复杂环境下的地铁隧道爆破技术
邹定祥
(华盛工程及顾问公司，香港)
摘自《工程爆破文集》第七辑
摘 要 兴建中的香港地铁将军澳支线的兰田至油塘段位于港九东区过海隧道之九龙端口。新建的两条隧道从东隧引道之路面以下1.4m穿过，然后再从上部横跨地铁观塘线之两条过海隧道，最近距离3m。为了不影响车水马龙的东区海隧和地铁观塘线之正常运行，承建公司采取了一系列技术措施，在各种仪器的严密监控下，安全、圆满地完成了隧道开挖工程。
关键词 隧道爆破，爆破振动，监测
1 工程简介
香港地下铁路公司正在兴建中的将军澳支线从现有之观塘线的兰田站向东经油塘湾，乌桂山，调景岭，坑口至将军澳。将近年来发展迅速的将军澳新市镇与九龙东区联接起来。从兰田站至油塘一段包括两条地下隧道，两条明挖隧道及近二百万方之岩土开挖平整工程。本文之内容仅涉及两条地下隧道的开挖工程。
工程施工地段正是港九东区过隧道(公路及地铁)之九龙端口。尤为复杂的是新建的地铁隧道要横穿东区过海隧道九龙端之引导公路底部，离路面最小距离1.4m，然后西线再从上部横跨观塘线之两条过海隧道，最近距离3m。两条新线在兰田站与观塘线吻接。
日夜车水马龙的东区过海隧道不允许有任何阻滞，地铁观塘线的运行不能受丝毫影响。施工地段除东线近兰田一段由于接近一断层岩石较为破碎外，其余地段全部为致密、坚硬、完整的花岗岩。坚硬的岩石，复杂的环境对爆破施工提出了严格要求。地铁公司要求承建单位提出一个完整的监控系统，确保工程安全顺利进行。
2 爆破振动的监控
由于隧道爆破在地下进行，它对周围环境的影响和可能造成的破坏主要是爆破产生的地震波。因此对爆破振动的监测和控制，以及对受爆破振动影响的结构物的监测是确保该项工程安全顺利进行的重要环节。
香港多年来一直采用质点最大振动速度(PPV)作为衡量爆破产生之振动的判据。对于一般建筑物和公用设施(如地下供水、排水管)，允许的最大振速为25mm／s。地下铁路公司根据近年来地铁建设的经验和专家评估，认为即使最大振速达到120mm／S也不会对地铁隧道结构和设施造成任何破坏和不利影响。因此在本工程施工中采取了较为灵活的温存振速限制。见下表：
表1 允许的爆破振动速度限制(PPV)，时间和距离
Table 1．Allowable Blasting VibrationI Limits(PPV)，Time and Distance.
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爆破地点与地铁结构的距离 |
允许的爆破振速（PPV） |
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<3m |
不允许爆破 |
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3m—10m |
25/mm• s-1（交通高峰时段*） |
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75/mm• s-1（非交通高峰时段） |
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10m—20m |
25/mm• s-1（交通高峰时段） |
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60/mm• s-1（非交通高峰时段） |
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>20m |
25/mm• s-1（交通高峰时段） |
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50/mm• s-1（非交通高峰时段） |
*交通高峰时段：7：30一10：30(Mon一sat)，16：00—19：30(Mon一Fri)，12：30一13：30(Sat)。
实际在执行时爆破作业都安排在非高峰时段。当距离在3—10m之内，振速只要不超过100mm／S都可以接受。
为了监测爆破振动，每次爆破都在附近100m范围内的结构物，斜坡和公用设施处设置6—8个监测点。地表的监测点用便携式测振仪，地铁隧道内设置固定的三维振动传惑器。
每次爆破所测得的数据都输入电脑进行分析。其中最主要的分析是对振速一距离一单段最大药量之间的关系进行回归分析。回归分析采用香港多年来一直沿用的公式：
PPV=K（R/Q1/2）-α
式中：PPV为质点的最大的合成速度，mm/S；R为爆破点到测振点之间的距离，m；Q为单段延时的最大炸药量，kg；K，α为反映周围岩石性质及爆破条件的常数。
图l是隧道跨越观塘过海线时的一次回归分析图。在采用以上公式计算每段延时的最大药量时，通常都取95％的置信率，以确保安全。
大量数据表明层隧道爆破所产生的震动波在岩体内传播时(P波和s波)波幅随距离衰减远比露天爆破产生的震动波(表面波)要慢得多，即相对于露天爆破导出的方程式中K值要大很多倍。
为了监测爆破作业有否对正运行中的观塘线隧道造成破坏，在观塘线隧道内设置了数十个变形位移监测点和裂缝张合的监测点。每日测取一次数据，并输人电脑进行分析。由于有效地控制了爆破震动，所有的监察数据表明从工程开始直至工程完成，东隧的交通，所有公用设施和现观塘线的结构和安装的所有设施都没有受到不可接受的影响。
3 改善爆破效果，降低爆破震动之技术措施
3.1 一字形大孔掏槽方法
隧道爆破关键在於掏槽孔爆破后能否为其他其它炮孔的爆破创造出足够的第二自由面。为此掏槽孔的药量通常都大于其他炮孔之装药量。从爆破震动的波形图中也可看出。掏槽孔爆破产生的震动波幅通常比其他炮孔高出很多。因此改进爆破效果，降低爆破震动，改进掏槽方法是关键。在隧道开挖穿经EHC地区时，我们采用直径100mm大钻头在掌子面中部先由上自下一字形排列，中心间距200mm，钻3个(有时达5个)大孔，深度2—3m，然后在3个钻好的大孔中的插入一根直径95mm钢管，再在相邻的二孔之间钻100mm直径孔，钻孔完成后由五个大孔(最多时达7个)形成一个宽100mm高达500mm(700mm)之空槽。掏槽孔和其他炮孔则以此开口槽为中心布置(见图2)。这一开口槽为其他炮孔爆破提供了一个很好的第二自由面，不仅大大提高了爆破进尺，而且也有效地降低了爆破震动。
3.2 分区多段微差爆破
隧道开挖进行到接近公路或跨越或靠近既有地铁道时，由于距离很近，允许使用的每爱延时的炸药量很小。除了距离小于3m的部分不得不用非爆破方法开挖外，其余的部分再分成2—3个区，先后爆破。首先爆的是距离最远的部分，因其允许的单段药量较多一点。先爆的部分为余下的部分创造了第二自由面，使其可用较小的药量爆下。图2是当新开隧道离现有之观塘线最小距离为6.5 m时之爆破方案。
由于允许使用的每段延时的药量很小，岩石又十分坚硬，不得不缩小孔距，多打炮孔。为了实现单孔单段延时的效果，一次爆破的爆区又分成3—4个小区，小区之间用0， 17，25，42ms时差间隔。图2中已显示了这一方法。
图2 与观塘线相距6.5m时爆破方案之上部炮孔图
Fig.2 Diagram 0f upper blasting holes 6.5m away from Guantang line
3.3 非爆破方法与爆破方法相结合
由于公路路面及沿路铺设的管线之允许振速PPV为25mm/S，距离为6m之处允许使用的每段延时的最大药量仅0.18kg，公路路面距离设计隧道之拱顶1.4～6.Om，为了保证路面上行车不受隧道开挖的影响，首先沿隧道经过之路段构筑一宽11m厚0.6m之钢筋混凝土路面，路面以下6m之内采用非爆破方法(静态破碎剂和液压碎石机)开挖，6m以外用爆破方法开挖。爆破区超前非爆破区。爆破方法开挖时严格控制每段延时的炸药量(即每孔药量)不超过O.18kg。
尽管隧道穿过公路下部时开挖速度大为降低，但却保证了路面上行如穿梭的车流没受丝毫影响。