浅埋岩溶隧道开挖超前预报与监测
2015-06-15
1 前言
岩溶地质区域隧道开挖中爆破极易造成隧道结构和围岩损伤，使临近溶洞和隧道之间产生贯通裂隙，破坏了原有的应力场，使局部围岩产生应力集中，降低了围岩的自稳能力，对隧道结构及围岩的稳定性产生不利影响，尤其在浅埋区域，由于已开挖的洞身改变了浅层岩体的整体结构，掘进爆破产生的地震效应造成的破坏更大，处理不当极易造成冒顶事故，同时爆破强度易造成浅埋段地表建筑物结构破坏，本文通过实例探讨隧道穿越浅埋段岩溶区域时对开挖爆破及建筑物安全的控制。
2 工程概况
隧道主要地层岩性为二叠系的灰岩、泥岩及页岩和龙潭组的煤系地层和三叠系的灰岩、泥质灰岩、页岩。
根据现场地质调查，在隧址区有3处房子处于隧道施工直接影响范围：
1#木房，房子陈旧，已倾斜；最小埋深约15m，房子基础为粘土层，因此隧道开挖过程中可能出现基底失稳和爆破扰动加剧原有结构失稳的可能性。
2#砖房：两户，房子为砌体结构，抗震性能较差，2#房屋户主已反映因爆破扰动致房子漏水。砌体结构在爆破扰动下可能产生突然破坏，应谨慎，此段浅表风化层薄，房屋基础为强风化灰岩，隧道埋深约25m，在隧道开挖过程中主要问题是爆破震动对砌体结构的损害，但基底基本是安全的。
3#木房，房屋较陈旧，距离隧道右洞轴线约21m。考虑此段隧道埋深，隧道开挖变形对其的附加影响可以忽略，但其为年久木房，爆破扰动因素仍不可忽视。
构造裂隙：在隧道中线左侧顺C1煤层走向翻过山坳，有一列崩塌形成的陡壁，陡壁末端有竖向溶洞，推测附近存在构造裂隙或小断层。溶洞出口原地下水发育，周边（翻过山坳）为一片水田，后因友谊煤矿施工，导致地下水干涸，只能成为旱地。
3 浅埋段岩溶区域地质探测
高密度电法属直流电阻率法，测量结果为二维视电阻率断面。高密度电法具有点距小、数据密度大、工作效率高的特点，能较直观、准确地反映地下电性异常体的形态，本次采用WGMD-3型高密度电法仪，沿隧道轴线及垂直轴线方向布置4条测线。
对采集数据进行分析，确认部分溶蚀裂隙发育ZK19+860～ZK19+885可能有垂直岩溶管道；ZK19+956～ZK19+970和YK19+810～YK19+840岩溶裂隙较发育。风化层厚度存在左洞相对较薄，靠煤层一侧强风化层较厚，地下水较发育。ZK19+800～ZK19+780为C3煤层采空区。
4 爆破开挖设计
在工程爆破实践中，遇到的通常是不均匀与不连续性质的岩土介质，因此在岩土介质中产生的波动现象非常复杂。岩溶区的隧道掘进爆破中，在爆炸冲击波作用下的宏观裂隙区以及爆生气体驱动下的裂纹扩展区范围很小，一般只有药包半径的10～15倍，可将该区计入爆破作用中区，而爆破作用远区传播的是弹性波。围岩在爆炸应力波的作用下微裂纹激活并扩展，当微裂纹扩展到一定程度，各微裂纹就有可能相互贯穿形成裂隙。因此，隧道掘进爆破的关键是控制爆破作用下围岩中裂隙的产生和扩展。
目前普遍采用萨道夫斯基公式进行爆破控制设计，即 ，其中m为药量指数，一般取3或2；特征系数K、a是与现场地形、地质条件等因素相关的系数，通过萨道夫斯基公式对对岩溶隧道爆破溶洞围岩中地震波的传播速度进行拟合，分析其衰减规律，初步确定岩溶隧道爆破溶洞围岩质点安全振速。
当溶洞与隧道处于不同的空间位置关系时，隧道爆破开挖时应力将重新分布，在隧道拱顶、直墙和墙脚不同位置会出现破坏危险区域，使临近溶洞与隧道之间产生裂隙贯通，降低围岩承载力，而且破坏了原有应力场，使局部围岩产生应力集中，对施工及隧道的稳定产生不利影响。因此岩溶区隧道爆破开挖过程，关键就是控制爆破开挖对临近溶洞的影响，采用合理的控制爆破技术，严格控制爆破危害。
5 爆破震动监测
隧道爆破对地面建筑物的破坏程度主要取决于质点峰值震动速度，对于岩溶溶洞区域，采用震动监测确定岩溶溶洞在隧道爆破下的安全震动速度，本次爆破震动监测仪器采用EXP3850震动采集仪，分别在3栋建筑物周边布设10个测点，同时在临近溶洞区段开挖爆破时在洞壁布设测点进行监测。
根据我国《爆破安全规程》（GB6722-2003）规定：地面建筑物、电站(厂)中心控制室设备、隧道与巷道、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。
通过对地表建筑物爆破震动监测结果，在30个测点共计120次爆破监测数据记录中，测定频率最低为12.5Hz，最大合速度为2.020 cm/s，主要分布范围为0.895～1.643 cm/s，远远超过安全允许质点震动速度，因此在开挖爆破临近建筑物时极易造成建筑物结构破坏，需将隧址区地表建筑物拆迁，以保证人员安全；通过对临近岩溶段隧道洞壁爆破震动监测，径向最大震动速度为3.216 cm/s，爆破震动不会对隧道构成破坏，在溶洞段对溶洞段隧道开挖爆破地震波的传播规律可知，垂直于溶洞腔表面的质点震动速度明显大于其切向的震速。
6 结论
（1）通过地质调查及高密度电法对浅埋岩溶段的地质情况进行分析，结合萨道夫斯基公式确定合理的爆破参数；
（2）通过对地表建筑物的爆破震动监测确认开挖爆破易造成建筑物破坏，需尽早拆迁；
（3）对隧道洞壁爆破震动监测爆破对围岩及溶洞的危害控制标准应该综合考虑介质表面径向和切向质点振动速度，以径向为主。
