鄰近既有公路隧道爆破振動(dòng)衰減傳播規(guī)律

丁海洋, 韓翔宇, 鄭軍華, 陳橋楓, 杜飛天

(1. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江杭州 310006; 2. 西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

鄰近既有公路隧道爆破振動(dòng)衰減傳播規(guī)律

丁海洋1, 韓翔宇2, 鄭軍華1, 陳橋楓2, 杜飛天1

(1. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江杭州 310006; 2. 西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

以杭金衢高速公路段新嶺隧道擴(kuò)建工程為背景，運(yùn)用理論分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，分析隧道爆破施工振動(dòng)對(duì)鄰近既有隧道安全穩(wěn)定的影響，總結(jié)推導(dǎo)爆破振動(dòng)在地層中衰減傳播的規(guī)律，確保洞室中施工作業(yè)的正常進(jìn)行，并對(duì)爆破方案進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：(1)測(cè)點(diǎn)處水平徑向即水平垂直于既有隧道方向峰值振動(dòng)速度最大，明顯大于Y和Z方向，監(jiān)測(cè)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注；(2)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用理論分析手段推導(dǎo)出爆源，距離及炸藥量和速度之間的關(guān)系，來優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，同時(shí)為分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律提供參考。

爆破工程; 爆破振動(dòng); 衰減規(guī)律; 測(cè)試

新嶺隧道屬于杭金衢高速公路擴(kuò)建工程諸暨至蕭山段，左洞隧道起訖樁號(hào)ZK46+590至ZK47+950，長(zhǎng)1 360 m，右洞隧道起訖樁號(hào)為YK46+606至YK48+065，長(zhǎng)1 459 m。既有新嶺隧道設(shè)計(jì)采用雙向四車道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單洞行車道寬度2×3.75 m，單個(gè)隧道寬度10.75 m，凈高5.0 m，隧道軸線走向160°，隧道最大埋深156 m，設(shè)計(jì)行車速度120 km/h。新嶺隧道為上、下行獨(dú)立分離式隧道，兩隧道軸線間距為41.3 m，于2003年建成通車。新建隧道左側(cè)進(jìn)洞口距離原左側(cè)隧道最近距離27.29 m，出洞口距離原左側(cè)隧道最近距離35.62 m；新建隧道右側(cè)進(jìn)洞口距離原右側(cè)隧道最近距離23.08 m，新建隧道右側(cè)出洞口距離原右側(cè)隧道最近距離28.16 m,新建隧道與既有新嶺隧道空間關(guān)系見圖1。

圖1 新舊隧道空間關(guān)系

由于新、老隧道間距離較小，老隧道在施工期間也將會(huì)保持營運(yùn)狀態(tài)，新隧道的開挖施工將不可避免地對(duì)老隧道的圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)安全及營運(yùn)舒適產(chǎn)生極大影響。目前我國山嶺隧道基本采用鉆爆法施工技術(shù)，施工過程中爆破發(fā)生的動(dòng)力振動(dòng)會(huì)在很大程度上影響既有運(yùn)營老隧道圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，甚至在施工中起到關(guān)鍵性的控制作用。為此，必須對(duì)新建隧道對(duì)既有隧道的爆破振動(dòng)影響以及衰減傳播規(guī)律進(jìn)行深入研究，以確定新老隧道結(jié)構(gòu)安全。

為了研究分析爆破振動(dòng)衰減傳播的規(guī)律，以該項(xiàng)目為依托背景，在新建隧道爆破開挖過程中對(duì)既有新嶺隧道洞室進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過記錄分析爆破地震波的峰值速度、主頻等參數(shù)，研究邊坡爆破開挖對(duì)下方洞室安全與穩(wěn)定的影響。

1 爆破方案及其參數(shù)

1.1 鉆爆設(shè)計(jì)

以較為薄弱的Ⅴ級(jí)圍巖隧道爆破施工進(jìn)行說明，其他不做贅述。施工鉆爆設(shè)計(jì)每個(gè)循環(huán)0.6～0.8 m，采用平行空眼直線掏槽、光面爆破技術(shù)爆破，共分四部分施工，其炮眼布置見圖2圍巖掏槽孔布置見圖3，Ⅴ級(jí)圍巖開挖炮眼參數(shù)見表1。

1.2 爆破網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接

隧道爆破主要是非電雷管起爆，通過導(dǎo)爆管引爆非電毫秒雷管而達(dá)到引爆炸藥的目的。采用非電毫秒雷管腳線長(zhǎng)7 m，有3 m在孔內(nèi)，4 m在孔外，在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接時(shí)，考慮在半徑3.5 m內(nèi)的導(dǎo)爆管捆綁在一起后(大把抓)，并用非電雷管引爆。同時(shí)考慮到Ⅲ級(jí)圍巖爆破時(shí)孔數(shù)較多，為控制最大單響藥量，需要較多的雷管段別，通常情況下的雷管段別不夠，為此可專門訂購DH-2或DH-3系列具有20個(gè)段位系列的雷管或用孔外接力的方式處理。

2 爆破振動(dòng)測(cè)試及結(jié)果

2.1 測(cè)點(diǎn)設(shè)置及儀器安裝

根據(jù)新建隧道的爆破斷面位置，初步估計(jì)對(duì)既有隧道的爆破影響范圍，并在對(duì)應(yīng)斷面邊墻處安設(shè)專用的爆破振動(dòng)測(cè)試儀器，一般情況下采用多臺(tái)(3～5臺(tái))等間距布置，這樣可以得到襯砌爆破振動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度值，同時(shí)還可以確定影響范圍。觀測(cè)時(shí)將儀器調(diào)整到采集狀態(tài)，起爆時(shí)產(chǎn)生的地震波由起爆點(diǎn)向四周傳播，這時(shí)在襯砌邊墻上安置的爆破振動(dòng)儀就會(huì)將振動(dòng)波記錄下來。按照在爆破掌子面對(duì)應(yīng)既有新嶺隧道斷面前后共3～5個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)的要求，測(cè)振儀布置情況如圖4和圖5所示。

2.2 測(cè)試結(jié)果及其分析

結(jié)合爆破振動(dòng)理論[1-2]，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。選取既有隧道現(xiàn)場(chǎng)采集到的典型測(cè)點(diǎn)X方向的振速波形如圖6所示，按振動(dòng)波形經(jīng)處理獲得的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

圖2 Ⅴ級(jí)圍巖炮眼布置(單位:m)

部位編號(hào)炮眼名稱眼深/m最小抵抗線/m炮眼間距/m眼數(shù)/個(gè)段別鉆孔角度/°每孔裝藥量/kg段藥量/kgⅠ部1#掏槽眼1.7541901.24.82#輔助眼1.52390123#輔助眼1.52590124#輔助眼1.50.450.735690155#輔助眼1.50.450.736790166#輔助眼1.50.70.737890177#1.50.70.738990188#1.50.70.7391090199#1.50.70.7310119011010#周邊眼1.50.70.461812900.5911#周邊眼1.50.70.462013900.51012#底眼1.50.70.8814901813#底眼1.50.70.8101590110合計(jì)10990.8Ⅱ部1#輔助眼1.50.70.881900.75.62#輔助眼1.50.70.883900.75.63#輔助眼1.50.70.885900.75.64#輔助眼1.50.70.867900.74.25#底眼1.50.70.868900.74.26#周邊眼1.50.70.46179900.46.8合計(jì)5332Ⅲ部1#輔助眼1.50.70.881900.542#輔助眼1.50.70.8103900.543#輔助眼1.50.70.8115900.55.54#輔助眼1.50.70.8127900.565#底眼1.50.70.8149900.57合計(jì)5527.5Ⅳ部1#輔助眼1.50.70.8111900.55.52#輔助眼1.50.70.8112900.55.53#輔助眼1.50.70.8113900.55.54#輔助眼1.50.70.8104900.555#輔助眼1.50.70.8105900.556#輔助眼1.50.70.8106900.557#輔助眼1.50.70.8107900.558#輔助眼1.50.70.898900.54.59#輔助眼1.50.70.879900.53.510#輔助眼1.50.70.8610900.5311#底眼1.50.84911900.54.512#底眼1.50.84912900.54.513#周邊眼1.50.441413900.45.6合計(jì)12762.1總計(jì)344212.4

圖3 Ⅴ級(jí)圍巖掏槽孔布置(單位:cm)

圖4 TC-4850N無線測(cè)振儀系統(tǒng)布設(shè)

圖5 測(cè)振儀測(cè)試位置布設(shè)

圖6 既有隧道X方向振速波形

由于每次爆破的位置和藥量在改變，而測(cè)點(diǎn)位置不變，因此爆區(qū)與測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置在變化，爆破地震波的傳播途徑及其經(jīng)過的地層條件也在變化，使得最終測(cè)得的最大峰值振速也不同。

表2 測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)

3 爆破振動(dòng)衰減系數(shù)

按線性回歸分析方法[3-5]，根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式

(1)

式中:V為峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(cm/s)；Q為最大段藥量(kg)；R為爆心距(m)；K和α為回歸系數(shù)，與地形地質(zhì)條件及爆源類型有關(guān)。

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)可得：

(2)

得到：y=b+kx

(3)

基于最小二乘法原理分析可得：

(4)

(5)

聯(lián)立式(4)和式(5)即可解得k和b，再將k和b代入到式(3)中可得衰減系數(shù)K和α。

結(jié)合對(duì)既有隧道連續(xù)監(jiān)測(cè)到的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法原理對(duì)爆破峰值振動(dòng)速度衰減規(guī)律進(jìn)行回歸分析，將水平X方向、水平Y(jié)方向和豎直Z方向的三個(gè)方向峰值振動(dòng)速度回歸分析得到衰減系數(shù)與規(guī)律(表3)。

表3 回歸系數(shù)

因此，可得出該工程地質(zhì)條件下爆破振動(dòng)速度沿不同傳播方向的衰減規(guī)律：

(6)

(7)

(8)

通過回歸分析計(jì)算可以看出，爆破振動(dòng)速度從爆區(qū)向既有隧道方向傳播的路徑上的地形條件系數(shù)和地質(zhì)條件系數(shù)均較大，這是由于傳播路徑上的巖層存在復(fù)雜的節(jié)理面以及地層裂隙發(fā)育，圍巖較破碎的復(fù)雜地形地質(zhì)條件決定的。根據(jù)分析計(jì)算得到的衰減規(guī)律來預(yù)判爆破方案的是否合理以確保施工安全順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

(1) 隨著爆區(qū)與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置的變化，測(cè)點(diǎn)的三個(gè)方向的最大峰值振動(dòng)速度之間的比值也在改變，且X方向即水平徑向峰值振動(dòng)速度最大；

(2) 爆破開挖對(duì)鄰近既有隧道穩(wěn)定性的進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，可以及時(shí)反饋工程中存在的問題，指導(dǎo)后續(xù)爆破開挖作業(yè)，確保周邊鄰近建筑物的安全與穩(wěn)定；

(3) 通過數(shù)次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明在現(xiàn)有爆破方案及裝藥量條件下，洞室是安全的。雖然初步得到的振動(dòng)速度傳播規(guī)律不夠完善，需要進(jìn)一步研究探明，但為研究爆破振動(dòng)衰減規(guī)律分析提供一定的參考。

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丁海洋(1982～)，男，高級(jí)工程師。

U455.49

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[定稿日期]2015-12-02