隧道分區(qū)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律試驗(yàn)研究

孟海利

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隧道分區(qū)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律試驗(yàn)研究

孟海利

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

在重慶樞紐聯(lián)絡(luò)線隧道掘進(jìn)過(guò)程中，將隧道掌子面劃分為掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)分別進(jìn)行爆破，并對(duì)不同區(qū)域爆破開(kāi)挖引起的振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。結(jié)果表明:隧道爆破的最大振動(dòng)出現(xiàn)在掏槽部位，采用分部開(kāi)挖方式和在掏槽區(qū)設(shè)置大直徑空孔可有效降低爆破振動(dòng);隧道掌子面爆破區(qū)域不同，振動(dòng)衰減參數(shù)也不同，振動(dòng)衰減系數(shù)K隨著開(kāi)挖區(qū)域的增大而逐漸減小，振動(dòng)衰減指數(shù)α由地質(zhì)條件決定，基本保持不變，輔助區(qū)K為掏槽區(qū)的0.50～0.67倍，周邊區(qū)K為掏槽區(qū)的0.25～0.33倍;重慶地區(qū)隧道分部開(kāi)挖時(shí)，K可按掏槽區(qū)110～120、輔助區(qū)60～80、周邊區(qū)30～40取值，α可按掏槽區(qū)1.5、輔助區(qū)和周邊區(qū)1.6取值。

隧道 分區(qū)爆破 爆破振動(dòng) 衰減規(guī)律

工程建設(shè)爆破施工處理不當(dāng)會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較大危害［1］，其中爆破振動(dòng)最為嚴(yán)重，因此，研究爆破振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)而采取有效措施加以控制一直是爆破研究領(lǐng)域的重要課題［2-3］。隨著我國(guó)城區(qū)鐵路的大量修建，隧道爆破面臨的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，一些巖石隧道埋深淺且周邊有大量的建(構(gòu))筑物需要保護(hù)，降低爆破振動(dòng)就成為這些隧道開(kāi)挖的主要難題。

目前，在隧道爆破設(shè)計(jì)時(shí)，通常要對(duì)爆破振動(dòng)預(yù)先估算，即選取一個(gè)相同的振動(dòng)衰減系數(shù)K、衰減指數(shù)α值，根據(jù)薩道夫斯基公式計(jì)算［4-5］。當(dāng)估算值超過(guò)控制指標(biāo)時(shí)，一般采取降低爆破規(guī)模等方法對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行控制。然而，隧道爆破時(shí)通過(guò)對(duì)雷管段別的設(shè)置使掌子面不同區(qū)域先后起爆，這就造成了不同區(qū)域的爆破振動(dòng)衰減系數(shù)不同。在這種情況下，若采用統(tǒng)一的衰減系數(shù)對(duì)隧道爆破振動(dòng)進(jìn)行估算，將產(chǎn)生較大的誤差，同時(shí)采取的爆破振動(dòng)控制措施也沒(méi)有針對(duì)性，有時(shí)會(huì)造成較大浪費(fèi)，甚至延誤工期。

掌子面各爆破區(qū)域的振動(dòng)參數(shù)如何取值目前尚沒(méi)有詳細(xì)的研究。本文以重慶鐵路樞紐聯(lián)絡(luò)線隧道爆破開(kāi)挖為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析方法，研究隧道掌子面不同區(qū)域產(chǎn)生的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，并給出了爆破振動(dòng)的有效控制措施。

1 隧道爆破振動(dòng)機(jī)理分析

1.1 隧道爆破振動(dòng)的傳播

炸藥在巖石介質(zhì)中爆炸，形成的爆炸荷載以沖擊波的形式向外傳播，其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而減小，波的性質(zhì)和形狀也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在離爆源約3～7倍藥包半徑的近距離內(nèi)，沖擊波的強(qiáng)度較大，波峰壓力一般都大大超過(guò)巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，使巖石產(chǎn)生塑性變形或粉碎。在該過(guò)程中沖擊波消耗大部分能量，急劇衰減，變成不具陡峭波峰的應(yīng)力波［6-7］。應(yīng)力波陣面上的狀態(tài)參數(shù)變化得比較緩慢，波速接近或等于巖石中的聲速。巖石的狀態(tài)變化所需時(shí)間遠(yuǎn)小于恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)所需時(shí)間。由于應(yīng)力波的作用，巖石處于非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生變形，可導(dǎo)致其破壞和殘余變形。該范圍可達(dá)到120～150倍藥包半徑的距離。應(yīng)力波通過(guò)該區(qū)后，波的強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，變?yōu)閺椥圆ɑ虻卣鸩ǎǖ膫鞑ニ俣鹊扔趲r石中的聲速。這種作用只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)做彈性振動(dòng)，而不能使巖石產(chǎn)生破壞［8-9］。

爆破地震波引起爆破地震效應(yīng)，產(chǎn)生爆破振動(dòng)。爆破振動(dòng)的大小與炸藥量、爆破形式、起爆方法、藥包埋藏深度、介質(zhì)的特性參數(shù)、傳播途徑、局部地質(zhì)條件、爆心距等有關(guān)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果，爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律一般采用下式進(jìn)行回歸計(jì)算。

式中:v為地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s;Q為炸藥量(齊爆時(shí)為總裝藥量，延遲爆破時(shí)為最大一段裝藥量)，kg;R為測(cè)點(diǎn)與爆心之間的距離，m;K為介質(zhì)系數(shù)，是與爆破方法、爆破參數(shù)、地形及觀測(cè)方法等有關(guān)的爆破場(chǎng)地系數(shù);α為衰減指數(shù)，與巖土地質(zhì)因素有關(guān)。

1.2 隧道掌子面爆破區(qū)域劃分

根據(jù)位置和作用的不同，隧道掌子面的炮眼分為三類(lèi)，即掏槽眼、輔助眼和周邊眼［10］。掏槽眼的作用是在工作面上首先創(chuàng)造一個(gè)槽腔作為第2個(gè)自由面，為其它炮眼爆破創(chuàng)造有利條件;輔助眼的作用是擴(kuò)大和延伸掏槽的范圍;周邊眼的作用是控制隧道斷面規(guī)格和形狀。根據(jù)不同類(lèi)型炮眼所處的位置，將隧道掌子面爆破區(qū)域劃分為掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)，如圖1所示。掘進(jìn)爆破時(shí)采用毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，使掏槽眼先起爆，輔助眼次之，最后是周邊眼，即掏槽區(qū)先爆破，輔助區(qū)次之，最后是周邊區(qū)。

圖1 隧道爆破掌子面分區(qū)示意

1.3 掌子面各區(qū)域的振動(dòng)關(guān)系描述

掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)先后起爆，由于各區(qū)域所受夾制作用不同，爆破振動(dòng)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的差別，選用統(tǒng)一的K，α值計(jì)算爆破振動(dòng)峰值顯然已不合適，應(yīng)該按區(qū)域分別計(jì)算爆破振動(dòng)峰值。為了研究不同爆破區(qū)域振動(dòng)參數(shù)取值的關(guān)系，定義掏槽區(qū)的介質(zhì)系數(shù)為K0，輔助區(qū)和周邊區(qū)的介質(zhì)系數(shù)與K0之間存在如下關(guān)系

式中:K為不同爆破區(qū)域的爆破振動(dòng)峰值衰減系數(shù);K0為掏槽區(qū)的爆破振動(dòng)峰值衰減系數(shù);K1為其它區(qū)域以K0為基數(shù)的變化系數(shù)。

同樣以掏槽區(qū)的衰減指數(shù)α0為基數(shù)，定義輔助區(qū)和周邊區(qū)的衰減指數(shù)與α0之間存在如下關(guān)系

式中:α為不同爆破區(qū)域的爆破振動(dòng)峰值衰減指數(shù);α0為掏槽區(qū)的爆破振動(dòng)峰值衰減指數(shù);α1為其它區(qū)域以α0為基數(shù)的變化系數(shù)。

引入K1，K0和α1，α0后，爆破振動(dòng)計(jì)算公式變?yōu)?/p>

2 隧道爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在重慶樞紐北右聯(lián)絡(luò)線隧道，里程為K13+054處，重慶樞紐北右聯(lián)絡(luò)線隧道自成渝客專(zhuān)正線新中梁山右線隧道引出，里程CBLYDK0+ 000—CBLYDK2+313.5，全長(zhǎng)2 313.5 m。該隧道與蔡?hào)|聯(lián)絡(luò)線雙碑隧道并行1 065 m，最終接入雙碑隧道。試驗(yàn)處的北右聯(lián)絡(luò)線隧道與雙碑隧道之間的水平凈距只有10 m(圖2)，且雙碑隧道正在營(yíng)運(yùn)，兩隧道屬于典型的緊鄰運(yùn)營(yíng)線小凈距隧道，爆破時(shí)要重點(diǎn)保證既有雙碑隧道的運(yùn)營(yíng)安全。重慶北右聯(lián)絡(luò)線隧道待挖巖體為巖屑長(zhǎng)石石英砂巖夾砂質(zhì)泥頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，巖體較完整，淺灰和灰色，中粗粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，厚層～巨厚層狀，屬于Ⅲ級(jí)圍巖。

圖2 重慶北右聯(lián)絡(luò)線隧道與蔡?hào)|線雙碑隧道典型斷面

2.1 爆破試驗(yàn)方案

為使測(cè)試結(jié)果更詳盡，試驗(yàn)將隧道掌子面分成5部分，如圖3所示，分別表示為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ部。Ⅰ部為掏槽區(qū)，Ⅱ部和Ⅲ部為輔助區(qū)，Ⅳ部和Ⅴ部為周邊區(qū)。試驗(yàn)時(shí)由Ⅰ部至Ⅴ部分5步爆破，每部分單獨(dú)起爆和測(cè)試，每次爆破進(jìn)尺1.0 m。將掏槽孔布設(shè)在遠(yuǎn)離既有隧道的一側(cè)，并在掏槽孔周邊布設(shè)4個(gè)直徑為90 mm的空孔，空孔內(nèi)不裝藥，只起增加臨空面的作用。爆破炮孔的直徑為42 mm，裝填直徑32 mm的乳化炸藥，孔口密實(shí)填塞，采用導(dǎo)爆管雷管毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，每部分的炮孔位置和雷管段別布設(shè)參見(jiàn)圖3。每部分的單孔裝藥量、總藥量和最大單段藥量見(jiàn)表1，裝藥時(shí)嚴(yán)格控制每孔裝藥量。

2.2 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試主要是獲得重慶北右聯(lián)絡(luò)線隧道各區(qū)域爆破時(shí)既有雙碑隧道處的爆破振動(dòng)速度，進(jìn)而分析隧道不同爆破區(qū)域的振動(dòng)傳播規(guī)律。采用TC-4850爆破測(cè)振儀和三向速度傳感器測(cè)試。振動(dòng)速度傳感器安裝在既有隧道迎爆側(cè)的拱腰部位，高出隧道排水溝以上5 m，每次安裝3個(gè)傳感器，1#傳感器與爆破掌子面平齊，2#與1#傳感器相隔10 m，3#與2#傳感器相隔15 m，如圖4所示。

圖3 炮孔布置及雷管段別設(shè)計(jì)示意

表1 炮孔裝藥參數(shù)

圖4 傳感器布設(shè)位置示意

2.3 測(cè)試結(jié)果

共進(jìn)行3個(gè)循環(huán)進(jìn)尺的重復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)3次爆破得到的振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表2。測(cè)試的典型波形見(jiàn)圖5。

表2 爆破振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果

3 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律

將表2中的矢量和振速按式(1)進(jìn)行回歸分析，得到隧道掌子面不同區(qū)域的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，如圖6和表3所示。

從表3中可以看出，隨著爆破由Ⅰ部到Ⅴ部的逐步進(jìn)行，K值逐漸減小，掏槽區(qū)K值為110～120，輔助區(qū)為60～80，周邊區(qū)為30～40，這說(shuō)明隨著爆破臨空面的逐漸加大，藥包爆炸受到的約束力逐漸減小，爆破振動(dòng)逐漸降低。由于地質(zhì)條件沒(méi)有變化，α值基本不變，掏槽區(qū)α值為1.5，輔助區(qū)為1.5～1.6，周邊區(qū)為1.6。

以爆破振動(dòng)最大的情況考慮，掏槽區(qū)K0=120，α0=1.5，由此計(jì)算得到輔助區(qū)和周邊區(qū)與掏槽區(qū)的振動(dòng)關(guān)系，見(jiàn)表4?？梢钥闯?，輔助區(qū)的振動(dòng)系數(shù)是掏槽區(qū)的0.50～0.67倍，周邊區(qū)的振動(dòng)系數(shù)是掏槽區(qū)的0.25～0.33倍，在采用薩道夫斯基公式進(jìn)行爆破振動(dòng)預(yù)估時(shí)，應(yīng)按所處的區(qū)域分別選取各值。

圖5 掏槽Ⅰ部爆破開(kāi)挖典型振動(dòng)波形

圖6 掌子面各部分爆破振動(dòng)衰減回歸曲線

表3 振速衰減公式參數(shù)

表4 隧道掌子面各區(qū)域爆破振動(dòng)參數(shù)的變化關(guān)系

4 降振分析及控制措施

從3次測(cè)試結(jié)果看，雖然最大單段爆破藥量在Ⅲ部開(kāi)挖區(qū)域，但最大爆破振動(dòng)速度并未出現(xiàn)在該區(qū)域，而是出現(xiàn)在Ⅰ部掏槽部位。這主要是因?yàn)楫?dāng)Ⅰ，Ⅱ部開(kāi)挖后，給Ⅲ部的開(kāi)挖創(chuàng)造了充足的臨空面，爆破能量在臨空面得以充分釋放。由此可見(jiàn)具有良好臨空面是降低爆破振動(dòng)的關(guān)鍵因素。

3次爆破試驗(yàn)的最大振動(dòng)速度均出現(xiàn)在掏槽Ⅰ部，其中前兩次數(shù)值已接近4.0 cm/s，最大為3.64 cm/s，因此，要降低爆破振動(dòng)需降低掏槽區(qū)的爆破振動(dòng)。在第3次爆破時(shí)，將Ⅰ部掏槽區(qū)的空孔增加到了6個(gè)，實(shí)測(cè)最大振速為2.85 cm/s，降幅明顯，說(shuō)明大直徑空孔可以有效降低掏槽區(qū)的爆破振動(dòng)。

由掏槽Ⅰ部爆破時(shí)測(cè)得的一組典型的振動(dòng)波形(參見(jiàn)圖5)可以比較清晰地分辨出各雷管段別的振動(dòng)參數(shù)，從圖中可以看出，在掏槽區(qū)布置多個(gè)空孔后，掏槽孔的振動(dòng)速度峰值明顯低于擴(kuò)槽孔，同樣說(shuō)明布設(shè)空孔具有明顯的減振作用。

由以上分析可以看出，采用分部開(kāi)挖和在掏槽區(qū)設(shè)置空孔可使爆破振動(dòng)得到有效降低。

5 結(jié)論

1)根據(jù)炮眼位置和作用的不同，將隧道掌子面劃分為掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)3個(gè)區(qū)域，爆破時(shí)由于起爆時(shí)差的不同，各區(qū)域產(chǎn)生的爆破振動(dòng)衰減參數(shù)也不同，振動(dòng)衰減系數(shù)K隨著開(kāi)挖區(qū)域的增大而逐漸減小，振動(dòng)衰減指數(shù)α基本保持不變。輔助區(qū)的K為掏槽區(qū)的0.50～0.67倍，周邊區(qū)的K為掏槽區(qū)的0.25～0.33倍。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同爆破區(qū)域選擇不同的爆破振動(dòng)參數(shù)。

2)重慶地區(qū)隧道爆破開(kāi)挖時(shí)，振動(dòng)衰減系數(shù)K可按掏槽區(qū)110～120、輔助區(qū)60～80、周邊區(qū)30～40取值，振動(dòng)衰減指數(shù)α可按掏槽區(qū)1.5、輔助區(qū)和周邊區(qū)1.6取值。

3)隧道爆破的最大振動(dòng)值會(huì)出現(xiàn)在掏槽部位，爆破時(shí)需重點(diǎn)控制掏槽區(qū)的爆破振動(dòng)。采用分部開(kāi)挖方式和在掏槽區(qū)設(shè)置大直徑空孔可有效降低爆破振動(dòng)，且空孔數(shù)量越多，減振效果越好。

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Experimental study on propagation law of tunnel blasting vibration

MENG Haili
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he tunnel face blasting was implemented by dividing the tunnel face into cutting area，auxiliary area and surrounding area separately during the tunnel excavation of Chongqing terminal connecting line and the different regional vibration caused by blasting excavation are monitored and analyzed．T he results indicated that the maximum vibration caused by tunnel blasting appears in cutting area，the vibration attenuation parameters are different with the different blasting zone of tunnel face，vibration attenuation coefficient K decreases gradually with excavation zone increasing，the vibration attenuation exponent α basically unchanged，which is determined by geological conditions，K value of auxiliary area is 0.50～0.67 times the value of cutting area，K value of surrounding area is 0.25～0.33 times the value of cutting area，K value should be 110～120，60～80，30～40 for cutting area，auxiliary area and surrounding area respectively during partial excavation of Chongqing tunnel，and α should be 1.5 for cutting area and 1.6 for both auxiliary area and surrounding area．

T unnel;Zoning blasting;Blasting vibration;Attenuation law

U455.41

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．14

1003-1995(2015)04-0050-05

(責(zé)任審編李付軍)

2014-12-09;

2015-02-10

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院院基金(2013YJ030)

孟海利(1977—)，男，河北吳橋人，副研究員，博士。