淺埋雙洞隧道爆破振動(dòng)安全技術(shù)研究

劉 海 鄧偉民

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 概述

爆炸是一種極為迅速的能量釋放過程，爆炸能量被利用于工程建設(shè)則成為工程爆破，爆破具有多種公害，如爆破振動(dòng)、爆破飛石和爆破沖擊波等。爆破飛石是因爆破碎塊脫離爆破體飛散到遠(yuǎn)處對建筑物、設(shè)施及人員造成危害，一般使用合理的爆破參數(shù)和防護(hù)措施就能避免；爆炸沖擊波則是通過高溫高壓氣體對附近目標(biāo)產(chǎn)生破壞，影響距離較近；爆破振動(dòng)傳播區(qū)域的特性是具有彈性效應(yīng)，當(dāng)爆破振動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，可以破壞建筑物基礎(chǔ)，影響工程本身的安全性和耐久性[1]，是威脅建筑物的主要因素。

巖石是天然產(chǎn)出的具有穩(wěn)定外形的物質(zhì)，分為沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖，自然界的巖石是各向異性體的地質(zhì)體，其中存在或多或少的節(jié)理裂隙、層理和斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面[2]，它們的存在大大阻礙了爆破振動(dòng)在巖石中的傳播，這就使得巖石的可爆性能存在較大差異，爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律因巖石的不同而存在較大差別。

熊沖隧道屬于梧州環(huán)城高速工程項(xiàng)目建設(shè)隧道之一，為淺理雙洞隧道，采用爆破開挖法進(jìn)行掘進(jìn)；距遂址區(qū)3.5 km處存在一處斷裂，隧道開挖范圍內(nèi)存在3處斷層或破碎帶，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，熊沖隧道的地質(zhì)條件使得圍巖爆破性能差，抗擾動(dòng)的能力弱，容易因爆破而引起安全事故，而破壞隧道建筑物或隧道開挖面。為了提高施工的安全性，對其爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測記錄，研究安全的爆破技術(shù)，熊沖隧道地質(zhì)情況見表1。

表1 熊沖隧道圍巖情況

2 爆破振動(dòng)的安全標(biāo)準(zhǔn)

2.1 理論基礎(chǔ)

利文斯頓曾于20世紀(jì)50年代提出了利文斯頓爆破漏斗理論，它是以能量平衡為準(zhǔn)則的巖石爆破破碎的爆破漏斗理論，該理論指出炸藥在巖體內(nèi)爆破時(shí)傳給巖石能量的多少和速度的快慢，取決于巖石性質(zhì)、炸藥性能、藥包質(zhì)量、炸藥埋置深度和起爆方式等因素。在巖石性質(zhì)一定的條件下，爆破能量的多少取決于炸藥質(zhì)量，爆炸能量的釋放速度與炸藥傳爆的速度密切相關(guān)。在距離爆源較遠(yuǎn)處，爆炸能量以地震波的形式進(jìn)行傳播，爆破振動(dòng)波是爆破能量傳遞的主要方式。其中巖石性質(zhì)對能量傳遞的相關(guān)系數(shù)取值見表2。

表2 相關(guān)系數(shù)(K,α)

國內(nèi)外學(xué)者在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，對爆破振動(dòng)的研究主要是研究其裝藥量、振速及距離之間的數(shù)量關(guān)系，通過回歸擬合歸納出其經(jīng)驗(yàn)公式。GB 6722—2014爆破安全規(guī)程[3]規(guī)定了以薩道夫斯基公式為參考，對爆破振動(dòng)速度和安全距離進(jìn)行預(yù)測，為爆破設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》，計(jì)算爆破安全距離采用薩道夫斯基判據(jù)公式：

(1)

其中，V為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)安全允許振動(dòng)速度，cm/s；Q為同段起爆的最大藥量，kg；R為爆破安全距離，m；α為地震波衰減系數(shù)，與地質(zhì)條件有關(guān)；K為介質(zhì)性質(zhì)系數(shù)，K與介質(zhì)性質(zhì)、爆破方法等有關(guān)。

2.2 振動(dòng)安全判據(jù)

建筑物的原材料多為混凝土材料，混凝土塑性特征微弱，不容易塑性變形，受到外力時(shí)產(chǎn)生微小變形，建筑物被損壞時(shí)，混凝土產(chǎn)生塑性變形，則其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能已被破壞。隧道爆破開挖時(shí)，由炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸地震波引起周圍介質(zhì)振動(dòng)，通過圍巖傳給支護(hù)構(gòu)筑物，引起支護(hù)的構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈塑性變形。目前采用爆破振動(dòng)強(qiáng)度的大小作為建(構(gòu))筑物的安全判據(jù)[4]。

爆破的振動(dòng)強(qiáng)度通常有如下三種表示方法，即以加速度、速度、頻率和速度作為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度的表示參數(shù)[5]。在爆破載荷作用下，利用加速度與建筑物破壞之間的相關(guān)性，將質(zhì)點(diǎn)加速度換算為建筑物的爆破地震載荷進(jìn)行應(yīng)力分析，因此之前有國家將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度作為衡量爆破振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)；與其余物理量比較，爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度與爆破地震破壞程度相關(guān)性好，目前有部分國家以爆破振動(dòng)速度作為爆破危害的標(biāo)準(zhǔn)；考慮到介質(zhì)條件等復(fù)雜條件，將振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)精細(xì)化，用速度—頻率作為振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，更準(zhǔn)確的反映建筑物抗震能力，因而我國目前使用速度—頻率作為爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)中華人民共和國《爆破安全規(guī)程》規(guī)定：交通隧道允許的安全振速為V=10 cm/s～20 cm/s，根據(jù)現(xiàn)場考查，熊沖隧道圍巖為以 Ⅳ 級,Ⅴ 級圍巖為主，因此該隧道的安全允許振速取8.0 cm/s，地震波衰減系數(shù)α=150符合現(xiàn)場情況。

3 熊沖隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測與分析

3.1 檢測設(shè)備

測試設(shè)備使用成都中科測控公司(中國科學(xué)院成都分院)生產(chǎn)的TC-4850新型爆破測振儀，該儀器使用三維一體傳感探頭接收地震波信號，可以測試出質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，振動(dòng)頻率，用三矢量合成分析軟件Blasting Vibration Analysis(BVA)軟件得到振動(dòng)速度與時(shí)間的波形圖，TC-4850新型爆破測振儀操作簡單、攜帶方便、精確度高，是目前廣泛使用的測振設(shè)備。

3.2 爆破振動(dòng)測試

表4 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)表

開挖面圍巖為寒武系上亞群中組(εsh23)砂巖，在距離開挖面不同距離隧道地板處各布置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，多次測量并記錄其爆破振動(dòng)速度如表4所示。

在距離隧道開挖面50 m處左右，即是隧道的二襯工作面，為保護(hù)好已經(jīng)凝結(jié)好的隧道水泥輪廓，振動(dòng)速度不能超過其抗震能力，依據(jù)GB 6722—2014爆破安全規(guī)程的規(guī)定，二襯混凝土的安全允許振速為8.0 cm/s，通過對熊沖隧道爆破振動(dòng)的監(jiān)測，距離50 m處(二襯工作面)的振動(dòng)速度為3.87 cm/s，小于其安全抗振標(biāo)準(zhǔn)，說明爆破振動(dòng)對二襯混凝土無影響。

為分析振速及振動(dòng)頻率的傳播規(guī)律，作出測試數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖1所示。

質(zhì)點(diǎn)頻率與爆心距、彈性空腔半徑、巖體性質(zhì)和爆破荷載時(shí)間特征有關(guān)。通過對其爆破地震波的衰減進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，爆破振速與距離正相關(guān)性顯著；熊沖隧道節(jié)理裂隙發(fā)育，受圍巖性質(zhì)影響，振動(dòng)頻率與振動(dòng)速度存在較差的相關(guān)性。

4 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場測試并結(jié)合《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，分析了熊沖隧道爆破開挖時(shí)爆破地震波對二襯結(jié)構(gòu)物的影響及爆破地震波的傳播規(guī)律，主要結(jié)論如下：1)二襯工作面處的測試數(shù)據(jù)小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許振速，說明爆破振動(dòng)對二襯混凝土無影響。2)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，爆破振動(dòng)速度與頻率之間的相關(guān)性差，是由于圍巖地質(zhì)情況復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，使地震波的傳播受到影響。3)爆破振動(dòng)對隧道圍巖的持續(xù)作用，也是引起隧道及圍巖損傷的因素之一，今后工作中應(yīng)加強(qiáng)對隧道爆破振動(dòng)的持續(xù)監(jiān)測。

[1] 羅 憶,盧文波,陳 明,等.爆破振動(dòng)安全判據(jù)研究綜述[J].爆破，2010(27)：15-20.

[2] 宋全杰,李海波,李俊如,等.層理對爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012(31)：2105-2106.

[3] GB 6722—2014，爆破安全規(guī)程[S].

[4] 唐春海,于亞倫,王建宙.爆破地震動(dòng)安全判據(jù)的初步探討[J].有色金屬，2001(53)：1-4.

[5] 盧文波,張 樂,周俊汝，等.爆破振動(dòng)頻率衰減機(jī)制和衰減[J].爆破，2013(30)：1-6.