隧道爆破施工引起鄰近既有洞室振動響應(yīng)的測試與分析

梁師俊，朱海東，趙 波

(1．浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)工程系，浙江 杭州 311231;2．上海華鐵工程咨詢有限公司，上海 200071)

隧道爆破施工引起鄰近既有洞室振動響應(yīng)的測試與分析

梁師俊1，朱海東1，趙 波2

(1．浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)工程系，浙江 杭州 311231;2．上海華鐵工程咨詢有限公司，上海 200071)

新建隧道在與上方防空洞洞室間距比較小的情況下進(jìn)行爆破開挖，產(chǎn)生的爆破波會對已有洞室圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定性造成影響。結(jié)合杭州蕭山永久路北干山隧道工程，測試了隧道上方防空洞洞室的爆破振動強(qiáng)度，分析了洞室爆破振動衰減規(guī)律，根據(jù)洞室底部振動速度和振動加速度的安全允許值，得出了施工爆破不同距離處的最大段裝藥量，實現(xiàn)了通過測試結(jié)果反饋優(yōu)化隧道爆破方案。

隧道工程 爆破 振動監(jiān)測 洞室

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市地下交通工程建設(shè)大規(guī)模發(fā)展，越來越多的新建隧道、地鐵需下穿既有地下空間工程。雖然城市地下隧道開挖方式日漸趨于多樣化，但是從技術(shù)和資金等方面考慮，鉆爆法仍是硬巖地區(qū)城市淺埋隧道工程開挖方法中較為經(jīng)濟(jì)、合理的施工方法。新建隧道工程的爆破開挖施工必將影響到臨近地下空間工程，施工中如何控制爆破對圍巖的破壞、保持鄰近地下空間工程的安全具有重要的現(xiàn)實意義。這當(dāng)中爆破振動實測是掌握現(xiàn)場爆破環(huán)境和施工條件下爆破地震波變化規(guī)律最為有效的手段。通過爆破振動測試，可以了解爆破地震波的振動規(guī)律、對周圍環(huán)境的影響和破壞機(jī)制，以便對爆破振動效應(yīng)進(jìn)行有效控制。

目前，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對隧道工程爆破振動效應(yīng)的研究主要集中在既有隧道、連拱隧道等地下結(jié)構(gòu)爆破開挖引起鄰近隧道的振動動力響應(yīng)分析，以及隧道周邊圍巖振動速度場和應(yīng)力場的分布特征，但很少涉及淺埋隧道爆破開挖對既有地下洞室群產(chǎn)生的振動效應(yīng)［1-3］。

本文以杭州蕭山永久路北干山隧道工程為個例，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析了不同爆源距、不同裝藥量條件下上覆洞室群的振動響應(yīng)規(guī)律，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對爆破方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1 工程概況

永久路北干山隧道工程呈南北向，地處揚子準(zhǔn)地臺和華南褶皺的過渡帶，位于江山—紹興深斷裂北西側(cè)，區(qū)域構(gòu)造線主要呈北東向展布。擬建線路北側(cè)分布有一條區(qū)域性斷裂帶，走向為北偏東45°。山體南北兩側(cè)山前平原區(qū)分布第四系全新統(tǒng)濱海組(Q4m

a+al)、沖積層(Q3al)，由淺部灰色淤泥質(zhì)土、粉土和深部灰黃色粉質(zhì)黏土、灰黃色圓礫層組成，第四系為海陸交叉相沉積，海侵頻繁，隧道上方有防空洞室分布。

隧道與洞室平面交叉于K0+837—K1+035，長度約200 m，位于隧道正上方的洞室面積(含洞室及通道)約2 150 m2，共涉及 8 個洞室(50#，49#，52#，53#，54#，56#，55#，9#)，其中 50#，52#，53#，55#，9#5 個洞室全部位于隧道頂部，其余3個為局部穿過。洞室南出口位于隧道中線偏右側(cè)，對隧道施工影響最大的是50#洞室，位置正好處于隧道的K0+840—K0+890樁號之間，呈小角30°大角150°斜相交，洞室與洞室之間8～12 m不等，洞室內(nèi)凈空最大寬度為9.2 m，長42 m，高約8 m。隧道與洞室群相交平面見圖1。

圖1 隧道與洞室相對位置平面布置

將實測洞室群底板高程與隧道的頂部開挖設(shè)計高程相對比，在K0+837處的高差為7.07 m(最小)，在K1+035處的高差為10.38 m(最大)。洞室高差分別為50#7.14 m，49#7.87 m，52#8.66 m，53#8.38 m，54#8.54 m，55#9.09 m，56#8.99 m，9#10.38 m。在50#洞室底板上鉆孔得知，洞室毛洞底部離隧道毛洞開挖頂部最近處距離只有5 m。

50#洞室毛洞寬11.7 m，最寬處13 m，凈寬9.5 m。襯砌采用素混凝土，邊墻厚20 cm，拱頂厚10 cm，拱腳部位厚30 cm，洞室高度2～3 m。初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，錨桿設(shè)計長2.5 m，間距1.5 m，噴混凝土設(shè)計厚10 cm;實際施工時，錨桿長度、間距、噴混凝土厚度均未達(dá)到設(shè)計要求。

2 爆破與監(jiān)測

2.1 爆破方案

隧道爆破施工首先選定爆破方案，顧及到隧道周圍地形、地質(zhì)情況，考慮兩種爆破方案，分別為預(yù)留核心土法和上下臺階法。炮孔布置如圖2所示。

圖2 炮孔布置

在離爆點距離30 m的50#洞室底部測得的垂直方向典型振動波形如圖3及圖4。從圖中可以看出預(yù)留核心土法爆破時的反射波波動相當(dāng)大，對上方洞室的危害也較大，而上下臺階法對上方洞室的影響相較預(yù)留核心土法有明顯的下降。

圖3 預(yù)留核心土法振動波形

圖4 上下臺階法振動波形

考慮到原有防空洞洞室底與隧道頂最小高差只有5 m，上下臺階法更適合于該隧道在洞室群段的施工;因此，初始擬定隧道在該段爆破施工采用臺階法開挖，微差爆破，選用低爆速和小直徑炸藥，周邊設(shè)空眼減振(見圖2(b))進(jìn)行開挖掘進(jìn)。

2.2 爆破振動監(jiān)測

在防空洞洞室底布置拾振器進(jìn)行測量，每個測點布置垂直方向、水平徑向、水平切向三個方向的傳感器，振動測試采用北京東方振動與噪聲研究所INV306智能信號采集處理分析系統(tǒng)和國家地震局891-2型拾振器，爆破振動測試結(jié)果如表1。

表1 爆破振動測試結(jié)果

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 振動峰值速度、加速度分析

據(jù)相關(guān)研究，地面質(zhì)點振動峰值速度和振動峰值加速度之間存在較好的相關(guān)性，可表示為正比例關(guān)系［4］。

通過國內(nèi)外大量實測結(jié)果表明，反映爆破振動強(qiáng)度的物理量與炸藥量、爆心距、巖土性質(zhì)及場地條件等因素密切相關(guān)。雖然各個國家試驗條件各不相同，但前蘇聯(lián)薩道夫斯基的爆破振動公式，一直被廣泛采用，我國在爆破質(zhì)點振動速度和爆破振動安全允許距離［5］計算方面也推薦采用該式

式中:A為反映爆破振動強(qiáng)度的物理量(振動速度或加速度);Q為炸藥量，kg;R為爆心距，m;，K，α為與爆破點至保護(hù)對象間的地形、場地條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)最小二乘法，將表1各監(jiān)測點的質(zhì)點振動速度值V及炸藥量Q、爆心距R分別代入式(1)，進(jìn)行回歸分析計算，得出K=252.04，α=1.976 7，回歸公式

式(2)即為隧道爆破時防空洞振動峰值速度衰減變化的回歸計算公式，其相關(guān)系數(shù)r=0.980 8?；貧w結(jié)果如圖5。

圖5 近間距洞室振動峰值速度與比例距離的關(guān)系

同理，將各監(jiān)測點的振動加速度值及炸藥量 Q、爆心距R分別代入式(1)，進(jìn)行回歸分析計算，得出K=265.68，α =1.951 6，回歸公式為

式(3)即為隧道爆破時防空洞振動峰值加速度衰減變化的回歸計算公式，其相關(guān)系數(shù)r=0.937 7?；貧w結(jié)果如圖6。

從圖5與圖6可知，振動峰值加速度相對峰值速度離散性高，如相關(guān)文獻(xiàn)，爆破振動安全評判用振動峰值速度更為合理。

圖6 近間距洞室振動峰值加速度與比例距離的關(guān)系

3.2 振動主頻分析

質(zhì)點振動峰值對應(yīng)的頻率即為主頻頻率。當(dāng)爆破地震波的頻率等于或接近建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致振動成倍增強(qiáng)，因此從振動響應(yīng)方面分析，振動響應(yīng)應(yīng)包括頻率參數(shù)［6-7］。在確定爆破振動效應(yīng)安全判據(jù)時，應(yīng)綜合考慮爆破地震波的強(qiáng)度、頻譜、持時的影響，建立以質(zhì)點振動速度峰值為主、頻譜和持時為輔的多參數(shù)安全判據(jù)［8-9］。

從表1可以看出，隧道爆破施工引起防空洞洞室振動的主頻在100 Hz左右。

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)可知，地震波頻率高，爆破振動允許安全速度限值也跟著提高，說明爆破振動對建(構(gòu))筑物的振動危害就越小，對振動頻率＞50 Hz的礦山巷道安全允許振速為20～30 cm/s［10］，出于安全考慮，取安全允許振速為 20 cm/s，設(shè)計驗算確定安全允許振動加速度為0.02g，分別代入式(2)～式(3)計算出防空洞洞室安全允許振動強(qiáng)度下不同距離處同段最大起爆藥量，如表2。

表2 不同距離處的安全同段最大起爆藥量

從表2可以看出，以振動峰值加速度控制的爆破裝藥量與以峰值振動速度控制的最大裝藥量接近，但略低。

4 爆破方案優(yōu)化

通過北干山隧道工程防空洞洞室的爆破振動監(jiān)測及分析，對隧道爆破開挖方案作如下優(yōu)化。

1)控制最大段炸藥量。以洞室毛洞底部離隧道毛洞開挖頂部最近處距離5 m為安全控制半徑，以安全允許振速為20 cm/s、安全允許振動加速度為0.02g為控制標(biāo)準(zhǔn)，通過式(2)～式(3)反算出各開挖距離允許的最大段炸藥量。嚴(yán)格控制掏槽孔最大起爆藥量不超過2.5 kg。炮孔按淺、密原則布置，控制單孔藥量，使一次爆破的藥量均勻地分布在被爆巖體中，同時采用毫秒雷管進(jìn)行微差爆破，以減小爆破地震動強(qiáng)度?？咨? m，孔徑 φ42 mm，多排布孔，炮孔間距 a=1.5 m，排距 b=0.75 m，裝藥長度 2.0 m，孔口堵塞長度3.0 m。

2)確定合理的開挖方案。洞室群下方設(shè)雙層超前小導(dǎo)管掘進(jìn)支護(hù)，上下臺階預(yù)裂爆破開挖。

3)優(yōu)化火工品分級分段裝填。降低預(yù)裂爆破點，增加減振孔、輔助孔減振，同時把掏槽孔下壓60 cm;嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，嚴(yán)禁超過1.0 m;嚴(yán)格控制爆破次序，先掏槽爆破，其次上部由內(nèi)向外依次起爆，然后是下部由上向下依次爆破，最后是周邊眼爆破。

4)選擇合理的段間隔時差。實測振動數(shù)據(jù)表明，振動頻率一般在100 Hz左右，為避免振動強(qiáng)度的疊加作用，低段(1～7段)雷管跳段使用。

優(yōu)化后隧道爆破對上方洞室群振動影響不管是峰值速度還是峰值加速度都在規(guī)范、設(shè)計安全范圍以內(nèi)。優(yōu)化后洞室內(nèi)底板位移、圍巖壓力觀測結(jié)果如表3。

表3 50#防空洞洞室爆破振動位移、圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果

從表3看出，優(yōu)化后的隧道爆破對防空洞洞室的影響反映出相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，表明整個工程的爆破施工順利推進(jìn)。

5 結(jié)論

1)爆破實測振動波速圖表明，相對上下臺階法爆破，預(yù)留核心土法爆破時的反射波波動大，對上方洞室的危害也較大，上下臺階法更適合于隧道在洞室群段的施工。

2)振動峰值加速度相對峰值速度離散性高，爆破振動安全評判用振動峰值速度更為合理。

3)隧道爆破施工引起洞室振動的主頻在100 Hz左右。

4)通過爆破方案優(yōu)化，采用淺眼多循環(huán)、分部開挖、增設(shè)周邊減振眼及嚴(yán)格控制藥量等措施，有效地控制了爆破的地震動強(qiáng)度，保證了上方防空洞洞室安全。

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TU751．9

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．26

1003-1995(2013)04-0083-04

2012-10-10;

2012-11-20

浙江省教育廳科研項目(Y201225912)

梁師俊(1976— )，男，湖北陽新人，講師，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)