淺埋巖溶隧道開挖超前預報與監(jiān)測
2015-06-15
1 前言
巖溶地質區(qū)域隧道開挖中爆破極易造成隧道結構和圍巖損傷，使臨近溶洞和隧道之間產(chǎn)生貫通裂隙，破壞了原有的應力場，使局部圍巖產(chǎn)生應力集中，降低了圍巖的自穩(wěn)能力，對隧道結構及圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，尤其在淺埋區(qū)域，由于已開挖的洞身改變了淺層巖體的整體結構，掘進爆破產(chǎn)生的地震效應造成的破壞更大，處理不當極易造成冒頂事故，同時爆破強度易造成淺埋段地表建筑物結構破壞，本文通過實例探討隧道穿越淺埋段巖溶區(qū)域時對開挖爆破及建筑物安全的控制。
2 工程概況
隧道主要地層巖性為二疊系的灰?guī)r、泥巖及頁巖和龍?zhí)督M的煤系地層和三疊系的灰?guī)r、泥質灰?guī)r、頁巖。
根據(jù)現(xiàn)場地質調查，在隧址區(qū)有3處房子處于隧道施工直接影響范圍：
1#木房，房子陳舊，已傾斜；最小埋深約15m，房子基礎為粘土層，因此隧道開挖過程中可能出現(xiàn)基底失穩(wěn)和爆破擾動加劇原有結構失穩(wěn)的可能性。
2#磚房：兩戶，房子為砌體結構，抗震性能較差，2#房屋戶主已反映因爆破擾動致房子漏水。砌體結構在爆破擾動下可能產(chǎn)生突然破壞，應謹慎，此段淺表風化層薄，房屋基礎為強風化灰?guī)r，隧道埋深約25m，在隧道開挖過程中主要問題是爆破震動對砌體結構的損害，但基底基本是安全的。
3#木房，房屋較陳舊，距離隧道右洞軸線約21m?？紤]此段隧道埋深，隧道開挖變形對其的附加影響可以忽略，但其為年久木房，爆破擾動因素仍不可忽視。
構造裂隙：在隧道中線左側順C1煤層走向翻過山坳，有一列崩塌形成的陡壁，陡壁末端有豎向溶洞，推測附近存在構造裂隙或小斷層。溶洞出口原地下水發(fā)育，周邊（翻過山坳）為一片水田，后因友誼煤礦施工，導致地下水干涸，只能成為旱地。
3 淺埋段巖溶區(qū)域地質探測
高密度電法屬直流電阻率法，測量結果為二維視電阻率斷面。高密度電法具有點距小、數(shù)據(jù)密度大、工作效率高的特點，能較直觀、準確地反映地下電性異常體的形態(tài)，本次采用WGMD-3型高密度電法儀，沿隧道軸線及垂直軸線方向布置4條測線。
對采集數(shù)據(jù)進行分析，確認部分溶蝕裂隙發(fā)育ZK19+860～ZK19+885可能有垂直巖溶管道；ZK19+956～ZK19+970和YK19+810～YK19+840巖溶裂隙較發(fā)育。風化層厚度存在左洞相對較薄，靠煤層一側強風化層較厚，地下水較發(fā)育。ZK19+800～ZK19+780為C3煤層采空區(qū)。
4 爆破開挖設計
在工程爆破實踐中，遇到的通常是不均勻與不連續(xù)性質的巖土介質，因此在巖土介質中產(chǎn)生的波動現(xiàn)象非常復雜。巖溶區(qū)的隧道掘進爆破中，在爆炸沖擊波作用下的宏觀裂隙區(qū)以及爆生氣體驅動下的裂紋擴展區(qū)范圍很小，一般只有藥包半徑的10～15倍，可將該區(qū)計入爆破作用中區(qū)，而爆破作用遠區(qū)傳播的是彈性波。圍巖在爆炸應力波的作用下微裂紋激活并擴展，當微裂紋擴展到一定程度，各微裂紋就有可能相互貫穿形成裂隙。因此，隧道掘進爆破的關鍵是控制爆破作用下圍巖中裂隙的產(chǎn)生和擴展。
目前普遍采用薩道夫斯基公式進行爆破控制設計，即 ，其中m為藥量指數(shù)，一般取3或2；特征系數(shù)K、a是與現(xiàn)場地形、地質條件等因素相關的系數(shù)，通過薩道夫斯基公式對對巖溶隧道爆破溶洞圍巖中地震波的傳播速度進行擬合，分析其衰減規(guī)律，初步確定巖溶隧道爆破溶洞圍巖質點安全振速。
當溶洞與隧道處于不同的空間位置關系時，隧道爆破開挖時應力將重新分布，在隧道拱頂、直墻和墻腳不同位置會出現(xiàn)破壞危險區(qū)域，使臨近溶洞與隧道之間產(chǎn)生裂隙貫通，降低圍巖承載力，而且破壞了原有應力場，使局部圍巖產(chǎn)生應力集中，對施工及隧道的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。因此巖溶區(qū)隧道爆破開挖過程，關鍵就是控制爆破開挖對臨近溶洞的影響，采用合理的控制爆破技術，嚴格控制爆破危害。
5 爆破震動監(jiān)測
隧道爆破對地面建筑物的破壞程度主要取決于質點峰值震動速度，對于巖溶溶洞區(qū)域，采用震動監(jiān)測確定巖溶溶洞在隧道爆破下的安全震動速度，本次爆破震動監(jiān)測儀器采用EXP3850震動采集儀，分別在3棟建筑物周邊布設10個測點，同時在臨近溶洞區(qū)段開挖爆破時在洞壁布設測點進行監(jiān)測。
根據(jù)我國《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）規(guī)定：地面建筑物、電站(廠)中心控制室設備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土的爆破振動判據(jù)，采用保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率。
通過對地表建筑物爆破震動監(jiān)測結果，在30個測點共計120次爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄中，測定頻率最低為12.5Hz，最大合速度為2.020 cm/s，主要分布范圍為0.895～1.643 cm/s，遠遠超過安全允許質點震動速度，因此在開挖爆破臨近建筑物時極易造成建筑物結構破壞，需將隧址區(qū)地表建筑物拆遷，以保證人員安全；通過對臨近巖溶段隧道洞壁爆破震動監(jiān)測，徑向最大震動速度為3.216 cm/s，爆破震動不會對隧道構成破壞，在溶洞段對溶洞段隧道開挖爆破地震波的傳播規(guī)律可知，垂直于溶洞腔表面的質點震動速度明顯大于其切向的震速。
6 結論
（1）通過地質調查及高密度電法對淺埋巖溶段的地質情況進行分析，結合薩道夫斯基公式確定合理的爆破參數(shù)；
?。?）通過對地表建筑物的爆破震動監(jiān)測確認開挖爆破易造成建筑物破壞，需盡早拆遷；
?。?）對隧道洞壁爆破震動監(jiān)測爆破對圍巖及溶洞的危害控制標準應該綜合考慮介質表面徑向和切向質點振動速度，以徑向為主。
