淺埋隧道下穿高速公路地表震動監(jiān)測研究

張雯超， 湯金華， 吳志強， 李瑞紅

(南通職業(yè)大學 建筑工程學院， 江蘇 南通 226000)

淺埋隧道下穿高速公路地表震動監(jiān)測研究

張雯超， 湯金華， 吳志強， 李瑞紅

(南通職業(yè)大學 建筑工程學院， 江蘇 南通 226000)

以大頂山隧道下穿沈丹高速公路工程為背景，對現(xiàn)場爆破試驗進行震動監(jiān)測，分析現(xiàn)場爆破試驗實測振動數(shù)據(jù)，研究淺埋隧道掘進爆破時三向震動特性；利用最小二乘法對實測數(shù)據(jù)進行回歸分析，擬合數(shù)據(jù)確定大頂山隧道地震波衰減參數(shù)k，α值，得出下穿地段隧道開挖爆破地震波傳播規(guī)律；并對實測數(shù)據(jù)FFT分析，得出下穿地段隧道開挖爆破地震波的波譜特性。

淺埋隧道； 鉆爆法; 爆破震動； 震動監(jiān)測； 下穿高速公路

0 引言

隨著我國高鐵事業(yè)的高速發(fā)展和基礎交通設施的不斷完善，線路相互交錯的情況不可避免。為控制爆破震害，工程上對隧道爆破開挖引起地表振動效應進行監(jiān)測試驗研究，分析爆破地震引起地表震動特性[1-4]。限制最大單段裝藥量的短進尺微差爆破技術措施[5，6]。然而，過小的單循環(huán)進尺又會降低施工效率，影響工程進度，使工程成本增大。因此，如何正確處理爆破震害的控制與工程效率之間的矛盾，已成為淺埋隧道爆破施工的關鍵問題之一[7]。

本文結合沈-丹客運專線大頂山隧道下穿沈丹高速段工程，采用現(xiàn)場監(jiān)測的手段，對采用鉆爆法開挖時爆破波對地表的震動特性以及地表振速的衰減規(guī)律進行研究。

1 爆破施工方案

為控制爆破震動對高速公路地表的危害，探索淺埋隧道施工中爆破震動控制技術。該段隧道采用微振控制爆破技術。根據(jù)本工程地質情況及開挖施工方法，采用“短進尺、多鉆孔、少藥量、弱(不)爆破”技術進行開挖施工。并對控制效果進行現(xiàn)場監(jiān)測。

本工程決定采用微震光面爆破作為工程的爆破

方案。拱部采用光面爆破，邊墻采用預裂爆破技術，以盡可能減輕對圍巖的擾動，維護圍巖自身的穩(wěn)定性，達到良好的輪廓成型。分部單獨爆破進行設計，第1、3部開挖每循環(huán)進尺嚴格控制在一榀鋼拱架，第2、4、5、6部開挖每循環(huán)進尺可適當調整，但不得超過2榀鋼拱架，嚴格控制裝藥量，以盡可能減輕對圍巖的擾動，維護圍巖自身的穩(wěn)定性；減輕對既有公路及新建隧道的振動影響。具體的裝藥量及循環(huán)進尺以現(xiàn)場監(jiān)測結果為準進行調整。炮眼布置圖見圖1。

圖1 炮眼布置圖

2 震動監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 震動監(jiān)測點布置

現(xiàn)場監(jiān)測時測點位置固定，根據(jù)掌子面推進與測點位置的變化，監(jiān)測并分析爆破應力波傳播規(guī)律，并且可以為及時調整隧道開挖施工方案和爆破設計參數(shù)提供依據(jù)。沿隧道軸線方向布置在隧道正上方地表，分為A1、B1、C1；A2、B2、C2兩組，每個測點上一個傳感器(標準三向傳感器)，布置位置見圖2、圖3。提前在高速公路地表將傳感器用石膏固定，在放炮前10 min左右將振動拾振儀開機進行數(shù)據(jù)采集。

a) 平面布置

b) 縱向布置

a) 平面布置

b) 縱向布置

2.2 震動監(jiān)測設備

針對大頂山隧道下穿沈丹高速公路段隧道施工過程對高速公路地表震動效應，采用加拿大Instantel公司設計的Minimate Plus振動和過壓監(jiān)測儀，該儀器是一臺功能最為全面的振動監(jiān)測儀，是工程承包商、咨詢顧問、工程師和爆破人員的最愛。

爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)由爆破振動智能監(jiān)測儀的速度傳感器、數(shù)據(jù)線、計算機及配套軟件組成。測量儀器傳感器(標準三向傳感器)、拾振儀見圖4。

a) 傳感器b) 拾振儀

3 結果與討論

3.1 振動速度波形分析

淺埋隧道爆破時地面監(jiān)測點其復雜的振動信號由不同頻率的地震波及其反射波等疊加而成。在對時域內實測爆破振動數(shù)據(jù)進行研究時，主要分析最大振速、振動速度隨時間的變化以及頻譜。分別選取掌子面至DK77+715、DK77+711.5，兩次爆破施工過程典型地表實測振速波形如圖5、圖6。從圖5、圖6，可以看出，為了提高施工效率，上導與中導共同微差爆破兩者的掏槽孔、輔助孔和周邊孔爆破形成的地震波基本沒有產生疊加，能判斷出各段裝藥爆破所對應的地表振動速度幅值，其余各測點的波形與此相似；對比3個方向的振動效應，可以發(fā)現(xiàn)垂向振速要明顯大于其他方向的振速；掏槽孔較周邊孔、輔助孔爆破產生的地震效應最強烈，這是由于掏槽孔的軸線與爆破自由面的夾角較大，受到較大的夾制作用，因而爆破震動強烈，這表明淺埋隧道掘進中不同類型炮孔的自由面條件對地表震動效應影響差異較大，因此，在分析鉆孔爆破的震動效應時，不能僅以單段裝藥量的大小來判斷震動的強弱，也必須考慮爆破方式和自由面條件；爆破振動持續(xù)時間也是研究淺埋隧道爆破地震的一個重要指標，爆破振動持續(xù)時間越長，對地面結構物的危害程度越大，從2次監(jiān)測數(shù)據(jù)中得到第1次上中導共同爆破開挖震動持續(xù)時間略長為430 ms，第2次上導單獨微差爆破震動持續(xù)時間在380 ms以內，可見爆破振動持續(xù)時間與爆破方案有直接關系。

圖5 第1次爆破中C1測點實測振動速度波形

圖6 第2次爆破中A2測點實測振動速度波形

3.2 爆破振動頻譜分析(FFT)

震動的頻率與結構物的固有頻率相近時會引起共振，《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)在規(guī)定爆破振動的安全標準時充分考慮了爆破地震波的頻率的作用。利用頻譜分析(FFT)對大頂山隧道爆破施工中地表監(jiān)測震動進行數(shù)據(jù)頻譜分析，爆破地震波含有頻率成分豐富，而且各種波的含量的差別較大，通過頻譜分析可以展示各頻率震動波的能量，確定能量相對集中的頻帶和主振頻率。見圖7、圖8。

1) 不同區(qū)域、不同方向頻譜差別較大，掌子面后方A1的垂直方向上的主振頻率24 Hz要小于水平徑向的值32.3 Hz與水平軸向的值24.5 Hz；掌子面正上方B2的垂直方向上的主振頻率51 Hz要大于水平徑向的值37 Hz與水平軸向47.5 Hz。而與巖體自振頻率較接近的頻率波段衰減較慢且對隧道周圍產生的影響也最大，其主震頻率范圍為20～50 Hz之間。因此，考慮爆破地震波的垂直方向分量的影響同時不能忽視爆破地震波的水平方向分量的影響，這正是淺埋堆到爆破引起的地面爆破振動的特征之一。

圖7 第1次爆破中A1測點爆破地震波的頻譜

圖8 第2次爆破中B2測點爆破地震波頻譜

2) 對比2次不同單段最大起爆藥量，發(fā)現(xiàn)第2次上導單獨微差爆破藥量較大時，炮轟氣體膨脹做功能量較大，爆源激發(fā)的地震波頻率較低。雖然振速峰值未超限，但頻率過低會引起共振效應，應該嚴格控制單段最大起爆藥量。

3.3 振動速度分析

表1列出了2次爆破試驗地表各測點振動速度幅值、加速幅值、位移幅值、頻譜特性和測點與爆源的距離、起爆藥量的關系。

綜上所述波形分析知，掏槽孔爆破的震動效應對淺埋隧道爆破震害最大，因此研究其震動的變化特征尤為重要。表1列出了2次爆破監(jiān)測掏槽孔爆破引起的地表各方向振動速度幅值、各方向位移幅值、各方向振動加速度幅值、各方向主振頻率以及其相應最大單段裝藥量和測點至爆源的距離。對比表中掌子面前后各測點的地表振動速度發(fā)現(xiàn)，在2次爆破試驗中，各方向振速隨距離掌子面距離增加而減小。同時，對比表中位移幅值發(fā)現(xiàn)由爆破振動引起的位移量較小，一般在1 mm以內，這也說明圍巖與地表沉降并非由爆破引起，而是由隨后開挖巖體引起。

從表中可以看出掌子面前后地表振動速度的變化特征有明顯的差異。圖9繪出了2次爆破試驗掌子面前后各測點各方向振動速度的變化特征。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：以掌子面正上方地表測點為轉折點沿隧道軸線衰減，沿隧道掘進前方的各測點地表振動速度衰減速度遠大于已開挖區(qū)上部對應測點的地表振動速度。這表明隧道開挖區(qū)形成的空腔已改變了隧道上方淺層巖體的完整結構，出現(xiàn)“空洞效應”[8]，即距離爆源(掌子面)相同距離的已開挖區(qū)上部地表振動速度大于未開挖部分地表振動速度的現(xiàn)象。

表1 地表質點振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計表測點距爆心的高差H/m距爆心的水平距離L/m爆破參數(shù)/kg質點震動速度/(mm·s-1)質點震動位移/mm總裝藥量單段最大裝藥量Q最大水平徑向分量最大垂直分量最大水平縱向分量最大水平徑向分量A213.216.5B213.20C213.22.52#巖石炸藥6kg乳化炸藥6kg上導單獨爆破8.5kg4.77.249.780.02349.7867.119.80.08518.2527.312.60.0155A113.213.1B113.23.5C113.262#巖石炸藥6kg;乳化炸藥9kg上導與中導共同爆破6kg2.676.63.560.008684.1926.510.70.0173.1719.811.20.0093質點震動位移/mm質點震動加速度頻譜特性/Hz最大垂直分量最大水平縱向分量最大水平徑向分量最大垂直分量最大水平縱向分量最大水平徑向分量最大垂直分量最大水平縱向分量0.0450.05890.212g0.239g0.212g32.32424.50.2560.05610.636g3.05g1.17g253.347.50.0650.0270.477g1.09g0.504g74.374.574.50.0450.02140.133g0.265g0.133g24.523.523.50.1170.03320.239g1.09g0.504g375147.50.0480.02350.186g0.716g0.557g35.55774.8

圖9 2次爆破中各測點振速特征曲線

3.4 爆破地震波振動數(shù)據(jù)回歸分析

《爆破安全規(guī)程》采用國內外較公認的預測爆破地震動強度的經驗公式——薩道夫斯基的經驗公式進行爆破振動安全距離與質點振動計算，故利用最小二乘法對薩道夫斯基經驗公式進行數(shù)據(jù)擬合，其公式的具體形式是：

(1)

對該公式兩邊同取以10為底的自然對數(shù)：

(2)

得到：Y=Ax+B

(3)

用origin8.0中對所測得的數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，建立振速與爆心距之間的線性關系。由于淺埋隧道掘進爆破引起的地表震動存在區(qū)域特點，因而，以爆破掌子面前后的地表振動速度實測數(shù)據(jù)為基礎，采用最小二乘法對薩道夫斯基經驗公式進行回歸分析的，分別計算確定相應的地震波衰減參數(shù)。回歸方程為Y=Ax+B，回歸直線見圖10。

圖10 掌子面前、后方爆破振速參數(shù)線性回歸圖

求得掌子面前方振速衰減參數(shù)：B=lgK=2.585，A=α=1.16，進一步得到K=384.5，α=1.16；同理對掌子面后方已成型隧道上方地表進行線性回歸得到：B=3.41，A=2.37，進一步得到K=2 570.4，α=2.37。顯然，掘進后方的爆破地震波不符合薩道夫斯基公式給出的衰減規(guī)律，這正是由于“空洞效應”[8]影響所致。而在掘進前方的震動效應可用薩道夫斯基公式預測，并以此作為控制單段最大裝藥量的基礎。

4 結論

本文通過對大頂山隧道下穿沈丹高速合同段地表沉降監(jiān)測，分析比較監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且對爆破振動數(shù)據(jù)進行線性回歸得到以下結論：

1) 無論是采用上導單獨爆破還是上導與中導共同微差爆破，兩者的掏槽孔、輔助孔和周邊孔爆破形成的地震波基本沒有產生疊加，其中掏槽孔爆破產生的地震效應最強烈，所以能判斷出各段裝藥爆破所對應的地表振動速度幅值。對比3個方向的振動效應，垂向振速要明顯大于其他方向的振速。

2) 頻譜分析爆破震動頻率主要集中在20～80 Hz之間，不同區(qū)域、不同方向頻譜差別也較大，這正是淺埋隧道爆破引起的地面爆破振動不同的特征之一。對比2次不同單段最大起爆藥量，發(fā)現(xiàn)第2次上導單獨微差爆破藥量較大時，炮轟氣體膨脹做功能量較大，使爆源激發(fā)的地震波頻率較低，危害較大，應該嚴格控制單段最大起爆藥量。

3) 地表振速具有區(qū)域性，通過最小二乘法對掌子面前后區(qū)域分別進行線性回歸得到掌子面前方振速衰減參數(shù)K=384.5，α=1.16；而掌子面后方已成型隧道正上方地表K=2 570.4，α=2.37，不符合薩道夫斯基公式。掘進前方的震動效應可用薩道夫斯基公式預測。通過控制單段最大裝藥量，合理的裝藥結構，上部增設減震孔等可以有效地控制爆破震動效應。為該地區(qū)相似工程提供參考。

[1] 李玉民，倪芝芳.地下工程開挖爆破的地面振動特征[J].巖石力學與工程學報，1997，16(3)：274-278.

[2] 高文學，顏鵬程，李志星，等.淺埋隧道爆破開挖及其振動效應研究[J].巖石力學與工程學報，2011(S2)：4153-4157.

[3] KleinbergR L，Chow E Y，PlonaTJ，et al.Sensitivity and reliability of two fracture detection techniques for borehole application[J].Journal of Petroleum Technology，1984，36(4)：657-663.

[4] 曹孝君，張繼春，呂和林，等.淺埋隧道掘進爆破地表震動效應數(shù)值模擬[J].西南交通大學學報.2006，41(6)：680-683.

[5] 周春鋒.城市淺埋隧道開挖減震控制爆破技術[J].工程爆破，2001，7(1)：57-61.

[6] 郗慶桃.隧道爆破震動控制技術[J].爆破，1998，15(4)：83-87.

[7] 郭陜云.隧道掘進鉆爆法施工技術的進步和發(fā)展[J].鐵道工程學報，2007(9)：67-74.

[8] 張繼春，曹孝君，鄭爽英，等.淺埋隧道掘進爆破的地表震動效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(22)：4158-4263.

2016-09-01

張雯超( 1988-) ，男，碩士，現(xiàn)從事隧道與地下工程設計、施工、科研及教學工作。

1008-844X(2017)01-0156-05

U 455.41

A