隧道爆破振動(dòng)試驗(yàn)研究

張先勇 黃 梅 鄒錦州 趙軼凡

(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074; 2.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430000)

爆破是目前隧道工程中經(jīng)常采用的施工手段，廣泛應(yīng)用于工程巖體開挖中[1]。爆炸產(chǎn)生的荷載通常以高速、高壓的沖擊波的形式作用于爆源周圍的巖體上，且其作用時(shí)間極短，瞬間釋放的能量使得周邊結(jié)構(gòu)因受到巨大的壓力而出現(xiàn)較大變形從而出現(xiàn)破壞，工程中應(yīng)用這一原理實(shí)現(xiàn)破巖，不斷按工程設(shè)計(jì)推進(jìn)開挖斷面，移除指定部位的巖體，從而形成地下空間，實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。

目前，由于爆破振動(dòng)本身的復(fù)雜性、瞬時(shí)性及爆破介質(zhì)的多變性，致使爆破振動(dòng)的隨機(jī)性很大。目前，爆破理論還不是很成熟，不過(guò)還是有一定的成果。在巖體爆破作用原理方面，盧文波等[2]通過(guò)分析計(jì)算炮孔周邊的徑向裂紋尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子，認(rèn)為由爆生氣體驅(qū)動(dòng)的裂紋擴(kuò)展可分為2個(gè)階段，即穩(wěn)定擴(kuò)展階段和非穩(wěn)定間斷擴(kuò)展階段。Song等[3]以牛頓第二定律為理論基礎(chǔ)，研究了模型巖石在爆炸作用下出現(xiàn)斷裂的過(guò)程。林大超等[4]以空氣介質(zhì)爆炸為研究對(duì)象，探討了爆炸波超壓函數(shù)的問(wèn)題，通過(guò)一系列的修正后，提出了改進(jìn)的計(jì)算公式。在爆破地震傳播規(guī)律方面，Savage[5]指出，巖體熱彈性效應(yīng)也能使應(yīng)力波產(chǎn)生衰減，并且衰減量可以測(cè)量得到。White等[6]認(rèn)為孔隙巖層的固體骨架與孔隙空間內(nèi)粘滯流體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)必然引起應(yīng)力波的衰減，流體運(yùn)動(dòng)時(shí)損耗衰減更大。逄煥東等[7]根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際需求，借助解析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，利用計(jì)算結(jié)果劃分了不同的分區(qū)，并且求得了一般情況下不同區(qū)域的爆破地震波幅值的變化規(guī)律。王觀石等[8]采用彈簧模型描述非充填型結(jié)構(gòu)面，運(yùn)用彈簧模型討論爆破地震波在結(jié)構(gòu)面的傳播特性。

1 隧道爆破施工概況

小北山一號(hào)隧道分左右線布置，左線隧道里程ZK14+390-ZK17+390，長(zhǎng)3 000 m，進(jìn)口設(shè)計(jì)標(biāo)高60.876 m，出口設(shè)計(jì)標(biāo)高約40.630 m，最大埋深約280 m；右線隧道里程K14+380—K17+388，長(zhǎng)3 008 m，進(jìn)口設(shè)計(jì)標(biāo)高約為60.816 m，出口設(shè)計(jì)標(biāo)高約40.618 m，最大埋深270 m。

根據(jù)隧道地形條件、工程及水文地質(zhì)情況、隧道埋深，以及所采用的支護(hù)措施，確定隧道的施工方案。IV級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開挖，拱部弧形導(dǎo)坑采用微震光面爆破，下部臺(tái)階采用一次性爆破施工。

1.1 炸藥及雷管

選用低爆速的炸藥，采用直徑25 mm和直徑32 mm 2種乳化炸藥藥卷。為了更好地實(shí)現(xiàn)微差爆破采用非電毫秒雷管。

1.2 非電微差起爆網(wǎng)絡(luò)

爆破振動(dòng)與最大段藥量有極其密切的關(guān)系，采用非電微差起爆技術(shù)，可以有效控制單段雷管的起爆藥量，又能有效地控制每段雷管的起爆時(shí)間，使爆破振動(dòng)波形不形成疊加，既能保證巖石破碎達(dá)到理想的效果，又能消除爆破振動(dòng)的有害效應(yīng)。

1) 孔深進(jìn)尺設(shè)計(jì)。上臺(tái)階采用1.5 m進(jìn)尺，鉆孔深度1.7 m。

2) 掏槽眼形式設(shè)計(jì)。上臺(tái)階采用三角形三中空眼直眼掏槽，見圖1所示。

圖1 掏槽眼布置示意圖(單位：cm)

1.3 裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽眼采用直徑32 mm標(biāo)準(zhǔn)藥卷連續(xù)裝藥，掘進(jìn)眼和周邊眼采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，為更好地達(dá)到光爆效果，周邊眼藥卷采用直徑25 mm小直徑藥卷。

上臺(tái)階開挖爆破參數(shù)見表1。

表1 上臺(tái)階開挖爆破參數(shù)表

2 爆破振動(dòng)理論

2.1 爆破振動(dòng)特點(diǎn)

開挖爆破施工時(shí)，炸藥的一部分能量將轉(zhuǎn)換為地震波，從爆源以波的形式向外傳播，經(jīng)過(guò)介質(zhì)而到達(dá)地表，引起地表的振動(dòng)，振動(dòng)的強(qiáng)度隨著爆心距的增加而減弱。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起地表和建筑物、構(gòu)筑物不同程度的損傷或破壞。

爆破振動(dòng)與天然地震相比，具有如下特點(diǎn)。

1) 爆破振動(dòng)峰值非常高，衰減快。一般天然地震在7度地震條件下為0.1～0.15g，8度地震也只有0.2～0.3g，而爆破振動(dòng)遠(yuǎn)大于此。目前世界上記錄到的天然地震加速度最大值僅為數(shù)g，而在大爆破的近區(qū)測(cè)得的加速度高達(dá)25.3g。但是爆破振動(dòng)衰減很快，破壞區(qū)范圍小。

2) 爆破振動(dòng)頻率高。天然地震振動(dòng)的主頻大多為2～10 Hz，很少超過(guò)20 Hz，而爆破振動(dòng)遠(yuǎn)高于此。爆破振動(dòng)的主頻大多在10～50 Hz，甚至高達(dá)100 Hz以上。

3) 爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短。爆破振動(dòng)的主振段持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)0.5 s，短者小于0.1 s，而一般天然地震持續(xù)時(shí)間在10 s以上或更長(zhǎng)。

2.2 爆破振動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)與分析

開挖爆破時(shí)，決定爆破振動(dòng)強(qiáng)度的因素很多，但主要是藥量和爆心距。用于測(cè)算爆破振動(dòng)強(qiáng)度的公式很多，差異也很大，但目前我國(guó)大多采用M·A·薩道夫斯基地震動(dòng)最大速度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)強(qiáng)度，即

式中：V為質(zhì)點(diǎn)最大速度，cm/s；Q為齊爆藥量，kg；R為爆心距，m；K，α為與巖石特性、場(chǎng)地等有關(guān)的系數(shù)。

為了解不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)情況下的安全距離與最大允許齊爆藥量，根據(jù)M·A·薩道夫斯基公式與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)算，該隧道工程區(qū)花崗巖質(zhì)地堅(jiān)硬，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選用K=250，α=1.8，預(yù)測(cè)結(jié)果見表2、表3。

表2 不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)的齊爆藥量與安全距離關(guān)系預(yù)測(cè)表

注：①因影響質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的因素較多，經(jīng)驗(yàn)估算值僅供參考，不作為爆破參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)；②齊發(fā)爆破為總藥量，微差爆破為段最大藥量；③未考慮減振措施及地形等影響。

表3 不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)的距離與允許最大起爆藥量估算表

由表2、表3可見，在臨近水庫(kù)下方的隧道工程爆破作業(yè)時(shí)，對(duì)爆破藥量的控制是非常嚴(yán)格的，特別在靠近初支結(jié)構(gòu)、二襯現(xiàn)澆混凝土及隧道上方的水庫(kù)大壩壩體時(shí)，爆破作業(yè)時(shí)應(yīng)更加注意爆破振動(dòng)影響。

3 水庫(kù)壩體爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 水庫(kù)壩體爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在隧道開挖斷面到達(dá)水庫(kù)下方時(shí)，在水庫(kù)壩體布置2個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于水庫(kù)壩體靠近隧道爆破爆源區(qū)的部位，見圖2。

圖2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 水庫(kù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

水庫(kù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用國(guó)產(chǎn)TC-4850爆破測(cè)振儀。每臺(tái)TC-4850爆破測(cè)振儀有3個(gè)通道，可以配置1個(gè)三矢量速度傳感器，三矢量速度傳感器的3個(gè)通道分別對(duì)應(yīng)為：X向?yàn)樗淼垒S向，Y向?yàn)榇怪必Q向，Z為水平切向?？赏瑫r(shí)記錄3個(gè)測(cè)點(diǎn)的單向爆破振動(dòng)或1個(gè)測(cè)點(diǎn)的三分量振動(dòng)。當(dāng)用于測(cè)量豎向振動(dòng)速度時(shí)，可連接3個(gè)豎向速度傳感器；當(dāng)用于測(cè)量三矢量振動(dòng)速度時(shí)，可連接1個(gè)三分量速度傳感器或1個(gè)三分量加速度傳感器。

該儀器自帶液晶顯示屏，現(xiàn)場(chǎng)直接設(shè)置各種采集參數(shù)，能即時(shí)顯示波形、峰值和頻率。具有16位A/D分辨率，采用自適應(yīng)量程。通過(guò)USB接口與PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)用專用軟件進(jìn)行處理分析及成果輸出等。

通過(guò)整理TC-4850爆破測(cè)振儀采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到水庫(kù)壩體爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示，水庫(kù)壩體2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形見圖3。

圖3 爆破振動(dòng)波形圖

測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度/(cm·s-1)水平徑向X水平切向Y垂直向Z爆破振動(dòng)控制預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)/(cm·s-1)爆破藥量/kg滿足規(guī)范要求與否1號(hào)0．380．250．362．520√2號(hào)0．260．170．522．520√

由表4及圖3所示的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出：大壩壩體兩測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)速度均小于爆破振動(dòng)控制預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)2.5 cm/s，表明隧道洞內(nèi)掌子面爆破未對(duì)水庫(kù)大壩壩體造成不利影響，該段隧道可按既定的鉆爆設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破開挖施工。

4 隧道洞內(nèi)爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

4.1 爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

選取小北山一號(hào)隧道IV級(jí)圍巖段開挖爆破振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試采用上述TC-4850爆破測(cè)震儀，儀器觸發(fā)臨界值為0.10 cm/s，使用三矢量速度傳感器對(duì)X，Y，Z3個(gè)方向的振動(dòng)速度時(shí)程曲線進(jìn)行記錄。

考慮監(jiān)測(cè)的安全性和方便性，選擇隧道上臺(tái)階拱腰位置進(jìn)行測(cè)試。

傳感器與測(cè)點(diǎn)表面應(yīng)緊密連接，用熟石膏將傳感器粘結(jié)在地表或側(cè)壁，以便形成整體振動(dòng)，保證測(cè)試結(jié)果正確。在傳感器安裝時(shí)，清除表面松散物體，測(cè)量表面平整度。

4.2 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果及分析

圖4為爆破裝藥量為79.2 kg時(shí)距離爆源10 m處的測(cè)試結(jié)果，使用VBA軟件進(jìn)行三矢量速度合成結(jié)果圖。

圖4 距離爆源10 m

由圖4所示爆破振動(dòng)波形和三矢量速度合成結(jié)果可見。

1)X，Y，Z3個(gè)方向的峰值振速并不出現(xiàn)在同一時(shí)刻。X，Y方向大致在0.71 s產(chǎn)生振速峰值，Z方向在0.18 s產(chǎn)生振速峰值。從波形圖反映可以發(fā)現(xiàn)，在此距離內(nèi)Y方向也即垂直豎向振速占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，X方向振速最小。這可能是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的拱腰位置橫向約束較弱，有較好的振動(dòng)空間，這就造成了相較隧道軸向和隧道豎向振動(dòng)速度較大的現(xiàn)象。

2) 合速度振速峰值與Y方向振速峰值大致相同，且出現(xiàn)在0.71 s。合速度振速峰值為5.84 cm/s，符合規(guī)范安全要求。

3) 第三段波形和第四段波形之間間隔了較長(zhǎng)時(shí)間，可能是由于現(xiàn)場(chǎng)爆破時(shí)所用雷管采用了跳段處理或引爆時(shí)有所延時(shí)。

圖5為爆破裝藥量為79.2 kg時(shí)距離爆源25 m處的監(jiān)測(cè)結(jié)果，使用VBA軟件進(jìn)行三矢量速度合成結(jié)果圖。

圖5 距離爆源25 m

由圖5所示爆破振動(dòng)波形和三矢量速度合成結(jié)果可見：

1)X，Y，Z3個(gè)方向的振速時(shí)程曲線開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間大致相同，不同的波段對(duì)應(yīng)著爆破時(shí)不同的段位。

2)X，Y，Z3個(gè)方向的峰值振速并不產(chǎn)生在同一時(shí)刻。X方向大致在0.47 s產(chǎn)生振速峰值，Y，Z方向在0.45 s產(chǎn)生振速峰值。

3) 合速度振速峰值比X，Y，Z3個(gè)方向的振速峰值都要大，為2.92 cm/s，且出現(xiàn)在0.45 s，與Y，Z方向大體一致，符合規(guī)范中的振速要求。

綜合分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，X，Y，Z3個(gè)方向的振速峰值并不出現(xiàn)在同一時(shí)刻，這一方面是地震波的不同類型波傳播速度不同造成的；另一方面是同一段地震波在不同距離內(nèi)對(duì)水平、縱向和垂直方向的巖石所造成的振動(dòng)效應(yīng)影響是不同的。

三矢量合速度一般比X，Y，Z3個(gè)方向的振速峰值最大值要大，同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)間也會(huì)有所差異，考慮振速安全范圍時(shí)不僅需要判別3個(gè)方向的分速度，也要對(duì)合速度進(jìn)行考察。

5 結(jié)論

1) 大壩壩體2個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)速度均小于爆破振動(dòng)控制預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)2.5 cm/s，表明隧道洞內(nèi)掌子面爆破未對(duì)水庫(kù)大壩壩體造成不利影響。

2) 根據(jù)隧道洞內(nèi)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)拱腰位置水平切向振速較大。

3) 三向振速峰值點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)間有所差異，反映出了不同類型波的傳播速度有所不同。

4) 在10 m處產(chǎn)生的合速度振速峰值為5.84 cm/s，符合規(guī)范安全要求。

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