復(fù)線隧道開挖爆破振動監(jiān)測分析與振速預(yù)測

周建軍

（中鐵六局太原鐵建，山西 太原 030001）

復(fù)線隧道開挖爆破振動監(jiān)測分析與振速預(yù)測

周建軍

（中鐵六局太原鐵建，山西 太原 030001）

復(fù)線隧道施工爆破振動對既有隧道會有較大的影響。文章根據(jù)新懸泉寺隧道開挖爆破施工實(shí)際情況，選擇了合適的爆破監(jiān)測方案。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，平行既有線的隧道掘進(jìn)爆破對既有線側(cè)壁徑向影響最大。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于最小二乘法的回歸分析得出了K、α值；采用經(jīng)驗(yàn)公式線性回歸法對爆破振動速度進(jìn)行預(yù)測，依據(jù)預(yù)測結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整施工爆破參數(shù)。

爆破振動；線性回歸；預(yù)測分析

1 引言

隨著國家交通基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，新建復(fù)線工程越來越多，由于受各種條件的限制，新建復(fù)線隧道與既有隧道之間設(shè)計(jì)距離較近。復(fù)線隧道的施工爆破產(chǎn)生的振動對既有隧道的影響一般都比較大，有可能對鄰近既有隧道造成損傷，特別是對于兩隧道間距偏小的情況。因此，如何科學(xué)地根據(jù)現(xiàn)場隧道爆破振動監(jiān)測的反饋信息，了解新建隧道的爆破對近距離既有隧道的影響，同時(shí)通過監(jiān)測分析結(jié)果，預(yù)測前方隧道開挖爆破振動強(qiáng)度，對開挖隧道的爆破參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)或優(yōu)化，使爆破振動強(qiáng)度不至于危及既有隧道的安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章結(jié)合實(shí)際工程對既有隧道振動強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析新建隧道爆破對既有隧道的影響，確定合理的爆破參數(shù)，確保新建隧道安全順利施工及既有隧道的正常運(yùn)營。

2 工程概況

新懸泉寺隧道位于山西省太原市剝蝕侵蝕中山區(qū)，隧道起止里程為DK20+494.77～DK21+378.00，為全長883.23 m的單線電氣化鐵路隧道。隧道最大埋深約190 m。隧道圍巖類型DK20+493～DK20+508段為Ⅲ級；DK21+355～DK21+363段為Ⅲ級;DK20+508～DK21+363段為Ⅱ級；DK21+363～DK21+375段為Ⅳ級。該隧道與既有太（原）—嵐（縣）電氣化鐵路上的懸泉寺隧道并行，兩線間距為30～40 m之間。為確保既有隧道及行車的安全，首先對開挖爆破進(jìn)行振動監(jiān)測，然后運(yùn)用線性回歸對爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析。

3 既有隧道爆破振動監(jiān)測方案

3.1 測試設(shè)備選擇

監(jiān)測系統(tǒng)的好壞將直接影響測試結(jié)果的可靠性，甚至關(guān)系到測試的成敗。因此在選擇測試系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)預(yù)估被測信號的幅值范圍和頻率范圍選擇測試儀器。本次測試儀器選用UBOX-5016爆破振動智能檢測儀及配套的水平、垂直速度傳感器。該測試系統(tǒng)具有量程大、通頻帶范圍廣的特點(diǎn)，并且該儀器自帶電池供電，不需外接電源，與傳統(tǒng)的測試方法相比，避免了現(xiàn)場測量導(dǎo)線的鋪設(shè)、檢查、回收等大量工作，解決了現(xiàn)場測量對交流電的依賴問題，使現(xiàn)場測試更方便、高效；而且憑借計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，數(shù)據(jù)處理更加準(zhǔn)確、方便，功能更完善，能極大地提高工作效率，該系統(tǒng)完全滿足測試要求。

3.2 爆破監(jiān)測內(nèi)容

目前，國內(nèi)外大都采用質(zhì)點(diǎn)振動速度作為衡量隧道受爆破震動影響的主要物理量，關(guān)于爆破震動的研究也是以振動速度的測量和分析為依據(jù)。因此，本次測試采用地震波質(zhì)點(diǎn)振動速度作為爆破地震波的測試量。每一測點(diǎn)測試3個(gè)分量，即一個(gè)豎直分量和兩個(gè)水平分量。

3.3 爆破監(jiān)測點(diǎn)布置

根據(jù)有關(guān)部門對新懸泉寺隧道開挖爆破進(jìn)行全程監(jiān)測的要求，為了準(zhǔn)確評價(jià)爆破作業(yè)對既有隧道產(chǎn)生的影響,在既有隧道每間隔60 m布置一處測點(diǎn)（兩個(gè)避人洞之間的距離）。每次監(jiān)測新隧道開挖掌子面前后布置的兩處測點(diǎn)，每處測點(diǎn)傳感器分別布置在既有隧道襯砌迎爆側(cè)邊墻避人洞的墻中和墻下。每點(diǎn)布置水平、徑向和垂直方向3個(gè)傳感器，傳感器布置具體情況見圖1、圖2，這樣對開挖掌子面前后的振動都能進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 測點(diǎn)布置圖

圖2 隧道斷面測點(diǎn)布置示意圖

4 隧道爆破振動監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 隧道爆破振動檢測典型波形圖

隧道同處不同位置記錄到的最大一次典型爆破振動原始信號波形圖見圖4、圖5。圖4為隧道墻中的震動測試波形圖，圖5為隧道墻下的震動測試波形圖。測試中的切向方向?yàn)樾麻_隧道掘進(jìn)方向，徑向方向?yàn)樗酱怪毙麻_隧道掘進(jìn)方向。

4.2 振動測試數(shù)據(jù)的分析處理

從上述的測試圖分析可得如下結(jié)論：

圖3 既有線隧道墻中掘進(jìn)方向震動波形圖

圖4 既有線隧道墻中豎直方向震動波形圖

圖5 既有線隧道墻中垂直掘進(jìn)方向震動波形圖

圖6 既有線隧道墻下掘進(jìn)方向震動波形圖

圖7 既有線隧道墻下豎直方向震動波形圖

（1）隧道掘進(jìn)爆破中，對相鄰的既有線隧道產(chǎn)生的爆破震動與在露天爆破中產(chǎn)生的震動是不同的。三個(gè)方向中最大震動速度與隧道掘進(jìn)方向垂直，最小震動速度與隧道掘進(jìn)方向平行，垂直方向的爆破震動速度居中。

圖8 既有線隧道墻下垂直掘進(jìn)方向震動波形圖

（2）在既有線隧道不同部位由于結(jié)構(gòu)響應(yīng)不同震動速度是不一樣的。隧道墻體中部的爆破震動由于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的放大作用一般在3個(gè)方向都大于相同距離處墻下位置的爆破震動，放大值一般介于10%～20%之間。

（3）不管是隧道墻中還是隧道墻下爆破震動最大值都是由掏槽眼起爆形成的，因此爆破減震首先應(yīng)從優(yōu)化掏槽方式入手。

4.3 隧道爆破振動預(yù)測

《爆破安全規(guī)程》中對爆破介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)震動衰減規(guī)律的表達(dá)式是由統(tǒng)計(jì)方法導(dǎo)出的。其質(zhì)點(diǎn)的最大振動速度V，可采用薩道夫斯基公式表達(dá)：

V=K（Q1/3/R）α

式中：V：爆破引起的質(zhì)點(diǎn)最大振動速度；

Q：單段藥量；

R：布點(diǎn)至爆點(diǎn)的距離；

K，α：反映爆破方式與地質(zhì)條件等綜合影響的回歸待定統(tǒng)計(jì)系數(shù)。通常的做法是:根據(jù)爆破試驗(yàn)或生產(chǎn)爆破過程中測得的實(shí)際數(shù)據(jù)，以薩氏經(jīng)驗(yàn)公式為基本形式，采用最小二乘法進(jìn)行擬合求得相應(yīng)爆破振動參數(shù)的衰減方程。

根據(jù)現(xiàn)場爆破震動實(shí)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際爆破方案中掏槽眼的炸藥量為32 kg，對測試數(shù)據(jù)中振幅最大的徑向方向的震動速度按上述公式利用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到的質(zhì)點(diǎn)震動速度與爆源距離之間的擬合曲線見圖9。同時(shí)，得到待定系數(shù)K值為 435，α為 1.3。

圖9 質(zhì)點(diǎn)震動速度與爆源距離之間的擬合曲線

利用得出的K、α值，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的抗震指標(biāo)根據(jù)薩道夫斯基公式便可計(jì)算出實(shí)際應(yīng)該采用的最大單響藥量Qmax值。為了保證隧道爆破地震波影響范圍內(nèi)的建筑物的安全，必須把爆破單響藥量控制在Qmax以下，同時(shí)利用該方程即可進(jìn)行后續(xù)掘進(jìn)爆破的振動速度預(yù)測。

5 結(jié)束語

通過對新懸泉寺隧道開挖爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，主要獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）爆破振動監(jiān)測點(diǎn)布置位置合理，爆破監(jiān)測設(shè)備選用及調(diào)試均符合工程測試要求，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的可信度滿足預(yù)測要求。

（2）迎爆側(cè)水平徑向的振速遠(yuǎn)大于垂直方向的振速，說明迎爆側(cè)為應(yīng)力波的直接入射破壞作用，以水平方向應(yīng)力為主。

（3）爆破振動強(qiáng)度模型回歸分析根據(jù)隧道爆破過程中測得的數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于Matlab的最小二乘法進(jìn)行擬合求得相應(yīng)爆破振動強(qiáng)度的衰減方程，得到K=435.0，α=1.3。系數(shù)K值比《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）提供的選取表中相應(yīng)數(shù)值要高。但規(guī)程中說明此系數(shù)可通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。根據(jù)日本礦業(yè)會爆破振動研究委員會和物理探礦技術(shù)協(xié)會土木探礦研究會提出的類似爆破振動計(jì)算公式：V=KW3/4*D-2，式中對坑道掘進(jìn)掏槽爆破K值范圍取450～900，說明該系數(shù)可以信任。

（4）根據(jù)生產(chǎn)爆破過程中測得的實(shí)際數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行擬合求得相應(yīng)爆破振動參數(shù)的衰減方程，能夠快速、方便地刻畫質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值與藥量、爆心距的關(guān)系，適合于爆破條件比較單一的場合。由于其形式簡單、使用方便，因此在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

（5）實(shí)際施工爆破方案與理論爆破方案計(jì)算出的爆破振動速度有較大的差異。如何通過理論研究進(jìn)一步驗(yàn)證該工程中實(shí)施的爆破方案是否為最優(yōu)控制爆破方案，將是下一步繼續(xù)研究的內(nèi)容。

Monitoring and Forecasting of Blasting Vibration Velocity in Second Tunnel Excavation

Zhou Jianjun

The suitable blasting monitoring program is selected according to the actual condition of blasting excavation in second XuanQuanSi tunnel.Monitoring data shows that the biggest vibration is in radial direction of old tunnel during new tunnel blasting excavation.Based on the monitoring data，the blasting vibration velocity forecastinghas been done by regression analysis；According to forecasting vibration velocity，blasting parameters can be adjusted in time.

blasting vibration；linear regression；forecastinganalysis

U455.41+1

A

1000-8136(2011)08-0066-03