隧道爆破自由面數(shù)量對(duì)地表振動(dòng)影響研究

冀新宇，王海亮，高 尚，王萬仁，劉光輝

(1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100043；3.中鐵八局發(fā)展建設(shè)有限公司，山東 青島 266000)

自由面的數(shù)量和種類以及自由面面積對(duì)爆破效果存在很大程度的影響。爆破工程中增加自由面數(shù)量不僅可以改善爆破效果，還能有效降低炸藥消耗量，尤其對(duì)降低爆破振動(dòng)起著顯著的作用[1-8]。但研究中爆區(qū)多集中在地形平坦的土體或測(cè)點(diǎn)與炮孔同一水平的探洞中，尚無特大斷面地鐵隧道進(jìn)行爆破時(shí)自由面數(shù)量對(duì)爆破振動(dòng)的影響研究。

在研究自由面數(shù)量對(duì)隧道爆破振速的影響時(shí)，何闖等[9]、賴廣文等[10]、季相臣等[11]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了1～2個(gè)自由面條件下爆破區(qū)域的場(chǎng)地、衰減系數(shù)K、α的變化規(guī)律，總結(jié)了自由面對(duì)爆破振動(dòng)的影響；但以上研究者均未進(jìn)行2個(gè)以上自由面數(shù)量條件下的隧道爆破振動(dòng)規(guī)律研究?！侗瓢踩?guī)程》(GB6722-2014)中的爆破振動(dòng)速度計(jì)算公式也未考慮自由面數(shù)量這一重要參數(shù)，已無法滿足2個(gè)及2個(gè)以上自由面條件下的爆破振動(dòng)速度計(jì)算。因此，探究特大斷面隧道爆破中不同數(shù)量自由面下爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

青島地鐵1號(hào)線貴州路站-西鎮(zhèn)站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“貴-西區(qū)間”)隧道全長(zhǎng)約546.9 m，里程為ZK31+869.2-ZK32+416.2，拱頂距地表16.9～28.7 m，區(qū)間隧道位于臺(tái)西五路及部分居民小區(qū)正下方。

該區(qū)間隧道地表建筑物主要為多層磚混結(jié)構(gòu)，要求振速控制在0.5～1.0 cm/s。因此隧道采用振動(dòng)較小的TBM開挖方式進(jìn)行掘進(jìn)，2臺(tái)TBM平行向前掘進(jìn)過程中未進(jìn)行管片安裝作業(yè)，而后在已經(jīng)形成的2個(gè)直徑6.2 m的TBM導(dǎo)洞的基礎(chǔ)上進(jìn)行爆破擴(kuò)挖，以便在西鎮(zhèn)站站前設(shè)置雙存車線，形成面積約214 m2的四線特大斷面隧道。

貴西區(qū)間四線大斷面隧道存在Ⅱ級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖類型，TBM掘進(jìn)后隧道現(xiàn)場(chǎng)斷面如圖1所示。

圖1 隧道斷面

2 爆破試驗(yàn)方案

為通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出地表振動(dòng)速度衰減規(guī)律，提出1個(gè)、2個(gè)及3個(gè)自由面條件下的爆破振動(dòng)速度計(jì)算公式，計(jì)劃在區(qū)間里程ZK32+172.2處開展3種不同自由面數(shù)量條件下的爆破試驗(yàn)。此處拱頂距離正上方地表最小距離為25 m。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的炸藥與雷管為山東銀光民爆器材有限公司生產(chǎn)的2號(hào)巖石乳化炸藥與毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，藥卷直徑32 mm，長(zhǎng)度300 mm，藥卷密度1.13 g·cm-3，單卷質(zhì)量0.3 kg。鉆孔機(jī)械為氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，孔徑42 mm，人工鉆鑿炮眼。

為便于理解，將試驗(yàn)條件下自由面數(shù)量以Ns表示。

2.1 1個(gè)自由面

試驗(yàn)位置選擇在四線大斷面隧道左線TBM導(dǎo)洞拱頂挑高段部位。炮孔方向與隧道方向垂直，豎直向上鉆鑿，將左線TBM導(dǎo)洞表面作為僅有的一個(gè)自由面進(jìn)行爆破試驗(yàn)。本次試驗(yàn)炮孔深度1.5 m，炮孔直徑42 mm，總裝藥量0.6 kg，裝藥結(jié)構(gòu)采用反向不耦合裝藥，炮孔剩余長(zhǎng)度使用水袋、炮泥等進(jìn)行堵塞。Ns=1時(shí)炮孔位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 1個(gè)自由面條件炮孔位置關(guān)系(單位:mm)

將毫秒5段導(dǎo)爆管雷管與炮孔內(nèi)炸藥相連，進(jìn)行挑高段爆破。Ns=1的現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

圖3 爆破現(xiàn)場(chǎng)布置

2.2 2個(gè)自由面

當(dāng)隧道左線挑高段爆破完成后，即開挖出如圖1所示的斷面。當(dāng)開挖隧道左線上臺(tái)階時(shí)，爆破的自由面數(shù)量為兩個(gè)(左線TBM導(dǎo)洞面、工作面)。隧道左線上臺(tái)階開挖尺寸為10.8 m×6.7 m，共布置121個(gè)炮孔，所有炮孔均為沿隧道方向水平方向，炮孔直徑42 mm，單段最大起爆藥量為1.2 kg。Ns=2時(shí)炮孔布置如圖4所示(炮孔之間的連接線表示使用同一段別雷管)。

圖4 2個(gè)自由面條件炮孔布置(單位:mm)

開展2個(gè)自由面條件下的爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)里程為ZK32+181.4。隧道左線上臺(tái)階爆破參數(shù)見表1。

表1 隧道左線上臺(tái)階爆破參數(shù)

合理的炮孔間排距可以有效地減少炸藥單耗，獲得更好地爆破效果。藥卷采用反向連續(xù)不耦合裝藥，炮孔剩余長(zhǎng)度使用水袋、炮泥進(jìn)行堵塞，提高炸藥能量的有效利用率。本次試驗(yàn)過程中炮孔間排距嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行鉆鑿，現(xiàn)場(chǎng)炮孔間距60 cm。

本次起爆方式采用毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，孔外延期，起爆雷管與連接雷管均采用毫秒5段導(dǎo)爆管雷管。Ns=2時(shí)起爆網(wǎng)路如圖5所示。

圖5 2個(gè)自由面條件起爆網(wǎng)路

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)方案執(zhí)行。起爆前對(duì)爆破網(wǎng)路連接進(jìn)行檢查，以避免盲炮導(dǎo)致的二次起爆。Ns=2時(shí)爆破現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

2.3 3個(gè)自由面

當(dāng)1個(gè)自由面條件的挑高段爆破結(jié)束后，2個(gè)自由面條件的隧道左線上臺(tái)階爆破也已超前開挖一段距離，則此時(shí)隧道右線上臺(tái)階區(qū)域進(jìn)行開挖爆破時(shí)存在三個(gè)自由面條件，即左線隧道面、右線TBM導(dǎo)洞面及工作面。

隧道右線上臺(tái)階開挖尺寸為8.7 m×6.55 m，共布置84個(gè)炮孔，炮孔均為沿隧道水平方向，炮孔直徑42 mm。其中輔助眼61個(gè)，孔深2.0 m，最小抵抗線為650 mm，排距650 mm，間距800 mm。周邊眼23個(gè)，孔深2.0 m，間距500 mm。單段最大起爆藥量為1.2 kg，Ns=3時(shí)炮孔布置如圖6所示。

圖6 3個(gè)自由面條件炮孔布置(單位:mm)

3個(gè)自由面條件下爆破振動(dòng)試驗(yàn)的裝藥結(jié)構(gòu)與2個(gè)自由面條件爆破試驗(yàn)相同。炮孔間排距嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆鑿，四線大斷面隧道右線上臺(tái)階爆破參數(shù)見表2。

表2 隧道右線上臺(tái)階爆破參數(shù)

起爆方式采用毫秒延時(shí)網(wǎng)路，孔外延期，連接雷管采用毫秒5段導(dǎo)爆管雷管。由于炮孔密集程度較大，起爆網(wǎng)路無法清晰表示。為了便于理解，在不影響文章表述前提下簡(jiǎn)化起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)圖，Ns=3時(shí)起爆網(wǎng)路如圖7所示，爆破現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

圖7 3個(gè)自由面起爆網(wǎng)路

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)儀器

試驗(yàn)采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破測(cè)振儀(以下簡(jiǎn)稱“測(cè)振儀”)進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)收集。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

正式起爆前，將8臺(tái)測(cè)振儀分別沿隧道軸線方向布置在工作面的前方，并提前進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置。在測(cè)點(diǎn)布置過程中，1號(hào)測(cè)振儀布置在工作面正上方地表(測(cè)振儀與工作面水平距離為0 m)，2-8號(hào)測(cè)振儀分別與1號(hào)測(cè)振儀保持不同的水平間距，布置于工作面前方地表。監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆源距離見表3。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆源距離

爆破測(cè)振儀觸發(fā)模式設(shè)定為內(nèi)觸發(fā)。考慮到雷管延期時(shí)間、地震波傳播時(shí)間及留有一定富余系數(shù)，因此采集時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為10 s。爆破測(cè)振儀的采樣頻率設(shè)置為振動(dòng)信號(hào)頻率的10～100倍。由于前期試炮得到爆破振動(dòng)主頻基本處在40～120 Hz范圍內(nèi)，故將儀器采樣頻率設(shè)置為8 kHz。記錄精度設(shè)定為1‰，觸發(fā)天平設(shè)定為0.01 cm·s-1。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，因測(cè)點(diǎn)周圍環(huán)境較為復(fù)雜，因此，在統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)條件下的爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先通過數(shù)據(jù)分析軟件Blasting Vibration Analysis對(duì)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波消噪[12]處理，保留0～500 Hz頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，剔除車輛、行人等產(chǎn)生的信號(hào)，從而得到真實(shí)的爆破振動(dòng)信號(hào)。

2個(gè)及3個(gè)自由面條件下為單段最大藥量為1.2 kg，1個(gè)自由面條件下單段最大藥量為0.6 kg。為方便不同起爆藥量條件下研究，提出比例藥量Qb概念，即單位質(zhì)量炸藥與測(cè)點(diǎn)至藥包中心之間距離的比值，單位為kg·m-1。由于不同自由面條件采用炸藥量可能存在不同，所以當(dāng)探究不同起爆藥量和自由面數(shù)量條件下的爆破振動(dòng)速度關(guān)系時(shí)，可以采用比例藥量進(jìn)行比較。

4 爆破振速衰減擬合與分析

4.1 場(chǎng)地、衰減系數(shù)擬合分析

利用所測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法分別擬合不同自由面數(shù)量條件下的場(chǎng)地、衰減系數(shù)K、α，擬合參數(shù)見表4。比例藥量Qb與振動(dòng)速度V關(guān)系如圖8、圖9所示。

表4 不同自由面條件下的回歸參數(shù)

圖8 單個(gè)自由面條件比例藥量Qb與振動(dòng)速度V擬合關(guān)系

圖9 不同自由面條件比例藥量Qb與振動(dòng)速度V擬合關(guān)系

實(shí)際工程應(yīng)用中，如果爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件的變化不大，則K值、α值基本可以保持不變。根據(jù)爆破安全規(guī)程，在同一K、α值下，爆破振動(dòng)主要受單段最大藥量和爆心距影響。明確同一K、α值下振動(dòng)隨比例藥量的規(guī)律，可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程爆破施工。

由圖8、圖9可見，隨比例藥量的升高，爆破振動(dòng)速度整體呈增大趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率逐漸趨緩。

對(duì)比表4中擬合參數(shù)可見，自由面數(shù)量不同時(shí)，場(chǎng)地系數(shù)K、衰減系數(shù)α的值也不同。場(chǎng)地系數(shù)K隨自由面數(shù)量的增加而逐漸減小，Ns=1時(shí)K值最大，Ns=3時(shí)K值最小，減小速率分別為68.65%、95.31%。衰減系數(shù)α也隨自由面的增加而逐漸減小，減小速率分別為24.23%、40.61%?？梢奒值較α值的衰減速率更為顯著。且Ns=1、2時(shí)，擬合所得K值與α值均超出《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)對(duì)于堅(jiān)硬巖石K、α分別為50～150、1.3～1.5的取值范圍。因此在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將自由面數(shù)量作為一個(gè)重要參數(shù)加以考慮。

4.2 爆破振速衰減規(guī)律探究

理論研究和工程實(shí)踐表明，單段最大起爆藥量保持一致時(shí)，振速峰值隨爆心距的增大整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。但通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，不同自由面條件下，爆破振動(dòng)速度峰值的出現(xiàn)位置均不在工作面正上方，而是在爆源水平距離4～7 m處。為探究振動(dòng)速度V與爆源水平距離Rb的關(guān)系，繪制振動(dòng)速度V與爆源水平距離Rb的關(guān)系曲線，如圖10、圖11所示。

圖10 單個(gè)自由面條件振動(dòng)速度V與爆源水平距離Rb關(guān)系

圖11 不同自由面數(shù)量條件下振動(dòng)速度V與爆源水平距離Rb關(guān)系

由圖10～圖11可見，隧道爆破產(chǎn)生的振動(dòng)，其峰值不在工作面正上方，而是在爆源水平距離4～7 m處。不同自由面條件下，爆破振動(dòng)速度均隨爆源水平距離的增加整體呈現(xiàn)先迅速增大后緩慢減小的趨勢(shì)。在爆源水平距離4～7 m處，爆破振動(dòng)速度達(dá)到峰值，振動(dòng)速度的增長(zhǎng)速率隨自由面增加而逐漸減小。振動(dòng)速度達(dá)到峰值后便開始衰減，且衰減速率隨水平距離的增大而逐漸減小。

同一試驗(yàn)條件下，所測(cè)得數(shù)據(jù)的主頻和峰值振速存在一定誤差，分析認(rèn)為可能是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)的條件差異導(dǎo)致的。試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在由步道磚鋪成的人行道上，在雨水、行人踩踏等多種原因綜合作用下，磚的下部可能存在空洞。在空洞的作用下，爆破振速出現(xiàn)了放大現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)采用的雷管為導(dǎo)爆管雷管，雷管延期時(shí)間不如數(shù)碼電子雷管精確，可能出現(xiàn)延期時(shí)間短于設(shè)計(jì)時(shí)間的現(xiàn)象。延期時(shí)間過短，波形也會(huì)產(chǎn)生重疊放大現(xiàn)象。

由圖11可見，在單段最大起爆藥量、爆心距等參數(shù)一致時(shí)，Ns=2時(shí)的地表振動(dòng)速度幾乎全部大于Ns=3時(shí)相同位置測(cè)點(diǎn)的地表振動(dòng)速度。當(dāng)單段最大起爆藥量為1.2 kg、爆心距相同時(shí)，Ns=3條件下爆破峰值振動(dòng)速度約為Ns=2條件下峰值振動(dòng)速度的60.5%。

在單段最大起爆藥量、爆心距等參數(shù)一致時(shí)，隨著自由面數(shù)量的增加，爆破振動(dòng)速度V整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，峰值振動(dòng)速度呈現(xiàn)非線性降低的趨勢(shì)。3個(gè)自由面條件下所測(cè)兩組數(shù)據(jù)，振速由峰值衰減到最小值，衰減率分別為55.618%、66.610%，平均衰減率為61.114%。2個(gè)自由面條件下所測(cè)3組數(shù)據(jù)，振速由峰值衰減到最小值的衰減率分別為79.655%、75.594%、63.703%，平均衰減率為72.984%。由此可見自由面數(shù)量越多，爆破振動(dòng)速度的衰減速率越小。

5 結(jié)論

在貴西區(qū)間隧道分別開展單個(gè)、2個(gè)及3個(gè)自由面條件下的爆破試驗(yàn)，通過研究爆破振動(dòng)速度與爆心距、比例藥量的關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

(1)自由面數(shù)量不同時(shí)，場(chǎng)地系數(shù)K、衰減系數(shù)α的值也不同。場(chǎng)地系數(shù)K、衰減系數(shù)α隨自由面數(shù)量的增加而逐漸減小，K值較α值的衰減速率更為顯著。

(2)振動(dòng)速度V隨比例藥量Qb的增加而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率逐漸趨緩。

(3)爆破振動(dòng)速度峰值的出現(xiàn)位置不在工作面正上方，而是在爆源水平距離4～7 m處。不同自由面條件下，隨爆源水平距離的增加，爆破振動(dòng)速度均呈現(xiàn)先迅速增大后緩慢減小的趨勢(shì)。振動(dòng)速度的增長(zhǎng)速率隨自由面增加而逐漸減小。振動(dòng)速度達(dá)到峰值后便開始衰減，且衰減速率隨爆源水平距離的增大而逐漸減小。

(4)在單段最大起爆藥量、爆心距相同的條件下，隨著自由面數(shù)量的增加，爆破振動(dòng)速度V整體呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。峰值振動(dòng)速度隨自由面數(shù)量的增加呈現(xiàn)非線性降低的趨勢(shì)，且自由面數(shù)量越多，爆破振動(dòng)速度的衰減速率越小。