隧道上臺階分區(qū)爆破振動規(guī)律

，

(山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590)

城市地鐵隧道作為重要的交通樞紐，多修建在主城區(qū)干路。采用鉆爆法開挖隧道產(chǎn)生的振動會對鄰近建(構(gòu))筑物、管線產(chǎn)生不利影響。而隨著隧道工程的發(fā)展，線路大幅增加，難免出現(xiàn)相互交疊的情況[1-5]。研究近距離交叉隧道爆破施工技術(shù)以及振動規(guī)律，對于保護既有隧道的安全穩(wěn)定具有重要的意義。目前交叉隧道爆破振動規(guī)律主要是針對全斷面法爆破提出的。如趙東平等[6]建立數(shù)值模型得出新建隧道在距離交叉點 10 m 以外位置以全斷面法爆破施工時，既有公路隧道二次襯砌的響應(yīng)規(guī)律，確保施工安全。趙春生[7]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析新建隧道上跨既有隧道爆破振動規(guī)律，得出振速隨起爆交叉點距離變化規(guī)律。李連超[8]利用Midas/GTS有限元分析軟件分析童家院子出入線隧道施工斷面距交叉段 0、25、50 m 不同距離下隧道襯砌振速規(guī)律，發(fā)現(xiàn)一次起爆藥量與合位移、合速度、合加速度的大小成正比。而分區(qū)爆破振動規(guī)律主要參考淺埋隧道爆破引起的地表質(zhì)點振動規(guī)律。如張繼春等[9]在渝懷鐵路人和場淺埋隧道進行現(xiàn)場試驗，爆破試驗各段延期時間均不小于200 ms，以保證相鄰段別產(chǎn)生的振動波不會相互影響，得出掏槽孔振動強度是其他各類炮孔的2倍以上。孟海利[10]采用毫秒延時起爆網(wǎng)路將隧道斷面分為掏槽區(qū)、輔助區(qū)、周邊區(qū)依次起爆，利用延期時間間隔在時間域上得出不同爆破區(qū)域的振動衰減參數(shù)，并非嚴格意義上空間域上的爆破分區(qū)，而且并未對振動速度分布規(guī)律進行研究。

圖1 牽出線與E出入口平面位置關(guān)系圖Fig.1 Planimetric position relations of shunting-tunnel and E entrance

圖2 各分區(qū)剖面位置關(guān)系

圖3 上臺階炮孔布置圖

本研究通過現(xiàn)場試驗，在空間域上對上臺階進行分區(qū)，并對分區(qū)爆破振動特性進行系統(tǒng)研究。完善了分區(qū)爆破振動規(guī)律，同時對類似工程提供參考，以期保證既有隧道的安全穩(wěn)定。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗背景

遼陽東路車輛基地牽出線為單線隧道，其拱頂正上方垂直距離3 m處為汽車東站E出入口，兩隧道平面夾角12°，平面位置關(guān)系見圖1。

試驗研究是以《爆破安全規(guī)程GB 6722—2014》[11]中的交通隧道爆破振動安全允許標準為控制爆破振動大小的依據(jù)。牽出線施工段屬Ⅴ級風化花崗巖，圍巖破碎。同時，為避免爆破振動對E出入口的影響，對爆破方案進行優(yōu)化。施工方法由全斷面開挖法調(diào)整為上下臺階法，上臺階寬6.198 m，高3.015 m，縮短循環(huán)進尺至0.75 m，并且上臺階分三區(qū)(定義為：掏槽區(qū)Ⅰ、輔助區(qū)Ⅱ；輔助區(qū)又包括：輔助1區(qū)、輔助2區(qū))三次爆破。其施工工序為：爆破掏槽區(qū)Ⅰ，進尺1.5 m→爆破輔助1區(qū)，進尺0.75 m→出渣→立拱架→噴漿→爆破輔助2區(qū)，進尺0.75 m→下一循環(huán)。各分區(qū)剖面位置關(guān)系如圖2。上臺階炮孔布置如圖3，爆破參數(shù)如表1。

1.2 測點布置及監(jiān)測

使用成都中科測控生產(chǎn)的TC-4850爆破測振儀進行監(jiān)測。該儀器為三通道并行采集，采樣頻率1～50 kHz，頻響范圍0～>10 kHz，自適應(yīng)量程，最大輸入值35 cm/s。

表1 上臺階爆破參數(shù)表

圖4 方案A測點剖面布置圖

本試驗使用儀器7臺，設(shè)置采樣頻率8 kHz，采樣時間2 s。提出3種監(jiān)測方案：A、在掌子面前方共布置7個測點，因現(xiàn)場施工條件限制，測點間距依次為1 m、1 m、1 m、1 m、2 m、2 m；B、在掌子面后方共布置7個測點，測點間距依次為1 m、2 m、3 m、3 m、4 m、4 m；C、以掌子面為基準點前后各布置3個測點，間距1 m。在此給出方案A測點布置如圖4，方案B、C布置方式類似。試驗共監(jiān)測17組數(shù)據(jù)，其中2組數(shù)據(jù)因操作、現(xiàn)場施工誤碰問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄不完全。對所監(jiān)測數(shù)據(jù)整理，提取X、Y、Z三個方向最大振速作為研究對象。方案A測點1監(jiān)測信號波形圖如圖5，部分監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

圖5 測點1波形圖

2 振動速度變化規(guī)律

通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制振速-距離曲線(如圖6～8)。曲線總體呈現(xiàn)出震蕩變化特征，具體如下：

1) 由圖6得出，輔助1區(qū)爆破掌子面前方2～3 m處出現(xiàn)極大值，而輔助2區(qū)爆破掌子面前方振速變化不明顯，這是由于輔助1區(qū)爆破時，前方存在一段空頂距，應(yīng)力波在此區(qū)域發(fā)生反射、折射導(dǎo)致振速放大。掏槽區(qū)掌子面前方1 m處出現(xiàn)極大值，與輔助2區(qū)比較，裝藥量大，掏槽形式不同等因素導(dǎo)致。

表2 方案A振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6 掌子面前方振速規(guī)律圖Fig.6 The law of the front vibration velocity of the palm face

圖7 掌子面后方振速規(guī)律

圖8 掌子面前、后方3 m范圍振速規(guī)律

2) 掌子面后方已開挖區(qū)巖層性質(zhì)發(fā)生改變，形成空洞。由圖7可知，在輔助區(qū)爆破時，藥量相對較小(5.7 kg)，2個自由面，空洞放大作用抑制振速減小，反而在1～3 m處出現(xiàn)極大值[12-13]。而在掏槽區(qū)爆破時，裝藥量相對較大(15 kg)，1個自由面，空洞放大效應(yīng)不明顯，振速先減小后增大，6～9 m處出現(xiàn)極大值。

3) 由圖8得出基準點前后3 m范圍內(nèi)，掏槽區(qū)、輔助2區(qū)掌子面后方振速普遍大于前方，A-1點除外，這種現(xiàn)象定義為“空洞效應(yīng)”[14-16]，掏槽區(qū)放大系數(shù)1.1～1.6，輔助2區(qū)放大系數(shù)1.2～1.8。而輔助1區(qū)由于空頂距區(qū)域應(yīng)力波反射、折射放大作用大于空洞放大作用，導(dǎo)致掌子面前方振速大于后方振速。

3 振動波衰減規(guī)律

不同分區(qū)、掌子面前后方爆破地震波衰減規(guī)律不同。為此，分別計算相應(yīng)的衰減參數(shù)。通常采用薩道夫斯基公式

(1)

式中：V為測點振動速度，cm/s；Q為最大單段裝藥量，kg；R為測點與爆源間的距離，m；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析繪制各分區(qū)衰減曲線，如圖9所示?；貧w分析得出各分區(qū)爆破振動衰減方程如表3。K、α取值并非嚴格對照《爆破安全規(guī)程》13.2.4取值，而且相差較大，因此爆破施工中要進行實際監(jiān)測分析，更科學的指導(dǎo)工程，保護建筑物的安全。

圖9 爆破振動衰減曲線

爆破位置 掏槽區(qū)輔助1區(qū)輔助2區(qū)回歸方程相關(guān)系數(shù)R2回歸方程相關(guān)系數(shù)R2回歸方程相關(guān)系數(shù)R2掌子面前方y(tǒng)=91.086x1.5490.7513y=15.761x1.3570.7124y=12.031x1.18670.7641掌子面后方y(tǒng)=883.77x2.90160.9170y=138.65x2.2270.8857y=45.603x1.71280.8150

由圖8可知，無論是掏槽區(qū)爆破還是輔助區(qū)爆破，掌子面后方K、α值均大于前方(如掏槽區(qū)衰減參數(shù)：K值883.77>91.086，α值2.901 6>1.549)。這表明，后方開挖已形成的斷面圍巖性質(zhì)發(fā)生改變，品質(zhì)因子Q減小，爆破振動在此區(qū)域衰減加快。

在掌子面后方區(qū)域，掏槽區(qū)振動衰減速率>輔助1區(qū)>輔助2區(qū)；在掌子面前方區(qū)域，掏槽區(qū)振動衰減速率>輔助區(qū)。掏槽區(qū)裝藥量大，只有一個自由面，應(yīng)力波在此區(qū)域衰減快。輔助1區(qū)與輔助2區(qū)爆破參數(shù)基本一致，振動衰減速率相差不大，表明輔助1區(qū)爆破時，空頂距對衰減參數(shù)影響不明顯。

4 振動頻率變化規(guī)律

輔助1區(qū)與輔助2區(qū)爆破振動頻率變化規(guī)律基本一致，為便于與掏槽區(qū)爆破振動頻率進行分析比較，以下研究統(tǒng)稱為輔助區(qū)。

4.1 主振頻率變化規(guī)律

主振頻率是介質(zhì)質(zhì)點最大振幅所對應(yīng)波的頻率。由圖10(a)得，掏槽區(qū)、輔助區(qū)爆破振動主振頻率隨爆心距的增加總體上呈現(xiàn)衰減趨勢，但并非嚴格單調(diào)下降，在水平距0～9 m范圍內(nèi)總體呈現(xiàn)上升趨勢，而在水平距9～17 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，而且主振頻均大于建筑物固有頻率，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。輔助區(qū)各測點主振頻率普遍大于掏槽區(qū)對應(yīng)測點主振頻率。這是由于相比掏槽區(qū)爆破，輔助區(qū)炸藥量小，2個自由面，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)自由面發(fā)生反射形成稀疏波，反射稀疏波與原應(yīng)力波疊加致使爆炸荷載壓力的上升時間和持續(xù)作用時間縮短，造成頻率變大。

圖10 掌子面前、后方爆破振動主振頻率衰減曲線

由圖10(b)可知，在水平距0～8 m范圍內(nèi)掏槽區(qū)主振頻率總體變化不大，個別測點出現(xiàn)躍升；輔助區(qū)主振頻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。掏槽區(qū)主頻頻率較輔助區(qū)低，而且最低主頻為18.018 Hz，接近建筑物固有頻率。因此，工程中應(yīng)在掌子面前方加強地表爆破振動監(jiān)測，及時調(diào)整爆破參數(shù)，避免掏槽區(qū)爆破引起地面建筑物共振、造成破壞。

4.2 質(zhì)心頻率變化規(guī)律

由圖10也可以看出，主振頻率隨距離變化曲線并無顯著的規(guī)律性，出現(xiàn)局部突變現(xiàn)象，無法準確預(yù)測后期的變化，不能很好地反映振動的頻譜構(gòu)成及其衰減規(guī)律，因而采用質(zhì)心頻率也稱為平均頻率[17]，定義為

(2)

式中：fc為質(zhì)心頻率，Hz；Ai為頻率fi對應(yīng)的振動速度譜。

采用質(zhì)心頻率擬合曲線相關(guān)系數(shù)高分別為0.862 5和0.774 7。由圖11可見，隨著距離的增加，質(zhì)心頻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。輔助區(qū)質(zhì)心頻率在水平距7 m處開始下降，衰減速率快，而掏槽區(qū)質(zhì)心頻率在水平距15 m處才開始下降。

圖11 掏槽區(qū)(a)與輔助區(qū)(b)爆破掌子面前方質(zhì)心頻率隨爆心距變化擬合曲線

5 結(jié)論

以遼陽東路車輛基地牽出線與汽車東站E出入口兩條立體交叉隧道，垂直距離僅3 m為工程背景，研究近距離隧道上臺階分區(qū)(掏槽區(qū)、輔助1區(qū)、輔助2區(qū))爆破振動規(guī)律：

1) 各分區(qū)爆破振動速度呈震蕩變化規(guī)律。裝藥量、空頂距等因素的影響導(dǎo)致掏槽區(qū)、輔助1區(qū)爆破時在掌子面前方1～3 m處出現(xiàn)極大值。掌子面后方存在空洞放大效應(yīng)，且受裝藥量、自由面、空頂距等因素影響，掏槽區(qū)放大系數(shù)1.1～1.6，輔助2區(qū)放大系數(shù)1.2～1.8，而輔助1區(qū)掌子面前方振速大于后方振速。

2) 各分區(qū)爆破時對振動數(shù)據(jù)回歸分析得出K、α值，掌子面后方K、α值均大于前方，掏槽區(qū)振動衰減速率>輔助區(qū)。

3) 主振頻率隨距離變化曲線并無顯著的規(guī)律性，不能很好反映振動的頻譜構(gòu)成及其衰減規(guī)律，而采用質(zhì)心頻率得出較強的規(guī)律性，隨著距離的增加質(zhì)心頻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

本研究只從振動速度、頻率角度研究各分區(qū)爆破振動響應(yīng)規(guī)律，后續(xù)研究可從振動信號頻帶能量分布方面進一步分析。

參考文獻：

[1]GONG L,QIU W,WANG F.Closely constructing influence forecast of hydraulic tunnel under-cross existing railway tunnel[J].China Railway Science，2007,28(4):29-33.

[2]LO K W,CHANG L K,LEUNG C F,et al.Field instrumentation of a multiple tunnel interaction problem[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1989,26(3/4):A227.

[3]ASANO T，ISHIHARA M，KIYOTA Y.An observational excavation control method for adjacent mountain tunnels[J].Tunneling and Underground Space Technology,2003,18(2/3):291-301.

[4]YAMAGUCHI I,YAMAZAKI I,KIRITANI Y.Study of ground-tunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity,in relation to design and construction of parallel shield tunnels[J].Tunneling and Underground Space Techno-logy,1998,13(3):289-304.

[5]JUNICA M I,AOKI K,IWAI K,et al.The assessment of influences on ground due to 2nd tunnel excavation based on 1st tunnel excavation[J].Tunneling and Underground Space Technology,2004,19(4):442.

[6]趙東平,王明年.小凈距交叉隧道爆破振動響應(yīng)研究[J].巖土工程學報,2007,29(1):116-119.

ZHAO Dongping,WANG Mingnian.Study on influence of blasting vibration on cross tunnels with small clearance[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(1):116-119.

[7]趙春生.新建隧道上跨既有隧道的爆破振動分析[J].工程爆破,2017,23(3):52-55.

ZHAO Chunsheng.New tunnel blasting vibration analysis on the existing tunnel[J].Engineering Blasting,2017,23(3):52-55.

[8]李連超.隧道爆破對既有下穿隧道的影響分析[D].重慶:重慶交通大學,2016.

[9]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(yīng)試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(22):4158-4163.

ZHANG Jichun,CAO Xiaojun,ZHENG Shuangying,et al.Experimental study on vibration effects of ground due to shallow tunnel blasting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(22):4158-4163.

[10]孟海利.隧道分區(qū)爆破振動傳播規(guī)律試驗研究[J].鐵道建筑,2015(4):50-54.

MENG Haili.Experimental study on propagation law of tunnel blasting vibration[J].Railway Engineering,2015(4):50-54.

[11]中華人民共和國國家標準．GB 6722—2014,《爆破安全規(guī)程》[S].

[12]孫志果,王曉雯.淺埋隧道掏槽爆破地表質(zhì)點震速規(guī)律研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,52(1):163-167.

SUN Zhiguo,WANG Xiaowen.On the velocity law of ground particle vibration induced by cut blasting in a shallow-buried tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2015,52(1):163-167.

[13]向亮.城市淺埋硬巖大跨隧道開挖爆破振動監(jiān)控研究[D].成都：西南交通大學,2009.

[14]喻軍,劉松玉,童立元.淺埋隧道爆破振動空洞效應(yīng)[J].東南大學學報(自然科學版),2010,40(1):176-179.

YU Jun,LIU Songyu,TONG Liyuan.Hollow effect induced by blasting vibration in shallow tunnels[J].Journal of Southeast University(Natural Science Edition),2010,40(1):176-179.

[15]楊云凌.淺埋隧道爆破振動空洞效應(yīng)研究[J].爆破,2012,29(3):127-130.

YANG Yunling.Hollow effect induce by blasting vibration in shallow tunnels[J].Blasting,2012,29(3):127-130.

[16]高照帥,王德勝,尹作明,等.城市地鐵淺埋隧道掘進爆破地表振動試驗研究[J].山東科技大學學報(自然科學版),2016,35(1):79-85.

GAO Zhaoshuai,WANG Desheng,YIN Zuoming,et al.Experimental study of ground vibration induced by shallow urban subway tunnel excavation blasting[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2016,35(1):79-85.

[17]盧文波,張樂,周俊汝，等.爆破振動頻率衰減機制和衰減規(guī)律的理論分析[J].爆破,2013,30(2):1-6.

LU Wenbo,ZHANG Le,ZHOU Junru，et al.Theoretical analysis on decay mechanism and law of blasting vibration frequency[J].Blasting,2013,30(2):1-6.