隧道爆破振動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)與進(jìn)展

易文龍

摘? ? 要：隧道工程在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸行業(yè)中占據(jù)著十分重要的作用，而在隧道工程中，爆破是其中最為關(guān)鍵的施工環(huán)節(jié)之一。在進(jìn)行對(duì)隧道的爆破施工過程中，總是難以避免的引起一些振動(dòng)，而這些振動(dòng)將會(huì)對(duì)整個(gè)隧道工程的施工安全的管理和整個(gè)隧道施工工程質(zhì)量的控制有著十分重要的作用。本文對(duì)隧道爆破工程振動(dòng)控制作出研究，并提出具體的技術(shù)控制措施。

關(guān)鍵詞：隧道工程;爆破振動(dòng);研究進(jìn)展

1? 引言

隨著我國公路交通事業(yè)飛速發(fā)展，隧道爆破施工是隧 道建設(shè)中十分重要的環(huán)節(jié)，由于直接關(guān)系到隧道能否順利施工。在隧道附近常常會(huì)存在一些建筑物或者正在施工的隧道，爆破過程中炸藥產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過巖層土體傳播 至建筑物基礎(chǔ)上，造成地基沉降和建筑物開裂破壞倒塌，引起不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。研究隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)，能夠有效保證周圍結(jié)構(gòu)物的安全，同時(shí)可為隧 道爆破施工提供一定的參考價(jià)值。

2? 研究現(xiàn)狀

從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)主要基于現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在隧道 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及對(duì)周邊建筑物的破壞機(jī)理方面研究體系不夠完善，缺乏一定的理論指導(dǎo)，爆破預(yù)期的控制精度并不高。例如文學(xué)分別分析了地表爆破振動(dòng)速度及振動(dòng)波傳播規(guī)律和哪些因素有關(guān)，提出掏槽孔是降低振害的關(guān)鍵，并全面監(jiān)控隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)。袁紹國等總結(jié)了控制爆破需要從爆破體的破碎程度、破壞范圍、坍塌方向和危害作用出發(fā)，并介紹了控制爆破的五種不同原理。Crandle 研究了爆破振動(dòng)波的傳播特性以及爆破振動(dòng)的規(guī)律。

通過總結(jié)和分析當(dāng)前的隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)研究成果，本文認(rèn)為目前隧道爆破振動(dòng)控制主要不足的地方有以下幾點(diǎn)：（1）隧道爆破振動(dòng)衰減快慢與哪些爆破參數(shù)有關(guān);（2）各種爆破控制技術(shù)怎么樣組合才能達(dá)到最佳效果;（3）隧道爆破振動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。

3? 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律

研究隧道爆破振動(dòng)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)有效振動(dòng)控制的重要前提。一般地，爆破振動(dòng)與爆心距、高程差、地質(zhì)條件等有一定的聯(lián)系。許多研究人員對(duì)爆破振動(dòng)頻率衰減規(guī)律作了深入的探討，研究發(fā)現(xiàn)，爆炸腔大小、爆心距以及波在巖體中傳播速度決定了隧道爆破振動(dòng)頻率的衰減。爆破振動(dòng)規(guī)律從能量分布特征的角度分析是一種有效的手段。隧道爆破振動(dòng)能量分布與爆破孔中藥量多少有關(guān)系，當(dāng)最大段藥量比較少時(shí)，爆破振動(dòng)能量主要分布在中高頻帶附近，而且能量相對(duì)分布比較寬，當(dāng)最大段藥量逐漸增加時(shí)，爆破振動(dòng)能量主要分布在中低頻帶附近，并且能量分布比較集中，在比較了各種擬合公式并討論了爆破振動(dòng)速度衰減公式的優(yōu)選，經(jīng)過各個(gè)公式的誤差分析，提出應(yīng)該解除薩式公式中一次起爆藥量和爆心距的比例關(guān)系，采用優(yōu)化后的指數(shù)模擬。提出了根據(jù)線性回歸法和非線性回歸法求解爆破振動(dòng)速度衰減公式參數(shù)的非線性回歸法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、線性回歸法擬合的薩道夫斯基公式和非線性回歸法擬合的薩道夫斯基公式的對(duì)比分析，由此可 知，振幅越大，非線性回歸法得到的公式更加接近實(shí)測(cè)值。一般地，隧道遠(yuǎn)處的圍巖振動(dòng)規(guī)律不適用近處隧道爆破圍巖振動(dòng)，監(jiān)測(cè)隧道爆破近區(qū)圍巖和掌子面附近圍巖的振動(dòng)規(guī)律是隧道鉆爆施工安全的重要保證。分別對(duì)爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)方法作了深入研究。由此可見，爆破振動(dòng)速度在介質(zhì)中具有一定的傳播規(guī)律和可預(yù)測(cè)性。通過以上文獻(xiàn)分析，隧道爆破振動(dòng)速度的衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質(zhì)因子等有關(guān);分析爆破振動(dòng)規(guī)律可以從能量和振動(dòng)頻率的關(guān)系入手，即振動(dòng)頻率與能量分布之間存在密切關(guān)系。

4? 爆破振動(dòng)控制方法研究

4.1? 隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)是為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某位置處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，分析爆破地震波在介質(zhì)中能量分布規(guī)律，防止和減小爆破振動(dòng)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的破壞。陳慶等利用測(cè)試系 統(tǒng)中的拾振器1，2，3分別測(cè)量振動(dòng)速度的水平徑向分量Vr、水平切向分量Vτ和垂直分量Vz。于建新等采用TC- 4850爆破測(cè)振儀監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)速度，振動(dòng)傳感器應(yīng)垂直于 隧道豎直方向，平行于隧道軸線方向且垂直于隧道墻壁。可見，對(duì)于小凈距隧道爆破監(jiān)測(cè)并研究中間巖柱墻的振動(dòng)響應(yīng)非常關(guān)鍵。

4.2? 爆破合理的時(shí)差

在短進(jìn)尺的隧道爆破中，振動(dòng)速度峰值一般出現(xiàn)在掏糟爆破施工，對(duì)于低段位，各排炮孔之間應(yīng)有合理的時(shí)差間隔。合理的毫秒延時(shí)間隔有利于降低爆破振動(dòng)響應(yīng)。薛里等采用波動(dòng)理論分析了爆破振動(dòng)波疊加減振的條件，并研究了毫秒延時(shí)爆破振動(dòng)波形疊加干擾減振時(shí)間間隔時(shí)差計(jì)算方法。

4.3? 炮孔布置形式

通過增加中心炮孔并優(yōu)化掏槽方案、藥量和起爆時(shí)差，最大程度地減少振動(dòng)響應(yīng)，為了減少掏槽挾制和振動(dòng)作用，在楔形掏槽孔中心增加直眼淺炮孔。采用大直徑中空直眼掏槽和減小單段最大起爆藥量，合理布置炮孔間排距、優(yōu)化爆破網(wǎng)路，對(duì)振動(dòng)速度進(jìn)行控制。

5? 隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)監(jiān)測(cè)與分析

該隧道上導(dǎo)坑開挖斷面為半圓形，面積達(dá) 66m2，單循環(huán)爆破進(jìn)尺可在3.5m左右。根據(jù)目前國內(nèi)常規(guī)施工機(jī)械裝備條件，國內(nèi)隧道爆破通常采用手風(fēng)鉆鉆眼，掌子面設(shè)鉆孔裝藥平臺(tái)，炮眼直徑為42mm，炮眼深度4.0m～5.0m，采用楔形掏槽和周邊間隔不耦合裝藥光面爆破技術(shù)。在這一爆破方案中之所以將楔形掏槽區(qū)設(shè)置在上導(dǎo)坑的下部，主要原因是考慮盡量減小掏槽爆破對(duì)上部地面振動(dòng)的影響。此外，由于“V”掏槽爆破技術(shù)較 為成熟，對(duì)鉆孔定向精度要求不高，巖渣拋擲較遠(yuǎn)，在國內(nèi)得到普遍應(yīng)用。但楔形掏槽應(yīng)盡量使成對(duì)的斜眼同時(shí)起爆才能獲得較好的掏槽效果，而且楔形掏槽爆破夾制作用大，所以引起的爆破振動(dòng)較大。

5.1? 振動(dòng)測(cè)試的目的

為了嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)，爆破時(shí)必須對(duì)影響范圍內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，一是研究爆破過程地震波的衰減規(guī)律，地質(zhì)構(gòu)造及地形對(duì)他的影響，地震波參數(shù)和爆破參數(shù)的關(guān)系;二是研究天然氣管道，對(duì)于爆破振動(dòng)的響應(yīng)特征，這一響應(yīng)特征與爆破方式、天然氣管道特點(diǎn)的關(guān)系。掌握爆破振動(dòng)參數(shù)，有利于對(duì)爆破參數(shù)科學(xué)地進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)爆破作業(yè)，實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)控制及控制爆破信息化施工，將爆破振動(dòng)控制在允許范圍內(nèi)，確保天然氣管道安全。

5.2? 振動(dòng)測(cè)試的內(nèi)容

主要測(cè)試內(nèi)容有：質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率等。

5.3? 測(cè)試儀器的選擇

根據(jù)項(xiàng)目特征選用TC—4850爆破測(cè)振儀。

5.4? 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)爆區(qū)周圍環(huán)境和監(jiān)測(cè)要求，每次檢測(cè)共布設(shè)6臺(tái)傳感器，每次布點(diǎn)不少于3個(gè)，布置規(guī)律為：從爆區(qū)作垂線與天然氣管道正交，在交點(diǎn)處布置1臺(tái)儀器，其余儀器沿天然氣管道分別布置在交點(diǎn)兩側(cè)。

5.5? 測(cè)試結(jié)果

自洞身開始掘進(jìn)以來，每次爆破時(shí)均進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，對(duì)進(jìn)、出口端各級(jí)圍巖初次爆破和參數(shù)優(yōu)化后的各月測(cè)試結(jié)果最大值進(jìn)行了對(duì)比分析，分析可知，進(jìn)口端各級(jí)圍巖初次爆破時(shí)，其振動(dòng)速度均較高，但均小于1.7cm/s，在允許范圍內(nèi)。由于爆破區(qū)域距天然氣管道相對(duì)較近，為減小影響，對(duì)爆破方案進(jìn)行了優(yōu)化;而隧道出口端由于整體施工進(jìn)度較進(jìn)口端慢，故爆破時(shí)，直接借鑒進(jìn)口端優(yōu)化后的結(jié)果，不需再行探索。

6? 結(jié)束語

首先從實(shí)踐出發(fā)，對(duì)隧道工程爆破振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究。然后從隧道工程在爆破過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)及對(duì)一定區(qū)域內(nèi)構(gòu)造物的影響進(jìn)行了分析。最后結(jié)合實(shí)際工程案例提出了相關(guān)控制技術(shù)，作了詳細(xì)介紹，望能為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

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