隧道掘進爆破振動對地表建(構(gòu))筑物的影響

賈宏宇

(阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新推廣中心(阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院)，遼寧 阜新 123000)

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，穿越農(nóng)村和市區(qū)的隧道工程將會越來越多[1]，由于隧道掘進主要采用爆破方式進行，不可避免的產(chǎn)生的爆破振動會成為隧道掘進的主要危害，影響臨近、地表的建(構(gòu))筑物[2]。國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量研究[3-4]，王波等[5]通過隧道爆破工程現(xiàn)場振動測試，獲得了多組隧道爆破時地表振動強度數(shù)據(jù)，分析了爆破振速的傅里葉幅值譜；朱浩杰等[6]依托廈門石堀山隧道工程對爆破開挖引起的振動進行了長期監(jiān)測，研究結(jié)果表明：垂向振速不一定總是最大；鄧濤等[7]對隧道爆破期間房屋裂縫成因進行了系統(tǒng)分析和討論；繆宏兵等[8]研究了隧道爆破施工對地表框架結(jié)構(gòu)的影響；閆鴻浩等[9]研究了隧道下穿磚混結(jié)構(gòu)房屋爆破振動控制研究，給出了人性化的爆破振動速度控制指標：配置大孔徑減振孔并通過預(yù)裂爆破形成兩道隔振帶，采用上下臺階法開挖，掏槽部位盡量下移，增加起爆點與建筑物的距離，降低掏槽引起的爆破振動；孔大慶等[10]以成渝高鐵新紅巖隧道工程為例，測試采用非電雷管和電子雷管爆破時的振動波并對比分析爆破地震波特性，選擇一棟二層砌體房屋，建立砌體結(jié)構(gòu)有限元模型，分析不同峰值振速下結(jié)構(gòu)的位移、砌體不同局部構(gòu)件上的主拉應(yīng)力特征。

1 工程概況

某隧道全長9 490延米，設(shè)置2座斜井及進出口6個作業(yè)面，境內(nèi)廣布低山丘陵，與河谷盆地相間排列，具有平行嶺谷地貌特征，地勢由西向東傾斜，中部略呈隆起。隧道地區(qū)春季少雨干燥，每年都有不同程度的春旱發(fā)生;夏季高溫多雨，間有局地暴雨，山洪發(fā)生;秋季風(fēng)和日麗;冬季寒冷干燥漫長，多偏北風(fēng)。不良地質(zhì)為巖溶，巖溶發(fā)育強度為弱發(fā)育。

隧道地質(zhì)情況為凝灰?guī)r，褐黃色、褐灰色，弱風(fēng)化，細粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整；局部夾雜凝灰質(zhì)砂巖、礫巖等，產(chǎn)狀273°∠13°。水文情況為含有少量基巖裂隙水，雨季水量較大，正常涌水量為2 300 m3/d，最大涌水量為4 200 m3/d。隧道所處地區(qū)氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，東南部受海洋暖濕氣影響，北部蒙古高原的干燥冷空氣經(jīng)常侵入，形成了半干燥半濕潤易干燥地區(qū)，風(fēng)向有明顯的季節(jié)變化。

隧道DK320+000～DK320+600段下穿大蔡家溝村，DK322+200～K323+000段下穿大梁下村，兩區(qū)段隧道掘進均采用爆破方式，具有一定的施工安全隱患；為了保證村莊房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，減少不必要的民事糾紛，同時為了保證隧道施工的安全，特對隧道爆破掘進進行振動監(jiān)測。

其中隧道1號斜井(大菜溝村)地段埋深在50 m～60 m，圍巖等級多為Ⅲ級，采用光面爆破方式進行斷面掘進，該區(qū)段下穿房屋較為密集，且房屋建筑結(jié)構(gòu)離隧道水平距離相對較近，建筑群房屋為土坯房、毛石房和一般磚混房屋，是隧道爆破施工安全首要考慮的隧道區(qū)段，因此爆破振動監(jiān)測選取在隧道1號斜井(大菜溝村)區(qū)段進行。

2 監(jiān)測方案及爆破參數(shù)

為了更好的研究隧道掘進爆破振動對地表建(構(gòu))筑物影響的規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場施工情況以及掌子面位置制定具有針對性的監(jiān)測方案。建筑物的爆破振動主頻相對較低，掌子面上方剛好處于山區(qū)村莊，房屋布置較為復(fù)雜，并且房屋質(zhì)量相對老舊，抗震性能相對較差，所以具體監(jiān)測點的布置要求如下：

1)盡可能選擇地表相對平坦的地帶進行布點，由此盡量避免由于高程、高差的因素對監(jiān)測結(jié)果一般性與普遍適用性的影響。

2)由于巖層中的斷層、裂隙以及溝槽對波動的傳播影響較大，所以監(jiān)測段盡量取巖層、巖性比較均勻的地段，盡量避免巖層中具有較大的斷層、裂隙以及溝槽，以保證所測得的爆破振動具有普遍適用性。

3)在爆破掘進施工過程中要求爆破施工工藝、方案保持相同，例如所用爆破器材(炸藥、雷管)性能，每次爆破所用總藥量以及單段最大藥量等盡量保持一致，以便使得各次所測振動具有比較價值。

4)各方案監(jiān)測布點應(yīng)盡量兼顧對振動傳播的規(guī)律分析以及對周邊房屋安全性監(jiān)測；各儀器的安放位置應(yīng)在保證對振動的分析基礎(chǔ)上盡量處于一個和周邊建(構(gòu))筑物合理的距離區(qū)間以內(nèi)。

2.1 方案一設(shè)計

在方案一中共布置5個監(jiān)測點，分別定為A，B，C，D和E，為研究爆破掘進地震波沿隧道掘進方向傳播以及衰減規(guī)律，將5個監(jiān)測點分別布置于隧道的中心線上，相鄰兩臺儀器的間隔距離為10 m。方案一的監(jiān)測點布置位置關(guān)系如圖1所示。

2.2 方案二設(shè)計

方案二共布置5個監(jiān)測點，分別定為A，B，C，D和E，方案二與方案一不同之處在于，為了研究地震波沿徑向傳播以及衰減規(guī)律，在保證C，D和E監(jiān)測點依舊在隧道中心線上，另外A和B點布置在E點旁并且垂直于隧道中心線，各監(jiān)測點之間間距同樣為10 m。方案二的監(jiān)測點布置位置關(guān)系如圖2所示。

2.3 爆破參數(shù)

方案一和方案二的監(jiān)測試驗中，隧道掘進均使用2號巖石乳化炸藥，毫秒導(dǎo)爆管雷管，其余爆破參數(shù)也相同，如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 方案一結(jié)果

監(jiān)測方案一中A，B，C，D和E 5個監(jiān)測點處的振速時程曲線和頻譜分布曲線如圖3～圖6所示。

A測點至爆源的軸向距離為44.288 m，徑向距離為4.278 m，A測點處垂向質(zhì)點振速峰值為0.928 40 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為0.901 58 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為0.975 10 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖3所示，主頻約為62.500 Hz。

B測點至爆源的軸向距離為34.338 m，徑向距離為3.301 m，B測點處垂向質(zhì)點振速峰值為2.665 49 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為2.867 90 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為3.360 84 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖4所示，主頻約為100.000 Hz。

C測點由于測振儀布置原因未獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。

D測點至爆源的軸向距離為14.495 m，徑向距離為1.375 m，D測點處垂向質(zhì)點振速峰值為1.439 70 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為1.885 00 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為5.312 40 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖5所示，主頻約為76.923 Hz。

E測點至爆源的軸向距離為4.483 m，徑向距離為0.425 m，E測點處垂向質(zhì)點振速峰值為3.178 60 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為2.375 90 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為3.944 20 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖6所示，主頻約為76.923 Hz。

3.2 方案二結(jié)果

監(jiān)測方案二中A，B，C，D和E 5個監(jiān)測點處的振速時程曲線和頻譜分布曲線如圖7～圖11所示。

A測點至爆源的軸向距離為-2.186 m，徑向距離為20.208 m，A測點處垂向質(zhì)點振速峰值為0.495 40 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為0.507 29 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為0.509 50 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖7所示，主頻約為28.571 Hz。

B測點至爆源的軸向距離為-2.186 m，徑向距離為10.208 m，B測點處垂向質(zhì)點振速峰值為0.589 27 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為0.601 00 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為0.691 74 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖8所示，主頻約為90.909 Hz。

C測點至爆源的軸向距離為17.718 m，徑向距離為1.700 m，C測點處垂向質(zhì)點振速峰值為1.059 27 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為1.030 20 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為1.548 80 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖9所示，主頻約為90.909 Hz。

D測點至爆源的軸向距離為7.826 m，徑向距離為0.742 m，D測點處垂向質(zhì)點振速峰值為0.814 20 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為0.573 50 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為1.701 80 cm/s，由于篇幅有限，僅給出了切向振速時程曲線，如圖10所示，主頻約為100.000 Hz。

E測點至爆源的軸向距離為-2.186 m，徑向距離為0.208 m，E測點處垂向質(zhì)點振速峰值為1.523 50 cm/s，軸向質(zhì)點振速峰值為1.177 20 cm/s，切向質(zhì)點振速峰值為1.247 60 cm/s，此處給出了垂向振速時程曲線，如圖11所示，主頻約為100.000 Hz。

4 結(jié)語

1)通過方案一和方案二的監(jiān)測結(jié)果可知：隧道掘進爆破振動的質(zhì)點振速峰值主要出現(xiàn)在水平切向方向上，且主頻較低，均小于100.000 Hz，為了保證地表建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定，應(yīng)該加強基礎(chǔ)建設(shè)。

2)隧道掘進爆破振動3個方向的質(zhì)點振速峰值隨爆心距的增加整體呈現(xiàn)非線性的衰減規(guī)律，當測點均位于掌子面上方時，質(zhì)點振速峰值有可能出現(xiàn)在垂直方向上，由此當建筑結(jié)構(gòu)與爆源垂直時，應(yīng)該進行房屋加固處理。