震动。
　　4.7光面爆破
　　光面爆破是地下工程中常用的一种控制爆破技术，通过在开挖轮廓线上钻凿一排孔距与抵抗线相匹配的光爆孔，采用不耦合装药或填装低威力炸药，炮眼在主爆区起爆之后同时起爆以形成平整的开挖轮廓。
　　光面爆破既能形成较光滑平整的轮廓，减少开挖面的超挖、欠挖；又能减小爆破对保留岩体的破坏，保持岩体的完整性和自稳能力；同时，光面爆破还能减小爆破产生的震动。光面爆破的效果取决于周边眼爆破参数的确定，主要有周边眼间距、光爆层厚度、周边眼密集系数和装药集中度。表2给出了隧道光面爆破参数值，以供参考。 　　为获得良好的光面爆破效果，可采取以下措施：
　　（1）采用小直径药卷、低威力和低爆速炸药。
　　（2）采用不耦合装药结构和间隔装药结构，不耦合系数最好大于2。
　　（3）控制好与光爆层相邻的内圈炮眼爆破效果，周边眼应尽量同时起爆，最少相邻3个或3个以上。（4）保证周边眼钻眼精度。
　　4.8非炸药爆破开挖技术
　　在城市地下工程开挖过程中，可能会由于多种因素限制而无法使用炸药爆破开挖，如工作面距建筑物或管线很近、爆破严重影响周围居民的生活等。这里，我们介绍两种采用非炸药开挖技术。
　　燃烧剂是一种可以替代炸药切割破碎岩石、混凝土的混合物，由金属氧化剂（二氧化锰、氧化铜等）和金属还原剂（铝粉等）按一定比例混合而成。燃烧剂在密闭介质中被点燃后，能迅速发生化学反应，释放出一定量的气态生成物和热量，使周围介质急剧受热，在气态产物的膨胀应力和热应力的共同作用下，介质因膨胀程度不同而被胀裂，出现裂缝，同时，气态产物穿入裂缝，通过气刃的尖劈效应使裂缝进一步扩展，最终形成断裂面。与炸药相比，燃烧剂产生的噪音小、飞石少、震动小，但由于其成本高、威力较小、施工操作要求较高，没有得到广泛应用。
　　静态破碎剂是一种可以有效替代炸药切割破碎岩石、混凝土的膨胀剂，主要由氧化钙和无机盐混合而成。静态破碎剂与水按一定比例混合之后，注入钻好的孔内，经一段时间之后，破碎剂膨胀做功，将岩石切割破碎。使用静态破碎剂破碎岩石不产生震动、噪声、粉尘等任何有害影响，是一种绿色环保地下工程开挖技术。在复线铁路一段高边坡扩堑工程中，应用静态破碎技术对岩石进行了成功破碎，并保护了铁路不受破坏，取得了良好的效果。
　　5结论
　　随着城市地下工程的兴建，爆破震动危害逐渐引起了人们的注意，控制爆破震动研究成为一个重要研究课题。本文根据工程实践，总结了目前8种较为有效的爆破震动控制技术措施。由于地下工程爆破施工受环境和施工影响，差异性较大，在采取震动控制技术措施时应因地制宜、综合考虑，选择合适的震动控制措施；同时，在施工过程中要勇于创新，提出更好的震动控制技术措施，使控制爆破震动研究迈上新的台阶。