相鄰隧道爆破震動波的傳播規(guī)律研究

叢樹翠，王海亮

(1.山東科技大學(xué)，山東青島 266590;2.煙臺金邦冶金工程咨詢有限公司，山東煙臺 264000)

0 引言

青島膠州灣海底隧道位于膠州灣灣口，為雙向6車道，是我國目前最長的海底隧道。該海底隧道接線工程(即匝道)需要在主體隧道完工后再施工，新建隧道施工時(shí)爆破開挖可能會引起鄰近主隧道的損傷破壞，從而會影響主隧道的穩(wěn)定性和安全性。新建隧道爆破施工面臨的主要問題是如何把近距離條件下爆破施工對鄰近建筑的負(fù)面影響降低到最低限度，研究新建隧道爆破施工震動波對相鄰隧道的影響不但具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，而且具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對爆破震動的相互影響、傳播規(guī)律等做了大量的研究工作。文獻(xiàn)［1－3］主要通過運(yùn)用數(shù)值模擬、回歸分析等數(shù)學(xué)方法研究震動波對鄰近隧道的影響，研究震動波的衰減規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場施工;文獻(xiàn)［4－5］主要論述了小間距隧道在施工工程中，存在受力偏差、爆破損傷、襯砌裂縫等問題;文獻(xiàn)［6］研究了青島海底隧道對周圍環(huán)境的影響，為相鄰隧道施工現(xiàn)場監(jiān)測提供了經(jīng)驗(yàn);文獻(xiàn)［7］研究得出了相鄰導(dǎo)流洞內(nèi)的爆破質(zhì)點(diǎn)振動速度傳播具有放大效應(yīng)等結(jié)論。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對施工過程中出現(xiàn)的振動影響，研究相鄰隧道的震動波傳播規(guī)律。

1 工程概況

膠州灣海底隧道青島端接線工程，南起膠州灣灣口海底隧道青島端終點(diǎn)，以上下行分離式雙洞隧道形式分別沿四川路、云南路向北。團(tuán)島二路出口匝道自AK0+098.9與云南路主隧道分流，以半徑為320 m的圓弧曲線右轉(zhuǎn)，沿團(tuán)島二路中心線向東敷設(shè)，隧道洞口位于AK0+583，匝道接地點(diǎn)位于AK0+750。

2 爆破施工方案

在爆破振動監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，匝道采用臺階爆破法開挖，上臺階先超前下臺階開挖，下斷面再分左右臺階交替開挖［8］。上斷面開挖高度為6 m，下斷面開挖高度為3.5 m。開挖采用斜眼掏槽，光面爆破，循環(huán)進(jìn)尺約1.8 m。上導(dǎo)洞爆破分3次起爆，其總裝藥量約94.8 kg，掏槽藥量為7.2 kg，第1炮最大單段起爆藥量為19.2 kg，第2炮最大單段起爆藥量為4.8 kg，第3炮最大單段起爆藥量為18 kg。本文僅對第1炮爆破振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖1為匝道上導(dǎo)炮眼布置圖。

圖1 匝道上導(dǎo)炮眼布置(單位:mm)Fig.1 Layout of blasting holes(mm)

表1為對應(yīng)圖1爆破方案中的第1炮炮眼參數(shù)。炸藥的性能、藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、微差時(shí)間和炮孔直徑等都會影響爆破波的振動強(qiáng)度［9］。

表1 第1炮炮眼參數(shù)Table 1 Blasting parameters of No.1 blasting

3 爆破振動監(jiān)測

爆破振動監(jiān)測采用的測振儀器為UBOX－5016爆破振動智能監(jiān)測儀。該儀器有3個(gè)通道，每個(gè)通道可連接1個(gè)傳感器，各通道均可連接垂直和水平傳感器。本次爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)由9臺爆破振動智能監(jiān)測儀(可同時(shí)布置27個(gè)傳感器)、配套的速度傳感器、軟件和筆記本電腦等組成。

爆破監(jiān)測的目的是研究匝道施工爆破對鄰近主隧道的振動影響規(guī)律。本次監(jiān)測時(shí)，主隧道已經(jīng)完成開挖，二次襯砌施工已完成，正在進(jìn)行裝修。測點(diǎn)布置方案為:在主隧道內(nèi)，沿主隧道軸線方向在靠近匝道一側(cè)，以主隧道對應(yīng)匝道工作面為基點(diǎn)O，分別向前后兩側(cè)布置傳感器。匝道和主隧道的空間位置視圖如圖2所示。

此次對水平徑向、水平切向和垂直振速進(jìn)行監(jiān)測，有3個(gè)監(jiān)測方案。1)水平徑向振速監(jiān)測。沿主隧道的軸向在主隧道內(nèi)靠近匝道一側(cè)布置傳感器，該方案共布置6臺測振儀，每臺儀器的3個(gè)通道各連接1個(gè)水平傳感器，共18個(gè)測點(diǎn)，每臺儀器同時(shí)監(jiān)測3個(gè)測點(diǎn)的水平徑向振速。2)水平切向振速監(jiān)測。方案同水平徑向振速的監(jiān)測，傳感器方向?yàn)榍邢颉Ｔ摲桨腹膊贾?臺記錄儀，共27個(gè)測點(diǎn)。3)垂直振速監(jiān)測。監(jiān)測方案同上，每臺儀器3個(gè)通道各連接1個(gè)垂直傳感器。主隧道內(nèi)傳感器布置示意圖如圖3所示。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對主隧道進(jìn)行連續(xù)6次監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)各個(gè)測點(diǎn)隨著匝道開挖的前進(jìn)同步向前推移，得到6組爆破振動速度數(shù)據(jù)。方案1)測得2組水平徑向振速數(shù)據(jù)，方案2)測得2組水平切向振速數(shù)據(jù)，方案3)測得2組垂直振速數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，按照監(jiān)測的先后順序分析匝道爆破開挖對主隧道的影響。在此定義，如果測點(diǎn)振速大于基點(diǎn)處振速，并且大于鄰近區(qū)域內(nèi)距基點(diǎn)更近的測點(diǎn)的振速，則稱為產(chǎn)生振速放大效應(yīng);如果測點(diǎn)振速小于基點(diǎn)處振速，并且小于鄰近區(qū)域內(nèi)距基點(diǎn)更近的測點(diǎn)的振速，則稱為產(chǎn)生振速衰減效應(yīng)。

4.1 水平徑向振速

匝道開挖分3次起爆，每次監(jiān)測有3組數(shù)據(jù)。本文研究各組中第1炮產(chǎn)生的振動速度，根據(jù)第1炮產(chǎn)生的振速數(shù)據(jù)繪制曲線得到爆破振動曲線規(guī)律。以主隧道內(nèi)對應(yīng)匝道工作面的點(diǎn)為基準(zhǔn)O點(diǎn)，對各點(diǎn)的振速與測點(diǎn)距O點(diǎn)的水平距離變化趨勢繪圖。圖4是2010年8月11日和12日測得2次水平徑向振速隨測點(diǎn)距工作面距離的變化曲線。

圖4 水平徑向振速隨距離的變化Fig.4 Relationship between horizontal radial vibration velocity and distance between monitoring point and working face

從圖4可以看出:1)以主隧道對應(yīng)匝道工作面為分界點(diǎn)，工作面振速約為0.53 cm/s。2)在匝道工作面后方距工作面0～10 m內(nèi)，存在振速峰值。其中，第1次監(jiān)測在距工作面4 m和6 m處出現(xiàn)2次振速峰值，振速峰值為工作面振速的408%和417%;第2次監(jiān)測距工作面7 m處出現(xiàn)振速峰值，振速為工作面振速的238%，工作面后方振速較大，振動劇烈。3)在匝道工作面前方的0～30 m內(nèi)，振速衰減較慢，振速峰值為工作面振速的121%，最小值為工作面振速的68%。

由以上分析可知:已開挖區(qū)對水平徑向振速有放大效應(yīng)，在一定范圍內(nèi)放大振速;在未開挖區(qū)對水平徑向振速影響較小，有輕微衰減效應(yīng)。

4.2 水平切向振速

2010年8月13日和14日在主隧道內(nèi)對水平切向振速進(jìn)行2次監(jiān)測，通過第1炮監(jiān)測數(shù)據(jù)研究匝道爆破施工對主隧道水平切向振速的振動影響。圖5是第1炮水平切向振速隨距離的變化曲線。

圖5 水平切向振速隨距離的變化Fig.5 Relationship between horizontal tangential vibration velocity and distance between monitoring point and working face

從圖5可以看出:1)主隧道內(nèi)對應(yīng)匝道工作面爆破振速約為1.28 cm/s。2)工作面后方出現(xiàn)2次峰值。在工作面后方距工作面10 m處出現(xiàn)峰值是工作面振速的192%;距工作面5 m及15 m處，出現(xiàn)振速最小值，為工作面振速的78%。3)在工作面前方0～30 m內(nèi)振速差值較小，基本穩(wěn)定，穩(wěn)定振速為工作面振速的39%。

由以上分析可知:工作面前方振速小于工作面后方振速，已開挖區(qū)對水平切向振速具有放大效應(yīng)，將振速放大;在未開挖區(qū)對水平切向振速影響較小，有衰減效應(yīng)。

4.3 垂直振速

對垂直振速進(jìn)行監(jiān)測，2010年8月15日和16日測得的第1炮垂直振速隨距離的變化曲線見圖6。

圖6 垂直振速隨距離的變化Fig.6 Relationship between vertical vibration velocity and distance between monitoring point and working face

從圖6可以看出:1)工作面后方垂直振速在距工作面4 m和15 m處存在2次峰值，并且波動較大，振動劇烈。2)工作面振速約為0.59 cm/s，2次峰值的振速分別為工作面振速的153%和195%。3)從工作面后方2 m到工作面前方2 m垂直振速出現(xiàn)驟降的趨勢，是由于已開挖區(qū)為空管道，對振速影響較大，具有放大效應(yīng)。4)工作面前方垂直振速峰值為工作面振速的96%，最小值為工作面振速的49%，振速差值小，但振速不穩(wěn)，變化波動較大。

由以上分析可知:已開挖區(qū)對垂直振速有放大效應(yīng);未開挖區(qū)對垂直振速影響較小，有衰減效應(yīng)。

在本次實(shí)驗(yàn)監(jiān)測中，通過對水平徑向、水平切向、垂直振速數(shù)據(jù)以及曲線的分析，可以得出:在已開挖區(qū)，隧道爆破施工對鄰近隧道震動波影響有明顯的放大效應(yīng);在未開挖區(qū)，震動波影響較小，基本符合爆破理論。每次監(jiān)測時(shí)，采用相同的爆破施工方法和監(jiān)測方法，均產(chǎn)生相同的結(jié)果，可以排除是由施工方法和測點(diǎn)布置方法的不同產(chǎn)生的。分析其原因?yàn)?在已開挖區(qū)，隧道內(nèi)形成一個(gè)較大的空腔，在一定區(qū)域內(nèi)為空氣介質(zhì)，此空腔對震動波有放大效應(yīng);在未開挖區(qū)沒有較大的空腔，震動波的傳播符合爆破理論，在一定范圍內(nèi)，速度隨爆心到測點(diǎn)的距離變大逐漸減小。

5 結(jié)論與討論

此次監(jiān)測工作主要對匝道爆破振動速度在主隧道內(nèi)的分布進(jìn)行監(jiān)測，利用實(shí)際采集的數(shù)據(jù)繪成曲線。綜合分析得到如下結(jié)論:

1)同次監(jiān)測，主隧道對應(yīng)匝道工作面后方出現(xiàn)峰值，工作面后方較大峰值為工作面振速的150% ～410%，工作面前方爆破振速峰值為工作面振速的100% ～150%。

2)在隧道已開挖區(qū)爆破振速最小值為工作面振速的90%～120%，最小值與工作面后方峰值差較大，相鄰隧道爆破施工對隧道已開挖區(qū)振動影響較大;在隧道未開挖區(qū)速度最小值為工作面振速的40%～60%，最小值與工作面前方峰值差較小，相鄰爆破施工對隧道未開挖區(qū)振動影響較小，振速在一定范圍內(nèi)較穩(wěn)定。已開挖區(qū)對振速具有放大效應(yīng)，未開挖區(qū)對振速有輕微衰減效應(yīng)。

3)以主隧道對應(yīng)匝道工作面為分界，在工作面后方2 m至工作面前方2 m爆破振速出現(xiàn)突然減小的現(xiàn)象。

本文是針對相鄰隧道施工震動波的傳播規(guī)律研究，僅研究了振速的傳播規(guī)律，頻率傳播規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。本次實(shí)驗(yàn)是在溝槽蓋板上進(jìn)行監(jiān)測，今后應(yīng)在隧道的其他構(gòu)造處進(jìn)行監(jiān)測，比較各處監(jiān)測的震動波傳播規(guī)律的不同，更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

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