隧道爆破施工對(duì)近接既有隧道的影響分析

葉云斌　方繼偉

(1.寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站　寧波　315040；　2.寧波市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司　寧波　315113)

隧道爆破施工對(duì)近接既有隧道的影響分析

葉云斌1方繼偉2

(1.寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站寧波315040；2.寧波市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司寧波315113)

摘要新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道影響嚴(yán)重，為了對(duì)影響規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)既有隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出爆破振動(dòng)振速傳播規(guī)律，歸納分析得到爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的薩氏公式，并得到振動(dòng)速度與爆心距和最大段裝藥量的關(guān)系，為有效地減小爆破振速提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞爆破振動(dòng)振動(dòng)速度爆心距最大段裝藥量

隨著山區(qū)高速公路快速發(fā)展，為適應(yīng)山區(qū)地形和減少占用耕地，隧道成為很重要的一種公路結(jié)構(gòu)形式。隧道開(kāi)挖施工需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題是：最大限度地降低爆破振動(dòng)，減少對(duì)隧道圍巖和支護(hù)體系的振動(dòng)，減少隧道爆破對(duì)地表及附近民房和農(nóng)用構(gòu)筑物的影響。本文通過(guò)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)影響爆破振速的因素進(jìn)行研究分析。

1爆破對(duì)臨近結(jié)構(gòu)影響

在爆破振動(dòng)作用下，建筑物受到振動(dòng)加速度的作用，產(chǎn)生慣性力，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)破壞[1]。對(duì)于爆破振動(dòng)的危害，主要應(yīng)研究地振波的加速度和造成結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的荷載。

當(dāng)爆破地振波投射入土層后，由于地表的多次反射和巖土界面的反射和透射，與土層頻率接近的振波將被放大，其他頻率的振波在傳播中快速衰減。土層對(duì)于爆破振動(dòng)的放大效應(yīng)，使主振相的前振段振幅急劇增大，而后振段振幅快速衰減。高頻振波的前振段引起建筑物的反應(yīng)，會(huì)干擾最大振幅引起結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)[2]。

2既有隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及安全性評(píng)估

本文基于新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道影響規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)既有隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以確保既有隧道安全運(yùn)營(yíng)。

2.1　爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器及測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方法

選用爆破振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)儀采集到的爆破現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù)，之后對(duì)其進(jìn)行分析預(yù)測(cè)(v-ρ分析、振速預(yù)測(cè)、安全距離預(yù)測(cè)和安全裝藥量預(yù)測(cè))和管理。

(1) 測(cè)點(diǎn)布置原則。為了研究爆破對(duì)近接隧道的影響，測(cè)點(diǎn)布置在掘進(jìn)隧道掌子面和相鄰隧道對(duì)應(yīng)樁號(hào)的斷面后面，具體的位置是隧道迎爆側(cè)邊墻附近，如有需要也可以在襯砌病害嚴(yán)重?cái)嗝婊虮潮瑐?cè)。

(2) 爆破振動(dòng)測(cè)試方法。在條件允許的情況下同一測(cè)點(diǎn)同時(shí)布置豎向和水平向傳感器。爆破前30 min布置測(cè)點(diǎn)，采用石膏將傳感器固定到地面或者側(cè)墻上，涂抹在傳感器上的石膏要薄而結(jié)合緊密，必要時(shí)需要用石膏對(duì)安裝部位進(jìn)行平整修補(bǔ)[3]。測(cè)試過(guò)程中儀器及測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖1。

圖1　儀器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

2.2　爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)所規(guī)定的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)是以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度或振動(dòng)速度結(jié)合振動(dòng)頻率為判據(jù)，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)所保護(hù)對(duì)象結(jié)構(gòu)物的重要程度和類(lèi)型提出了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1　爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

注：表列頻率為主振頻率，系指最大振幅所對(duì)應(yīng)波的頻率。

既有隧道安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)以國(guó)標(biāo)規(guī)定的交通隧道為參考和主要依據(jù)，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)既有隧道有多處滲漏水、裂縫等隧道病害，結(jié)合類(lèi)似隧道施工監(jiān)測(cè)中的經(jīng)驗(yàn)，按國(guó)標(biāo)規(guī)定安全振速下限為10 cm/s。

2.3　爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1) 爆破施工報(bào)警值。根據(jù)工程實(shí)際情況及既有工程經(jīng)驗(yàn)，為了評(píng)估爆破振動(dòng)的影響，采用4個(gè)分區(qū)：振速小于5 cm/s時(shí)(理想?yún)^(qū))，可認(rèn)為新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道基本沒(méi)有影響；振速大于5 cm/s而小于8 cm/s時(shí)(安全區(qū))，可認(rèn)為新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道有一定影響，但不危害既有隧道的安全運(yùn)營(yíng)；振速大于8 cm/s而小于10 cm/s時(shí)(黃色警報(bào)區(qū))，新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道影響較大，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)安全存在隱患，需要進(jìn)行預(yù)警及各方重視；振速大于10 cm/s時(shí)(紅色警報(bào)區(qū))，新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道運(yùn)營(yíng)及結(jié)構(gòu)安全有非常大的影響，施工單位必須采取相關(guān)控制措施，同時(shí)交管部門(mén)也需要采取一定限行措施。

(2) 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律分析。振動(dòng)速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，影響爆破振動(dòng)強(qiáng)度的主要因素有裝藥量和爆破介質(zhì)臨空面的條件、爆心距、地質(zhì)條件和迎爆面[4]。

高差變化對(duì)振動(dòng)速度衰減規(guī)律有一定影響，爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析方法因高差不同而不同。在不考慮高差的情況下，垂直振速經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：v為爆破振動(dòng)峰值垂直振速，cm/s；ρ為比例藥量；Q為爆破最大段藥量，kg；R為爆心距，m；k為場(chǎng)地條件系數(shù)；α為爆破振動(dòng)衰減指數(shù)。

在比例藥量ρ已知情況下，把該式兩邊取對(duì)數(shù)，即可對(duì)監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸得到k，α值，從而得到爆破振動(dòng)峰值垂直振速衰減方程。

根據(jù)上述理論，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)可以做出lgρ-lgv曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

圖2　史家山隧道爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)擬合圖

2.4　爆破振動(dòng)分段裝藥量與爆心距影響分級(jí)

當(dāng)分段最大裝藥量和爆心距不同時(shí)，對(duì)爆破振速的影響不同，并建立爆心距與分段最大裝藥量影響分級(jí)。根據(jù)隧道安全狀況和以往研究成果，將爆破振動(dòng)對(duì)隧道襯砌的影響根據(jù)爆破振速分為如下4級(jí)。

①爆破振速為v<5cm/s時(shí)，爆破振動(dòng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響，無(wú)需采取措施。

②爆破振速為5cm/s

③爆破振速為8cm/s

④爆破振速滿(mǎn)足v>10cm/s時(shí)，爆破振動(dòng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)有安全性影響，需采取減振措施。除了調(diào)整施工工法，爆破中可采用增加雷管的段別，減少同段雷管起爆藥量來(lái)減少爆破地震強(qiáng)度，設(shè)計(jì)爆破網(wǎng)格為孔內(nèi)微差，孔外同段的非電微差起爆技術(shù)。導(dǎo)爆管一般跳段使用，使段間間隔時(shí)間大于50ms，防止地震波相互疊加產(chǎn)生較大振動(dòng)。

(1) 最大段藥量分析?？紤]分段最大裝藥量影響時(shí)，假定爆心距分段最大裝藥量從2~20kg變化，則可得到爆破峰值振速與分段裝藥量的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3　隧道爆破振速與最大段炸藥關(guān)系曲線(xiàn)圖

可見(jiàn)，隨著分段裝藥量的增加，振速與之成指數(shù)形式增長(zhǎng)，表達(dá)式為：v=1.653Q0.635，在爆心距確定的情況下，可以通過(guò)增加分段數(shù)或者減少分段炸藥量的方式減小對(duì)既有結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。比如，在爆心距為20m時(shí)，如果分段裝藥量為20kg，則最大振速達(dá)到11.1cm/s；如果分段裝藥量減小到12kg，最大振速可以降低到8cm/s，可以滿(mǎn)足既有隧道安全性要求。

采用回歸分析研究隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，同時(shí)可以推導(dǎo)保證隧道結(jié)構(gòu)安全的最大段藥量的控制，公式如下：

對(duì)于隧道凈距R=15.8 m和25 m時(shí)，分別將振速[v]=5 cm/s，[v]=8 cm/s和[v]=10 cm/s代入上式算出最大段藥量分區(qū)，見(jiàn)表2。

表2　分段最大裝藥量與爆破影響分級(jí)

可見(jiàn)不同的振速或者爆心距，最大段藥量的影響均較大，在爆破施工分段設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮臨近結(jié)構(gòu)位置及地層狀態(tài)。

(2) 爆心距影響分級(jí)?？紤]爆心距對(duì)最大振速影響時(shí)，假定分段最大裝藥量Q=12 kg，爆心距則從5 m到100 m變化，則可得到爆破峰值振速與爆心距的關(guān)系，見(jiàn)圖4。

圖4　隧道爆破振速與爆心距關(guān)系曲線(xiàn)圖

隨著爆心距的增加，振速與之呈指數(shù)形式減小，表達(dá)式為：v=2 420R-1.906。

可見(jiàn)，在分段最大裝藥量確定的情況下，爆心距越大，對(duì)于既有結(jié)構(gòu)安全影響越小。當(dāng)爆心距小于20 m時(shí)，振動(dòng)速度大于10 cm/s，因此為了保證既有結(jié)構(gòu)的安全需要采取措施；當(dāng)爆心距大于30 m時(shí)，最大振速會(huì)降低到5 cm/s以下，對(duì)于既有結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響；尤其當(dāng)爆心距大于50 m時(shí)，可以忽略爆破振動(dòng)的影響。因此在隧道選線(xiàn)過(guò)程中，需要考慮洞口附近建筑及既有隧道影響，由于條件限制無(wú)法避免時(shí)還需要采取別的措施降低爆破振動(dòng)對(duì)于既有結(jié)構(gòu)的影響[6]。

3結(jié)語(yǔ)

隧道施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)新建隧道爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響，并根據(jù)既有隧道襯砌特征和安全狀況，提出安全振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，將爆破振動(dòng)影響分為4級(jí)，即無(wú)影響、有一定影響，有較大影響和安全性影響。同時(shí)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出爆破振動(dòng)振速傳播規(guī)律，歸納分析得到爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的薩氏公式，得到振動(dòng)速度與爆心距和最大段裝藥量的關(guān)系。依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論研究，及時(shí)向施工單位反饋，并提出有效的施工措施減小爆破振速。

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Influence Analysis of the Blasting Construction of New Tunnel on Existing Tunnel

YeYunbin1,FangJiwei2

(1.Ningbo Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Station, Ningbo 315040, China;

2.Ningbo Traffic Construction Experiment and Detection Co., Ltd., Ningbo 315113, China)

Abstract：The new tunnel blasting has serious influence on existing tunnel. In order to analyze the influence regularity, the blasting vibration of old tunnel was monitored. The velocity propagation law and the relationship of vibration speed with blast center distance and charge weight in larger segment are got by analyzing the monitoring data of blasting vibration, which can provide theoretical basis for reducing blasting vibration velocity effectively.

Key words:blasting vibration; vibration velocity; blast center distance; charge weight in larger segment

收稿日期：2015-03-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.041