淺埋隧道下穿建筑物爆破振動規(guī)律及控制研究

張建波，楊新安，何知思

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

以巴準鐵路敖包溝隧道下穿建筑物段為工程背景，對隧道下穿建筑物施工爆破振動波的傳播進行了測試，獲得了大量的現(xiàn)場爆破振動數(shù)據(jù)，結合測試數(shù)據(jù)對爆破振動速度進行了分析，得到了淺埋隧道爆破振動規(guī)律，并且提出了淺埋隧道下穿建筑物爆破施工的控制措施。

1 工程概況

敖包溝隧道為巴準鐵路的控制性工程，隧道全長3 180 m，為雙線鐵路隧道。隧道位于內(nèi)蒙古高原區(qū)，主要地貌單元為低中山區(qū)，地形起伏大，溝梁相間，間歇性溝谷發(fā)育，山陡峰峻，切割強烈，最大高差85 m。隧道洞身圍巖主要級別為Ⅳ，Ⅴ級，其中Ⅳ級圍巖1 020 m，Ⅴ級圍巖2 136 m。隧道在D1K34+592～D1K34+658段連續(xù)穿越敖家溝西梁煤礦職工宿舍、職工食堂及變電站三座建筑物，建筑物的結構較差。洞頂覆土地層為填土、黃土、砂巖夾泥巖，地層性質(zhì)軟弱，穩(wěn)定性差。

2 淺埋隧道下穿建筑物爆破振動測試

2.1 爆破炮眼布置及掏槽方案設計

敖包溝隧道下穿建筑物段最大埋深僅20 m，地表覆蓋較厚的全風化砂質(zhì)黃土，穩(wěn)定性較差。隧道洞身穿越砂巖夾泥巖層，且泥巖以夾層性質(zhì)存在于砂巖之中，淺灰色，遇水具有一定的軟化膨脹性，易崩解，屬弱膨脹巖。為了確保隧道下穿建筑物段的施工安全，隧道拱部采用Φ 89超前大管棚注漿加固、襯砌加強，施工采用人工+微震爆破技術的環(huán)形開挖預留核心土法開挖。

爆破炸藥選用二級煤礦許用乳化炸藥，采用Φ 35 mm（0.95～1.25 g·cm-3），長度200 mm 的藥卷。雷管選用煤礦許用毫秒延期電雷管（延期時間不超過130 ms），起爆采用電起爆方式。采用臺階法分區(qū)進行多次開挖，爆破炮眼分區(qū)布置如圖1所示。上臺階開挖時，采用兩次爆破分部開挖：第一步對掏槽及輔助眼進行爆破；第二步對周邊眼、內(nèi)圈眼及底板眼進行爆破。上臺階掏槽眼采用三對垂直楔形掏槽，炮眼布置過程中，先布置掏槽眼，再均勻布置周邊眼和輔助眼，周邊眼采用間隔不連續(xù)裝藥方法。下臺階兩步開挖，并嚴格控制裝藥量。隧道爆破掏槽方案布置如圖2 所示。爆破時先對掏槽眼及輔助眼進行裝藥爆破，然后待爆破完畢后對爆破情況進行檢查，清除危石后方可進行周邊眼、內(nèi)圈眼和底板眼的裝藥、爆破工作。周邊眼采用間隔裝藥結構，其余炮眼采用Φ 35mm 標準藥卷連續(xù)裝藥，并用炮泥堵塞孔口。為了減少爆破振動對地表構筑物及圍巖的擾動，開挖時采用半斷面微臺階預裂爆破開挖，炮眼爆破順序依次為周邊眼、掏槽眼、輔助眼、內(nèi)圈眼、底板眼。爆破振動測試采用四川瞭望工業(yè)自動化控制技術有限公司研制的BR-6722 爆破振動測試系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由速度傳感器、爆破振動信號分析儀組成。

圖1 隧道下穿建筑物段分區(qū)爆破炮眼布置圖Fig.1 Arrangement diagram of the blast holes in zonal blasting of the tunnel undercrossing buildings

圖2 隧道下穿建筑物段爆破掏槽方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of blasting cut of the tunnel undercrossing buildings

2.2 爆破振動監(jiān)測方案

為研究爆破振動在隧道拱頂巖層中的傳播規(guī)律，測點盡量布置在隧道中線爆破掌子面的正上方，如圖3所示，爆破振動監(jiān)測測點按每5 m一個測點布設。安裝感器安裝時，采用生石膏粉粘結，取適量生石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀，將傳感器粘結在測點上，約10 min后石膏凝固后即可進行測試。敖包溝隧道下穿建筑物段施工時，地表建筑物地面都經(jīng)過硬化處理，傳感器直接用石膏粉粘結在地面上進行測試。垂直速度傳感器應該盡量保持與水平面垂直，水平速度傳感器的安裝應該與水平面平行，切向水平速度傳感器則與徑向垂直并且和地面保持水平3個傳感器應安裝在一起，構成一個關于爆心的3維直角坐標系，三向傳感器的安裝如圖4所示。

圖3 爆破振動測點布置立面圖Fig.3 Elevation diagram of blasting vibration monitoring points

圖4 分離式三向傳感器安裝Fig.4 Assembly drawing of three-dimensional sensors

3 爆破振動測試結果分析

通過對下穿建筑物段隧道施工爆破引起的振動進行監(jiān)測，共采集到19組有效數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結果見表1。表中，峰值速度表示測點爆破振動速度波形的最大值，爆心距表示測點距爆破點的距離；水平縱向、水平切向、垂直分別表示沿隧道中線、垂直隧道中線、垂直地面的爆破振動速度。

表1 爆破振動測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistic table of blasting vibration testing data

（續(xù)表）

3.1 爆破振動速度特性

大量的現(xiàn)場試驗和研究表明：爆破產(chǎn)生的質(zhì)點峰值速度與所造成的損傷有很好的相關性，振動速度的變化能較好反映爆破振動效應在巖土中的傳播規(guī)律［5］。當炸藥量、爆源距離一定時，較其他物理量而言，爆破振動速度與巖土性質(zhì)有較為穩(wěn)定的關系。因此，研究爆破振動速度的變化規(guī)律，能說明爆破振動對圍巖的影響。

由表1數(shù)據(jù)可看出，隧道爆破施工時，爆破振動在地表有3個方向的振動速度，分別用水平縱向、水平切向、垂直方向表示，同次爆破中，垂直方向振動速度比水平切向、水平縱向大，而切向速度一般較小。爆破振動速度在不同里程數(shù)值差別較大，主要是受到隧道埋深、圍巖地質(zhì)條件、爆破振動裝藥形式與裝藥量、測點與爆破點之間的距離等因素的影響。

為了加強對阿什哈達摩崖石刻的保護力度，1961年吉林省人民政府將其列為文物保護單位。1983年吉林省文化廳撥款，吉林市博物館監(jiān)修，省、市和豐滿區(qū)文物部門共同在第一摩崖石刻處修建“摩崖閣”、第二摩崖石刻處修建“阿什亭”，將這兩處石刻有效地保護了起來。2012年10月21日，吉林市編制機構委員會正式批準在摩崖石刻旁邊建立吉林市明清造船廠遺址博物館，館中保留的石刻拓片，可以讓人直接便利地閱看石刻碑文。后來修建吉豐東路，前有摩崖石刻，后有鐵路隧洞，無奈只好填江修路，這路面恰巧就在碑下。2006年5月25日，阿什哈達摩崖石刻由吉林省重點文物保護單位升格為第六批全國重點文物保護單位。

3.2 爆破振動速度回歸分析

國內(nèi)外大量測試結果表明，在一定的爆破方式和傳播介質(zhì)條件下，藥量和測點到爆源的距離是影響爆破振動的主要因素，局部地質(zhì)和巖（土）質(zhì)條件的影響也很明顯［6］。為了研究各影響因素與爆破振動強度之間的關系，需通過量化擬合分析才能確定爆破參數(shù)與振動強度之間的關系。目前國內(nèi)外比較公認的爆破振動強度與爆破參數(shù)之間關系的是薩道夫斯基經(jīng)驗公式［7］，我國長期以來在爆破振動安全距離與質(zhì)點振動強度計算方面也采用該公式，具體形式是

式中：v表示爆破振動產(chǎn)生的質(zhì)點垂直振動速度，cm·s-1；Q表示炸藥量，齊發(fā)爆破時取總裝藥量，延時爆破時取最大段裝藥量，kg；R表示從爆破地點藥量分布的幾何中心至觀測點的距離，m；α表示爆破震動隨距離衰減系數(shù)；β表示為藥包形狀系數(shù)，一般取1/3；k表示與地形、地質(zhì)、爆破方式有關的系數(shù)。

采用公式（1）對測出的數(shù)據(jù)進行回歸分析可以得出式中的參數(shù)，用來指導爆破參數(shù)的設計和優(yōu)化，控制爆破振動速度。對式（1）兩邊取對數(shù)得

令y=lgv，x=lg(Q13/R)，則可以得到

式（1）由非線性關系轉化為線性關系，利用最小二乘法［8］便可求得α和k的值。

比例藥量p=Q13/R，通過對表1 的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行擬合分析，可得到一元線性回歸方程為：y=1.54x+2.2118，求得：α=1.54，k=162.88，回歸方程的相關系數(shù)為：R2=0.782 5，回歸相關系數(shù)較高，結果良好，在一定程度上反映了爆破質(zhì)點垂直振動速度與爆心距和裝藥量的關系。根據(jù)一元線性回歸方程，得到了適用于敖包溝隧道近區(qū)圍巖爆破振動速度衰減規(guī)律的公式為

敖包溝隧道下穿西梁煤礦區(qū)的三棟建筑物均為一般建筑物，《爆破安全規(guī)程》［9］中規(guī)定的一般建筑物爆破振動速度應控制在3.0 cm·s-1以下。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，在19次測試中有7次爆破振動速度超過規(guī)范允許值，其中有一次（測試里程為D1K34+581）振動速度較大，達到了7.6 cm·s-1，其余6次超過幅度不大，對建筑物結構并未造成較大影響?？梢岳霉剑?）對爆破參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，同時對產(chǎn)生較大爆破振動速度的爆破開挖區(qū)及地表建筑物加強監(jiān)測并采取控制措施，以減小爆破振動對建筑物的影響。

4 淺埋隧道下穿建筑物爆破振動控制措施

敖包溝隧道下穿建筑物段埋深較淺，在隧道爆破施工時，隧道結構和地表建筑物受到爆破振動的影響頻繁，為了隧道施工和地表建筑物的安全，必須對隧道開挖引起的爆破振動進行控制，減緩對周圍環(huán)境的影響。根據(jù)實測數(shù)據(jù)的分析和現(xiàn)場施工經(jīng)驗，提出了以下爆破振動控制措施：

1）分區(qū)爆破并采用合理的起爆順序。將開挖掌子面按照開挖臺階分割成不同的區(qū)域，分區(qū)爆破布置如圖2所示。爆破時按分區(qū)分別裝藥，減少單區(qū)域裝藥量。分區(qū)爆破時采用微差爆破，同時優(yōu)化炮孔的線形布置和起爆順序，不但能盡量減少微差爆破單段最大藥量，而且還使得布置炮孔簡單、炮孔參數(shù)準確、臨空面好，可提高炸藥能量利用率，從而達到減振效果。

2）優(yōu)化掏槽形式和裝藥結構。選擇合理的掏槽形式及掏槽孔的位置，是控制隧道下穿建筑物爆破振動的關鍵措施。楔形掏槽具有掏槽效果好、能為輔助眼爆破創(chuàng)造較好的臨空面、可以降低輔助眼爆破時的爆破震動強度等優(yōu)點。隧道下穿建筑物段施工時宜采用楔形掏槽，并盡量減小楔形槽的大小。為了減緩掏槽孔爆破對隧道頂板圍巖的擾動，可將掏槽孔布置在距拱頂較遠的區(qū)域（如圖3所示）。在裝藥時，采用分散裝藥以減小爆破振動。

3）加強爆破施工過程中的監(jiān)測和爆破參數(shù)優(yōu)化。淺埋隧道開挖時，應對爆破施工全過程進行振動監(jiān)測，結合隧道常規(guī)項目的監(jiān)測（如拱頂下沉、洞周收斂、地表沉降等），全面監(jiān)控隧道爆破開挖及其振動效應，根據(jù)爆破振動速度衰減公式對爆破開挖區(qū)的參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，以保證隧道施工安全。

5 結論

1）在爆炸荷載的作用下，淺埋隧道爆破振動產(chǎn)生的垂向速度比水平速度和切向速度大，爆破振動規(guī)律與隧道的斷面尺寸、開挖方法、埋深、圍巖地質(zhì)條件等因素有關。

2）淺埋隧道爆破開挖時，合理的開挖方法、掏槽形式和裝藥結構可以減小爆破振動的影響，采用臺階法分步爆破，將大楔形槽改為小楔形槽并采用分散裝藥能有效的減小爆破振動。

3）爆破開挖時將爆破掌子面進行分區(qū)，減小單區(qū)域裝藥量，對爆破順序進行合理優(yōu)化，可以提高炸藥的使用效率，而且微爆破開挖臨空面好，還能達到減震效果。

4）敖包溝隧道下穿建筑物段的爆破振動規(guī)律符合薩道夫斯基經(jīng)驗公式：v=162.88，利用該公式可以預測爆破的振動速度，還能對爆破參數(shù)進行優(yōu)化。

5）淺埋隧道下穿建筑物在爆破開挖時，爆破振動監(jiān)測應該與隧道的常規(guī)監(jiān)測（如拱頂下沉、洞周收斂、地表沉降等）相結合，根據(jù)實測數(shù)據(jù)和薩道夫斯基經(jīng)驗公式優(yōu)化爆破參數(shù)，這樣既能減小爆破振動對隧道和地表建筑物的影響，又能提高施工效率。

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