铁路隧道近距下穿地铁隧道的微振爆破技术

2.内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，呼和浩特010011)摘要:研究目的:隧道超近距下穿运营地铁隧道时,通常采用机械施工。本文基于目前最先进的起爆器材——

电子雷管，采用隧道电子雷管单孔连续起爆降振技术,利用无线爆破振动监测设备测试每次爆破产生的振动，

优化爆破参数和减振措施，确保运营地铁隧道和列车内人员的安全，形成超近距下穿运营地铁隧道的微振爆 破技术。研究结论：(1)超近接隧道修建时，可以采用微振爆破技术，根据保护目标的要求,可适当增加减振措施；(2)采用微振爆破技术，在施工效率和经济成本方面优于机械施工；(3)掏槽区设置减振孔的减振效果明显，

减振效果与减振孔孔径大小和数量有关;(4)目前的爆破振动规律或计算公式并不适合近接隧道的爆破振动

控制，这种情况下建议:每炮均测试爆破振动，然后调整爆破参数满足控制标准；(5)本研究成果可为近接隧

道施工提供参考。关键词:隧道;微振爆破;下穿;振动控制 中图分类号：U45

文献标识码：AMicro - vibration Blasting Technology for Railway Tunnels beneath Existing

Metro Tunnel in Short DistanceFU Hongxian1 , ZHAO Jigang2, GAO Yufan'(1. Beijing Jiaotong University, Beijing 100044 , China；2. Inner Mongolia Electric Power Survey and Design Institute Limited, Hohhot, Inner Mongolia 010011 , China)Abstract: Research purposes: Mechanic construction is usually used when the tunnel passes under the metro tunnel at

a very short distance. Based on the most advanced initiating equipment 一 electronic detonator, the technology of single 一

hole continuous initiation and vibration reduction of tunnel electronic detonator was adopted in this paper. Wireless blasting vibration monitoring equipment was used to test the vibration generated by each blasting, the blasting parameters

and vibration reduction measures were optimized, the safety of personnel in the operation of subway tunnels and trains

were ensured, and the drilling and blasting technology of running subway tunnels under ultra 一 close distance was

formed.Research conclusions: ( 1 ) When distance between constructing tunnel and existing tunnel is very short, micro 一

vibration blasting technology can be used, and vibration reduction measures can be increased appropriately according to

the requirements of protection objectives. ( 2 ) Using micro 一 vibration blasting technology is superior to mechanical construction in terms of construction efficiency and economic cost. ( 3) The vibration reduction effect of setting vibration

reduction holes in cutting area is obvious, and the vibration reduction effect is related to the size and quantity of vibration reduction holes. (4) The current blasting vibration laws or calculation formulas are not suitable for the control of blasting vibration in adjacent tunnels. In this case, it is suggested that each blast should be used to test the blasting vibration,*收稿日期:2019 -05 -15基金项目：国家自然科学基金项目(51278042) “作者简介:傅洪贤，1966年出生，男，教授。

第9期傅洪贤赵继罡高宇瑙:铁路隧道近距下穿地铁隧道的微振爆破技术73and then the blasting parameters should be adjusted to meet the control standards. (5) The research results can provide

reference for construction of tunnel under ultra - close distance.Key words: tunnel ； micro - vibration blasting； underpass ； vibration control某一铁路客专隧道超近距下穿一运营地铁隧道,

程的设计和施工提供参考。如图1所示。两个地铁隧道均为圆形,直径为5.4 m, 间距8 m,运营期间，地铁列车运行间隔为3 ~5 min。

1爆破振动控制标准及传播规律1.1中国我国《爆破安全规程》(GB 6722—2014)规定㈢：

新建的铁路隧道跨度为14. 18 m,高度为12. 13 m,隧 道拱顶距地铁隧道底板岩石段为2. 5 m,土段为2. 3 m。 该新建铁路隧道开始使用TBM施工，由于隧道掌子

地面建筑物、电站(厂)中心控制室设备、隧道与巷道、

面岩石上软下硬,在剩下100 m时,TBM出现故障，不 能继续施工。剩余段100 m中，有80 m为岩石,20 m 为土。5.4

岩石高边坡和新浇大体积混凝土的爆破振动判据，采 用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频

率，安全允许标准如表1所示。8

5.4该地铁隧道为交通隧道，隧道爆破为地下浅孔

爆破，频率范围为60 - 300 Hz,安全允许振速为15 ~ 20 cm/s0隧道施工是多次爆破振动，考虑振动的损伤

破坏累积,确定该地铁隧道的控制振动标准为10 cm/s0我国《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中控制爆

40100破振动的公式为萨道夫斯基公式，即图1隧道下穿地铁隧道示意图(单位:m)式中V—质点峰值振动速度(cm/s)；在施工隧道距离运营隧道2.5 m情况下通常禁止 爆破施工而采用机械开挖⑴，随着交通基础建设的发

Q——炸药量(kg),齐发爆破为总药量,微差爆

破时为最大一段药量；展，这种环境下的隧道爆破工程会越来越多,因此有必 要利用新技术和新设备研究安全经济的新施工方法。本文以该工程为背景，采用现场试验和理论分析

R——保护目标到爆源的距离(m )；K,a——与爆破点至目标间的地形、地质条件

有关的系数和衰减指数，可按表2选 取，也可通过类似工程选取或现场试 验确定。方法，基于先进的电子雷管起爆技术和无线爆破振动 监测设备，研究近接隧道微振爆破技术，以期为类似工

表1爆破振动安全允许标准序号保护对象类别土窑洞、土坯房、毛石房屋一般民用建筑物安全允许质点振动速度\"(cm•s'1)1/W10 Hz0. 15 -0.4510 Hz V/W50 Hz0.45 ~0.92.0-2.53.5-4.5/>50 Hz0.9 ~ 1.52.5 ~3.04.2 〜5.00.3 -0.50.7 ~0.910-1523456781.5 〜2.02.5-3.50. 1 ~0.2工业和商业建筑物一般古建筑与古迹0.2-0.30.6-0.7运行中的水电站及发电厂中心控制室设备水工隧洞交通隧道矿山巷道永久性岩石高边坡0.5 ~0.67 ~810-1215-188-1012-1515 ~2020 〜3018 ~258~129105〜91.5 ~ 2.03.0 〜4.07.0 -8.010-15新浇大体积混凝土 (C20)：

龄期:初凝~3d 龄期：3 d~7 d 龄期：7 d~28 d2.0 〜2..0-5.0&0 〜10.02.5 ~3.05.0 -7.010.0 ~ 12注：1.爆破振动监测应同时测定质点振动相互垂直的三个分量，表中质点振动速度为三分量中的最大值;振动频率为主振频率。2.频率范围根据现场实测波形确定或按如下数据选取：闹室爆破/<20 Hz；露天深孔爆破/= 10-60 Hz；露天浅孔爆破/ =

40 ~ 100 Hz；地下深孔爆破/=30 ~ 100 Hz；地下浅孔爆破/=60-300 Hz。74铁道工程学报2019年9月表2爆区不同岩性的K、a值与岩性的关系岩性Ka坚硬岩石50 ~ 1501.3 -1.5中硬岩石150 -2501.5 ~1,8软岩石250 ~3501.8 ~2.01.2国外其他国家日本对爆破振动速度的计算公式没有统一的规

定,各公司的规定各有不同⑶。旭化成工业株式会社提岀如下公式：V = KQ\"3r”

(2)式中K一掏槽爆破时,K = 500 ~ 1 000；台阶爆破时,K = 200 -500；n---指数，爆区为黏土层时,“ =2. 5-3. 0；爆区为岩石时,n =2. 0；Q——炸药量,10 kg (3)不同的爆破类型,K值变化范围很大，可参阅表3。表3不同爆破类型的K值爆破类型K坑道掘进掏槽爆破450-900坑道掘进辅助眼顶眼爆破200 -500坑道掘进底眼爆破300 〜700大孔径台阶爆破100 ~300挑顶、振动爆破300 ~2 000P. B. Attwell等人⑶对欧洲采石场的爆破振动

观测数据进行了统计分析，提出的振动速度计算公式

如下：—窗

⑷美国矿业局对20个采石场和建设工地的爆破振

动观测数据进行了统计分析,Devine于1996年提出了

振速的计算公式⑷：Langefors, Kihlstrom151提出的计算公式如下：PPV = K(Q\"'/D)\" (6)印度标准⑷:PPV = K(Q3/2/D)a

(7)学者们对爆破振动传播规律进行了大量研究，研

究成果对控制爆破远区的振动具有较好的指导意义, 但是工程实践证明，这些规律不能指导近接隧道的钻 爆施工°］。因此，近接隧道钻爆施工时,每次爆破均要 进行爆破振动监测,依据振动监测结果调整爆破参数,

确保振动满足要求。2现场试验由于施工铁路隧道拱顶距离地铁隧道底板2. 5 m, 计算爆破振动的公式不适合于这种近接区域。为了解

不同药包在这种情况下产生的准确爆破振动速度，在

下穿地铁隧道前在施工隧道下台阶进行了 2次爆破试

验。试验段围岩为较坚硬的弱风化花岗岩，地下水发 育，地质条件复杂。炮孔布置在下台阶，如图2所示，

炮孔与下台阶上顶面间距为2.5 m,每次试验为3个炮

孔，炮孔间距1 m,炮孔深度2 m。(a)测点空间分布(单位:m)(b)现场布置图图2炮孔布置示意图第一次试验：3个炮孔装药量均为0.6 kg,分别以

1段、3段和5段非电雷管起爆，产生的最大法向振动 速度为36 cm/s。第二次试验：3个炮孔装药量均为 0.4 kg,分别以1段、3段和5段非电雷管起爆,产生的

最大法向振动速度为26 Cm/so典型的振动速度波形

图如图3所示。由上面2次试验可知，隧道爆破下穿地铁隧道时

要确保爆破振动速度满足控制标准10 cm/s,必须采取

降振措施，并尽可能地减少炮孔装药量。3降振措施研究降振方法可以归纳为震源降振法、传播路径降振 法和保护对象降振法⑻。震源降振法包括:尽量减少

总装药量或微差爆破时的单段装药量;选择低威力低

爆速的炸药;选择适当的装药结构，如不耦合装药，空 气间隔装药,采用条形药包，炮孔底部留空气垫层等;第9期傅洪贤赵继罡高宇壬番:铁路隧道近距下穿地铁隧道的微振爆破技术75个炮孔装药量之和。目前,有一种新型起爆雷管——电子雷管,该雷管 采用集成电路延时,延时时间可以根据需要任意设置， 延时时间从0 ms到16 s,延时误差在100 ms为0.5 ms, 大于100 ms时误差在0. 1% -0. 5% o由于电子雷管

延时误差小,延时时间长并且可以根据需要设置，这样 可以实施隧道单孔连续起爆，最大一段装药量为单孔 装药量，也称微振爆破技术⑻。3.2掏槽区设置大孔径空孔振动持续时间/ms隧道爆破时，一般掏槽孔产生的振动最大，原因

为：掏槽孔没有临空面,爆破时夹制作用比其他炮孔

图3振动速度波形图大,装药量比其他孔多。为了减小掏槽孔爆破时的振

分散爆源，减少单点爆炸能量释放量；减小爆破进尺； 采用掌子面分部爆破，充分利用临空面条件，增加自由

动，可以在掏槽区增加空孔。空孔为掏槽孔提供临空 面和岩石破裂空间，减小夹制作用，从而减小掏槽孔爆 破时的振动。掏槽区空孔的减振效果与空孔直径和数 量有关,空孔直径越大，数量越多,减振效果越好。面数量或适当减小最小抵抗线，如采用导洞超前的施

工工法;采用微差爆破技术;掏槽区设置空孔等。传播 路径降振法主要为在爆炸源与需要保护的建筑物之间

在下穿地铁隧道20 m前，利用打管棚的地质钻

设置降振沟槽或降振孔,爆破振动波在传播过程中遇 到沟槽或空孔时，产生反射和折射，使地震波的强度大

机，在掏槽区钻直径为100 mm的大直径空孔10个，长

度20 m,如图4所示。大降低。保护对象降振法是根据保护对象的特点，采

取相应的保护措施，如周边建筑物的补强等。瑞典的 Langefors⑼等人也提岀加大掏槽区空孔体积,减小掏

槽爆破的夹制作用,从而降低爆破振动的措施。下穿地铁隧道时，为了减小爆破施工对地铁隧道 的爆破振动，采用的减振方法为：减小最大一段装药

量、掏槽区设置多个大直径空孔、在保护目标和爆源之 间设置减振孔。3.1减小最大一段装药量由爆破振动控制公式可知，减小最大一段装药量 可以减小爆破产生的振动速度，常规隧道爆破是采用 非电雷管起爆炮孔中的炸药。非电雷管采用延期药进 行延时，延时误差最小12. 5 ms,最大150 ms,段数一般

图4大直径空孔布置图3.3在保护目标和爆源之间设置减振孔为了控制隧道开挖而引起的地铁隧道的沉降，在 开挖隧道的上台阶施作了长40 m、直径159 mm、间距 20 cm的长管棚，如图5所示。该管棚直径大，间距小，

20段，最大延时时间小于2 s。由于段数，隧道爆 破时通常是几个炮孔同时起爆,最大一段装药量是几

起到了减振孔的作用。大直径空孔管棚O°°4¾n O O O O o

4¾ 4°1£1 *202-4 2-5°。OKIO4-602-2 Q[兮1-801-6-12-3O0 4-7°2? 01-4 oO2-3玄。3・3第四部界3-7。3 4。3 2 o2 3

o]3°1-4 01-2° 1-1 01-3 °1・5第二部倉

02-3 寻02-6。2~4。2・2 仪3 昔 263 。32-4 3-1第三部分O , 3

I c2-5 呼 3-O12 m图5上台阶4次爆破炮孔布置示意图76铁道工程学报2019年9月4上台阶爆破参数隧道采用台阶法爆破施工，每次进尺为0.6 m,炮

爆，爆破振动持续时间较长，并且振动速度会叠加增

大，对地铁隧道产生的危险程度较高，因此对上台阶分

4次进行爆破，其炮孔布置如图5所示，爆破参数如 表4所示。严格控制每次爆破段装药量，达到降低振 动的效果。上台阶分4次起爆，炮孔共计86个。爆破参数孔均为直孔，孔深为0.8 m,孔间距为50-60 cm,掏槽 孔布置在空孔周围，炮孔个数为86个左右。虽然采用 电子雷管单孔连续起爆技术，但炮孔较多,如果一次起表4分部开挖第一次 爆破部分炮眼形式掏槽孔扩槽孔雷管类型炮孔个数延时间隔

/ms雷管延时 区间/ms炮孔深度 单孔装药量 段装药量/m0.80.8/kg/kg电子雷管791010合计0~600.20.20.20.20.20.20.20.20.21.41.83.22.22.6110-190第二次 爆破部分扩槽孔1扩槽孔2电子雷管11131010合计0-100150 -2700.80.80.80.80.80.80.80.80.80.8扩槽孔1扩槽孔2爆画分拱脚孔周边孔电子雷管4571010100〜3080 〜120170 -230280 -3604.80.81.01.41.3电子雷管10合计扩槽孔1第四次 爆破部分扩槽孔210101010合计0 ~205.00.60.61.41.617.2拱脚孔37870-90140 ~200250 ~3200.20.20.2周边孔5现场监测由于目前计算爆破振动速度的公式不适合于近接

情况如图7、图8、图9所示。隧道爆破振动速度的控制，为了确保地铁隧道爆破 振动速度不超过控制标准，每次爆破均进行爆破振动 监测。由于监测点为地铁隧道底板，运营期间为上午 5：30至晚上11：00点,地铁列车运行间隔为3 ~5 min, 监测人员无法进入，因此采用无线监测。监测设备为 TC -4850N无线网络测振仪。该监测振动仪是专为

(a) TC-4850N振动监测仪工程爆破设计的便携式遥感振动监测仪，可用于有 3G/GPRS等无线信号覆盖的工程现场，对无人值守的

监测现场进行长时间智能远程数据采集，完成遥测、遥 控、高速无线数据传输。速度传感器布置在地铁隧道 底板的道床上,TC -4850N无线网络测振仪固定在隧 道壁上，如图6所示。监测时间40 d,获得了大量的振动波形图及振动

数据。对每次爆破所得的监测数据进行整理对比发

现,第一部分掏槽爆破引起的测点振动最大，这主要是 因为此部分爆破时临空面较少，爆破夹制作用大，从而 引起较大的振动。第一部分爆破对地铁隧道轨道振动

(b)传感器布置图6振动监测仪和速度传感器布置位置图第9期傅洪贤 赵继罡 高宇蹒:铁路隧道近距下穿地铁隧道的微振爆破技术774E・

286

23

8.943.)。、酬瑕療曙

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,1.87\\ 0.69 小 “

Cd0-35 0.30°j0.67-12.0-11.2-10.4 -9.6 -8.8 -8.0 -7.2 -6.4 -5.6 -4.8 -4.0 -3.2 -2.4 -1.6 -0.8 0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0 8.8

测点到隧道掌子面的水平距离/m图7 X水平方向振动速度与测点到隧道掌子面水平距离的关系-12.0-11.2-10.4 -9.6 -8.8 -8.0 -7.2 -6.4 -5.6 -4.8 -4.0 -3.2 -2.4 -1.6 -0.8 0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0 8.8

测点到隧道掌子面的水平距离/m图8 丫水平方向振动速度与测点到隧道掌子面水平距离的关系-12.0-11.2-10.4 -9.6 -8.8 -8.0 -7.2 -6.4 -5.6 -4.8 -4.0 -3.2 -2.4 -1.6 -0.8 0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0 8.8测点到隧道掌子面的水平距离/m图9竖直方向振动速度与测点到隧道掌子面水平距离的关系6结论(1) 近接隧道修建时，可以利用电子雷管采用微 差爆破技术开挖。根据保护目标的要求，适当增加减 振措施。(4)目前，爆破振动规律或计算公式对控制爆破 远区的振动比较有效，但是对控制近接隧道爆破施工

的振动不适合，这种情况下建议：每炮均测试爆破振

动,然后调整爆破参数满足控制标准。(2) 采用微振爆破技术，在施工效率和经济成本 方面优于机械施工。参考文献：[1 ] Yan W・ M. , Yuen K. V・ On the Proper Estimation of

the Confidence Interval for the Design Formula of Blast - Induced Vibrations with Site Records [ J ]・ Rock(3) 掏槽区设置减振孔的减振效果明显，减振效 果与减振孔孔径大小和数量有关。78铁道工程学报2019年9月Mechanics and Rock Engineering, 2015 (1) ：361 -374.Design of Structures Subjected to Underground Blast.

[2] [3]

GB 6722—2014,爆破安全规程[S].GB 6722—2014,Safety Regulation for Blasting[ S]・王旭光，于亚伦，刘殿中.爆破安全规程实施手册[M].

ISI Bull, IS-6922.1973・[7] 傅洪贤，赵勇，谢晋水，等.隧道爆破近区爆破振动测试 研究[J].岩石力学与工程学报,2011(2)=335 -340.北京:人民交通出版社,2004.Wang Xuguang, Yu Yalun, Liu Dianzhong・ Manual for

Fu Hongxian, Zhao Yong, Xie Jinshui, etc. Study of Blasting Vibration Test of Area Near Tunnel Blasting

the Implementation of Blasting Safety Regulations [ M]. Beijing: China Communications Press, 2004・Source [ J ]・ Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011(2) ：335 -340.[4] Duvail W・ I. , Fogelson D. E・ Review of Criteria for

Estimating Damages to Residences from Blasting

[8] 赵勇.隧道设计理论与方法[M].北京:人民交通出版社 股份有限公司,2019.Zhao Yong. Theory and Method of Tunnel Designf M]. Beijing：China Communications Press Co. , Ltd. , 2019.Vibrations[R]. US：US Bureau of Mines, 1962.[5 ] Langefors U. , Kihlstrom B. The Modern Techniques of

[9 ]

Langfors U. , Kihlstroam B. The Modern Technique ofRock Blasting [ M ]. New York: John Wiley and Sons Inc. 1963.Rock Blastingf M]. New York： Wiley, 1963・[6 ] Indian Standard Institute. Criteria for Safety and

(上接第42页 From P. 42)参考文献：[1 ] Ding Youliang, Sun Peng, Wang Gaoxin, etc. Early -

[J]. Journal of Bridge Engineering, 2006 (3) ： 320 -

328.[5 ] BS00, Steel, Concrete and Composite Bridges - Part10: Code of Practice for Fatiguef S]・Warning Method of Train Running Safety of a High 一 Speed Railway Bridge Based on Transverse Vibration

[6] 朱志辉，龚威，王力东，等.列车一轨道一桥梁耦合系统 动力方程求解方法对计算精度和效率的影响[J].中国

Monitoring[ J]・ Shock and Vibration, 2015：1 -9.[2] 朱志辉，赵婷婷,王力东，等.基于随机振动模型的重载

铁道科学,2016(5):17 -26.铁路拱桥吊杆应力冲击系数研究[J].振动工程学报，

Zhu Zhihui, Gong Wei, Wang Lidong,etc・ Influence of Solution Method for Dynamics Equation of Train - Track - Bridge Coupled System on Calculation Precision

2017(6): 955 -9.Zhu Zhihui, Zhao Tingting, Wang Lidong, etc. Stress

Impact Factor of the Suspenders of Heavy 一 Haul

and Efficiency [ J ]. China Railway Science, 2016 (5)： 17-26 ・Railway Arch Bridge Based on Random Vibration Model [J ]. Journal of Vibration Engineering ,2017 (6)：

[7] Li H・,Frangopol D. M・,Soliman M・,etc. Fatigue

Reliability Assessment of Railway Bridges Based on Probabilistic Dynamic Analysis of a Coupled Train 一

955-9・[3] Kwon K. , Frangopol D. M. Bridge Fatigue Reliability

Assessment Using Probability Density Functions of

Bridge System [ J ]・ Journal of Structural Engineering,

Equivalent Stress Range Based on Field Monitoring Data[ J]・ International Journal of Fatigue, 2010 (8)：

2015(3) ：0401515&[8] Zhang Y. L. , Wang L. , Du X. T. , etc. Safety and Applicability Evaluation of Railway Bridges in China [J ]・ Journal of Civil Engineering and Architecture,

1221 -1232.[4] Macdougall C. , Green M. F. , Shillinglaw S・ Fatigue Damage of Steel Bridges Due to Dynamic Vehicle Loads

2010(l)：53-59・