黃島LPG地下儲庫爆破震動監(jiān)測與分析

劉 永

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

21世紀是地下工程的大發(fā)展時期，地鐵、隧道、地下商場以及地下儲庫的建設(shè)工程層出不窮。為了滿足能源儲備的需要，地下LPG儲庫的建設(shè)開始興起，為地下空間施工領(lǐng)域提出了一個嶄新的課題。尤其是采用爆破法進行掘進時，震動是否會對地面建筑物產(chǎn)生威脅，以及如何科學地運用監(jiān)測手段對工程爆破所引起的震動進行有效控制和爆破參數(shù)優(yōu)化，是科研、設(shè)計工作者以及施工單位普遍關(guān)心的問題［1］。為了達到保護地表建筑物的目的，可以對每一次爆破進行實時監(jiān)測，根據(jù)反饋信息控制裝藥量的大小;但每次都進行監(jiān)測將大量增加工程建設(shè)成本。目前多采用的是爆破過程中對幾次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行抽查取樣，然后擬合出技術(shù)參數(shù)。最常用的方法就是根據(jù)薩道夫斯基公式，對實測數(shù)據(jù)擬合求出薩道夫斯基公式中的衰減系數(shù)K和α［2］。經(jīng)實踐證明，薩道夫斯基公式具有參數(shù)少、使用簡單方便的特點，但某些情況下預(yù)測精度不高。

一些學者從不同方面進行研究，對薩道夫斯基公式進行修正，得到了相應(yīng)的結(jié)果。朱傳統(tǒng)等［3］和許名標等［4］認為振動速度沿高程有放大效應(yīng)，因而將高程這一變量引入薩道夫斯基公式，對其進行了改進。還有一些學者繼續(xù)對高程影響進行深入的探討，并進一步對薩道夫斯基公式進行了修正［5－6］。某些情況下，一些經(jīng)驗公式雖然預(yù)測精度稍差，但簡單、實用且行之有效，而在工程上應(yīng)用的公式只有簡單、實用才會受到技術(shù)人員的青睞。正如譚文輝等［7］在爆破高程效應(yīng)研究中提出的觀點:K、α是與爆破場地條件有關(guān)的系數(shù)，高程效應(yīng)可以通過系數(shù)的變化反映出來，從而避開修正公式的繁瑣工作。然而，目前的研究中針對高程對爆破震動的放大影響較多，針對角度(爆源距與掘進面水平投影夾角)對爆破震動影響的研究卻較為少見。

因此，本研究以黃島LPG地下儲庫爆破掘進施工為研究對象，試圖通過現(xiàn)場爆破實測數(shù)據(jù)，分析爆源距(測點到爆源中心的直線距離)與掌子面二者水平投影夾角因素對地表最大振速的影響，來探尋衰減系數(shù)K、α的變化規(guī)律，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

黃島LPG(液化石油氣)地下儲庫位于青島市黃島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，是我國北方最大的LPG地下儲庫，總占地面積約為7.17 hm2，距青島港液體化工專用碼頭僅1.6 km。工程主要建設(shè)1座容積為35萬m3的液化石油氣地下水封洞庫和1座容積為15萬m3的丙烷洞庫，同時，建設(shè)3個1 000 m3的地上液化石油氣球形儲罐。洞庫多為大斷面開挖，寬為18 m，高為28 m，交通巷道斷面為8 m×7 m(寬×高)。地下儲庫工程效果如圖1所示。本工程巖體主要為中生代燕山晚期堿長花崗巖，又稱白崗巖，其次為各種侵入脈巖。脈巖侵入可分早、晚2期，早期多沿白崗巖近東西向斷裂侵入(NE700～SE 1 000)，呈巖墻狀，分布較規(guī)律;晚期脈巖以中基性為主，分布規(guī)律差，常常穿插白崗巖和早期脈巖。早期脈巖有花崗斑巖、石英正長斑巖;晚期脈巖多為中基性，如閃長玢巖、輝綠玢巖、二長巖、球粒狀正長斑巖等。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測儀器

監(jiān)測儀器采用國產(chǎn)最先進的TC－4850型爆破測振儀(見圖2)。每臺測振儀有3個通道，可以連接3個傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)利用傳感器收集感應(yīng)并由測振儀自動記錄。傳感器的正確安放是監(jiān)測數(shù)據(jù)準確的保證，現(xiàn)場采用石膏將傳感器和被測物緊密地粘接在一起，若是土質(zhì)的可以采用土釘將傳感器頂入，確保傳感器與被測物在受到振動時同步振動。振動速度測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖1 地下儲庫工程效果圖Fig.1 Underground LPG storage cavern

圖2 TC－4850爆破測振儀Fig.2 TC-4850 blasting vibration measuring device

圖3 振動速度測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of blasting vibration velocity measurement system

2.2 監(jiān)測方案

監(jiān)測布置受地形、地貌及其他因素的限制，在地面某些構(gòu)筑物出現(xiàn)裂縫或當?shù)鼐用裾J為震感強烈的部位布置測點。測點可以布置在構(gòu)筑物距爆破點最近的部位，也可以直接布置在裂隙處。震中區(qū)域構(gòu)筑物較多或地質(zhì)情況復(fù)雜時，針對重點構(gòu)筑物或重點區(qū)域布置監(jiān)測點，對每次爆破進行監(jiān)測。

以其中一個爆破斷面監(jiān)測為例，分為掘進前方測點和掘進后方測點，測點布置如圖4所示。其中，掘進前方地表測點分別用RL0(掘進前方水平徑向測點)、RT0(掘進前方水平切向測點)、RV0(掘進前方垂向測點)表示，掘進后方地表測點分別用RL(掘進后方水平徑向測點)、RT(掘進后方水平切向測點)、RV(掘進后方垂向測點)表示，β和γ分別表示地表垂向測點的爆源距(掘進前方、后方)與掌子面在水平面投影的夾角，且根據(jù)對稱性只取銳角測點分析即可(文中后續(xù)涉及角β和γ意義均相同)。

圖4 測點布置示意圖Fig.4 Arrangement of monitoring points

3 爆破監(jiān)測結(jié)果分析

質(zhì)點的振動速度與爆源距以及裝藥量之間的關(guān)系按照薩道夫斯基公式給出，即

式中:v為質(zhì)點的峰值振動速度，cm×s－1;Q為最大段裝藥量，kg;R為測點到爆源中心的直線距離，m;K為與爆破場地條件有關(guān)的衰減系數(shù);α為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù);為方便文中分析，將定義為比例距離，用S表示。

地下儲庫的巷道掘進采用全斷面光面爆破施工，其中交通巷道(寬×高=8 m×7 m)循環(huán)進尺為3 m，炸藥單耗量為1.02 kg/m3;水幕巷道(寬×高=6 m×6 m)循環(huán)進尺為2.5 m，炸藥單耗量為1.2 kg/m3，巷道埋深為70～110 m。經(jīng)實地監(jiān)測，得到有效監(jiān)測數(shù)據(jù)122組，其中，垂直方向有效數(shù)據(jù)62組，水平徑向有效數(shù)據(jù)35組，水平切向有效數(shù)據(jù)25組。由于場地限制以及需要針對相應(yīng)建筑物進行監(jiān)測，測點分布規(guī)律性稍差。從角度(β和γ)因素出發(fā)進行研究，選擇角度漸進變化的波垂向振動數(shù)據(jù)作為研究對象，如表1所示，其他振動方向波速研究與之類似。

表1 部分測試數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data

3.1 爆破震動波放大效應(yīng)分析

多組文獻中已經(jīng)對爆破震動放大效應(yīng)進行了闡述［8－10］，但多是從距離入手，未考慮裝藥量的因素。為了研究掌子面掘進前后爆破震動波的放大效應(yīng)，本文分別以掌子面掘進前、后方相同或相近的比例距離的質(zhì)點為研究對象，對其垂向振速進行回歸分析，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 振速對比曲線Fig.5 Curves of vibration velocity

由薩氏公式可知，比例距離越來越小表示距離掌子面越來越遠。由圖5可見，距離掌子面最近時，掘進前、后方垂向振速均最大，遠離時振速均逐漸減小;距掌子面較近且比例距離相同時，掘進后方質(zhì)點最大垂向振速要大于掘進前方最大振速;拉大與掌子面距離，在相同比例距離的情況下，二者垂向振速基本一致。因此，在地下工程爆破掘進時，掌子面后方空洞具有放大波速的效應(yīng)，越接近掌子面這種效應(yīng)越明顯，越遠離則越不明顯。為了方便可運用比例距離來對振速進行比較，同時觀察表1可見，掘進后方角度γ對這種放大效應(yīng)同樣有影響，當比例距離相近時，掌子面后方角度γ越是接近于90°，這種放大效應(yīng)就越明顯，如數(shù)據(jù)編號9#與10#、17#與18#、20#與21#等等;因此，在地下工程爆破掘進施工中，這種振速放大效應(yīng)一定要多加注意。

3.2 角度效應(yīng)分析

為了從角度出發(fā)研究掌子面前后質(zhì)點垂向振速的相關(guān)性，本文又分別對掌子面掘進前、后方各質(zhì)點的垂向振速進行了回歸分析。

對表1中所列質(zhì)點最大垂向振速數(shù)據(jù)總體進行回歸分析，得出圖6，發(fā)現(xiàn)總體相關(guān)性較差。繼續(xù)從角度因素出發(fā)進行研究，對所得實測數(shù)據(jù)進行回歸分析。首先對掘進前方數(shù)據(jù)單獨進行回歸分析得出圖7(1°≤β≤60°)，其相關(guān)系數(shù)達到 0.8 以上，相關(guān)性較好，同時得出薩道夫斯基公式衰減系數(shù)K=414.15、α=2.166 4。這是由于掘進前方振動波傳輸介質(zhì)比較單一，運用公式進行擬合的結(jié)果比較準確。繼續(xù)對掘進后方數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性仍然很差。根據(jù)角度的變化對掘進后方垂向振速數(shù)據(jù)進行分組，將0°≤γ≤33°時對應(yīng)表1中的垂向振速分為一組，γ＞33°時對應(yīng)的數(shù)據(jù)分為另一組分別進行擬合，結(jié)果如圖8和圖9所示。發(fā)現(xiàn)0～33°的擬合相關(guān)系數(shù)達到0.84，相關(guān)性較好，同時得出薩道夫斯基公式衰減系數(shù)K=259.67、α =2.076。而 33°以上數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)僅達到0.45，相關(guān)性較差。這是由于掘進后方振動波傳輸時，在小角度情況下，傳輸介質(zhì)以及波的傳輸過程相對于大角度時要單一，運用公式擬合相關(guān)性強;而大角度對應(yīng)的掌子面后方硐室已經(jīng)開挖成形，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爆破時瞬間爆炸產(chǎn)物高速向空氣中膨脹，周圍空氣壓縮，形成壓力很高的沖擊波，又傳入周圍巖體中直至地面建筑物，波的傳播過程中途徑復(fù)雜。因此，相關(guān)性隨著角度增加而變差，對掘進后方γ＞33°的重要建筑物進行評估時，必須要單獨對待，并詳細監(jiān)測。

圖6 總體振速變化規(guī)律曲線Fig.6 Variation rule of overall vibration velocity

圖7 掘進前方振速變化規(guī)律曲線Fig.7 Variation rule of vibration velocity ahead of excavation face

由此可以看出地下工程爆破掘進時，掘進后方的最大振速存在較強的角度效應(yīng)。按照分析的結(jié)果，將圖7和圖8中所得的衰減系數(shù)帶入薩道夫斯基公式，對黃島LPG地下儲庫其他位置爆破進行了震動波預(yù)測，經(jīng)實踐證明預(yù)測效果較好。

圖8 0°≤γ≤33°時振速變化規(guī)律曲線Fig.8 Variation rule of vibration velocity when 0°≤γ≤33°

4 結(jié)論與建議

在地下工程爆破掘進時，掌子面后方空洞具有放大波速的效應(yīng)，越接近掌子面這種效應(yīng)越明顯，越遠離則越不明顯。掘進后方角度γ對這種放大效應(yīng)同樣有影響，當比例距離相近時，掌子面后方角度γ越是接近于90°，這種放大效應(yīng)就越明顯。爆破時存在角度效應(yīng)，即針對掘進后方擬合時，若爆源距與掌子面在水平面的投影夾角為0～33°時，監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性較強，大于33°時相關(guān)性較差。

在地下工程爆破掘進施工中，這種振速放大效應(yīng)一定要多加注意。對掘進后方γ＞33°的重要建筑物進行評估時，必須要單獨對待，并詳細監(jiān)測。由于條件的限制，本文只用有限的數(shù)據(jù)進行了分析，若數(shù)據(jù)更多，運用薩道夫斯基公式進行擬合時，得出的K、α值可指導其他位置爆破掘進預(yù)測，對爆破方案進一步優(yōu)化。

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