下穿隧道掘進(jìn)爆破地表振動波傳播規(guī)律

王海龍，李云赫，趙 巖

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北 張家口 075000;2.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000；3. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，公路、鐵路綜合基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)環(huán)境越來越復(fù)雜，爆破施工技術(shù)憑借經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于隧道建設(shè)中，但隧道爆破掘進(jìn)施工誘發(fā)的地震負(fù)面效應(yīng)，尤其是爆破振動對周圍建(構(gòu))筑物造成不同程度的危害。因此深入研究隧道掘進(jìn)爆破荷載作用下地表振動波衰減規(guī)律，對爆破振動預(yù)測與控制研究及鉆爆施工方案參數(shù)優(yōu)化分析具有重要的工程意義。

建筑結(jié)構(gòu)物對爆破振動荷載作用的動力響應(yīng)問題，一直受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。爆破峰值振速在一定程度上可反映爆破振動破壞程度[1-2]，大量研究致力于構(gòu)建峰值振速預(yù)測模型。趙春生[3]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析手段，深入研究上跨既有隧道爆破振動峰值振速的衰減規(guī)律；賈海鵬等[4]對相鄰隧道爆破的振動測試與分析，揭示測試區(qū)域內(nèi)不同測試方位的振動強(qiáng)度分布規(guī)律；李清等[5]基于大斷面高鐵隧道掘進(jìn)爆破實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究不同測試方位對振動波衰減規(guī)律的影響；畢衛(wèi)國等[6]從現(xiàn)有振速經(jīng)驗(yàn)公式誤差來源入手，結(jié)合數(shù)學(xué)分析手段對各種形式的擬合公式進(jìn)行了比較。除峰值振速外，振動主頻同樣是評估爆破振動危害的重要指標(biāo)之一，關(guān)于爆破振動主頻率預(yù)測研究有豐富的研究成果。1996年C. H.Dowding[7]提出由質(zhì)點(diǎn)位移譜、振動速度譜和加速度譜預(yù)測質(zhì)點(diǎn)主振頻率理論；周俊汝等[8]通過理論分析揭示在不同裝藥條件下爆破振動頻率的衰減規(guī)律；蘭明雄等[9]將小波包分析理論應(yīng)用于小凈距隧道開挖爆破振動信號中，揭示爆破振動波的頻譜及能量的傳播衰減規(guī)律；劉達(dá)等[10]采用量綱分析的方法推導(dǎo)球形空腔無限巖體系統(tǒng)的自振頻率表達(dá)式。

上述關(guān)于地表建筑物在隧道爆破荷載作用下振動響應(yīng)的研究主要集中在構(gòu)建峰值振動速度或主頻率預(yù)測模型，而同時(shí)考慮質(zhì)點(diǎn)峰值振速和頻率的研究成果相對較少[11]。目前采用的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[12]將頻率做分段處理，不能真正反映振動速度與頻率之間的量化關(guān)系，存在一定的局限性。本文以某隧道下穿既有村莊掘進(jìn)爆破施工項(xiàng)目為例，實(shí)時(shí)進(jìn)行隧道爆破振動監(jiān)測并開展理論研究，系統(tǒng)分析爆破振動波在地表中的傳播衰減規(guī)律。研究結(jié)果形成了一套定量考慮頻率影響的爆破振動安全評價(jià)體系，從而為合理控制爆破振動危害和科學(xué)優(yōu)化施工方案提供理論基礎(chǔ)。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

某隧道整體位于中低山區(qū)，地形起伏較大，隧道洞身及斜井從第四系礫石土、卵石土、碎石土及元古界變質(zhì)巖等地層通過，并在DK65+500～800段洞身下穿地面既有村莊。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，村內(nèi)民用建筑大多為土坯房或者磚瓦房，同時(shí)，由于村內(nèi)房屋大多常年未經(jīng)維護(hù)修理，建筑結(jié)構(gòu)遭到或多或少的損壞，甚至有些房屋結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)可見裂縫?；诖丝芍淼老麓┍剖┕け囟〞鸫迩f內(nèi)房屋的不規(guī)律振動，甚至有可能會造成房屋的損壞甚至倒坍[13]。新建隧道與地面既有村莊的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與地面既有村莊位置關(guān)系Fig.1 The position relationship between the new tunnel and the existing village on the ground

1.2 隧道爆破施工方案

隧道整體以III、IV級圍巖為主，采用全斷面法爆破施工。爆破施工使用MS1～MS13段非電毫秒雷管和2號巖石乳化炸藥，采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，所有炮孔均用炮泥填塞，嚴(yán)禁無填塞爆破。循環(huán)進(jìn)尺控制在3.0～4.0 m，并根據(jù)施工條件動態(tài)調(diào)整。掏槽孔與工作面的夾角為51o～77o，孔深4 m，孔距1 m；輔助孔以槽腔為自由面層層布置，孔深3.5 m，孔距0.8 m；周邊孔孔深3 m，孔距0.4 m。炮孔布置如圖2所示。

注：數(shù)字1、3、5、6、9、11、13表示雷管段別。圖2 炮孔布置Fig.2 Layout of the blast holes

2 爆破振動監(jiān)測

2.1 爆破振動監(jiān)測方案

為確保隧道鉆爆法開挖施工過程中地面既有建筑物的安全，新建隧道掘進(jìn)爆破施工過程中，采用TC-4850N爆破振動監(jiān)測儀采集地表監(jiān)測點(diǎn)處的振動信號，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖3所示。在各測點(diǎn)處清除表面雜物，用石膏將振動速度傳感器與地面緊密連接，振動傳感器x方向指向隧道軸線，y方向垂直于隧道軸線指向隧道方向，z方向?yàn)榇怪毕蛏?，儀器布置如圖4所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of monitoring points

圖4 爆破振動監(jiān)測儀布置Fig.4 Layout of blasting vibration monitor

2.2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果

考慮到不同炮孔與振動傳感器距離不同，引入最大單段等效藥量和等效距離代替最大單段藥量和爆心距[14]：

(1)

(2)

式中：R為等效距離，m；Q為等效藥量，kg；qi對應(yīng)第i個(gè)炮孔的裝藥量，kg；ri為第i個(gè)炮孔與傳感器之間的距離，m。

3次爆破的掘進(jìn)深度分別為3.3、3.4、3.6 m，監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測結(jié)果

3 爆破振動響應(yīng)分析

3.1 不考慮頻率影響的爆破振動速度衰減規(guī)律

現(xiàn)有研究大多將質(zhì)點(diǎn)峰值振速作為衡量爆破振動破壞程度的重要指標(biāo)。為進(jìn)一步揭示地形、地質(zhì)條件對爆破振動傳播衰減規(guī)律的影響，利用薩道夫斯基公式對表1中監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)方向的振速數(shù)據(jù)分別做擬合計(jì)算，得到相應(yīng)方向振動速度衰減公式。

(3)

式中：v為爆破振動速度，cm/s；k、α為爆破工程對應(yīng)的場地系數(shù)和衰減系數(shù)。利用最小二乘法分別確定3個(gè)振動方向的參數(shù)k、α(見表2)，求得隧道爆破振動波振動速度在地表中的傳播衰減規(guī)律。以z向?yàn)槔?，擬合得到振速衰減公式如下：

(4)

表2 薩道夫斯基公式回歸系數(shù)

通過分析3個(gè)方向的振動速度衰減公式可以看出，x、y方向的k、α較為相近，而與z方向上的參數(shù)相差較大，這說明地形、地質(zhì)條件以及空間方位對爆破振動波傳播衰減規(guī)律有較大的影響。地表監(jiān)測點(diǎn)距離爆源較遠(yuǎn)，中夾巖構(gòu)造復(fù)雜，同時(shí)隧道掘進(jìn)爆破使圍巖及周圍傳播介質(zhì)受到不同程度的擾動，增強(qiáng)巖體各向異性。炸藥爆炸后，振動波從爆破點(diǎn)向各個(gè)方向輻射，對周圍土巖體介質(zhì)產(chǎn)生不同程度的擾動，在離擾動中心較遠(yuǎn)處，爆破地震波可以近似地看做平面波，其傳播至同處于水平方向的x、y方向測點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)振動傳播衰減規(guī)律明顯區(qū)別于z方向，而在z方向上由于存在高程放大效應(yīng)[14-15]，振速明顯大于其他兩個(gè)水平方向，場地系數(shù)偏于體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)巖性，即z方向的k值小于其他兩個(gè)方向。盡管3個(gè)方向求得的爆破振動速度衰減公式不一致，但總體與實(shí)際相符，且相關(guān)系數(shù)均大于80%，因此本次監(jiān)測結(jié)果通過薩道夫斯基公式進(jìn)行擬合得到的爆破振動衰減規(guī)律較為合理。

垂直方向振動速度最大，取3次爆破后地表沿隧道軸線方向向掌子面前方若干點(diǎn)，通過求其Q、R值并結(jié)合式(4)，得出爆破作用下振速峰值v-R散點(diǎn)圖(見圖5)。

圖5 地表觀測點(diǎn)v-R散點(diǎn)Fig.5 v-R scatter of surface observation points

從圖5中可以看出部分觀測點(diǎn)峰值振速已經(jīng)超過安全允許振速2.0 cm/s，甚至有少部分觀測點(diǎn)超過規(guī)程關(guān)于民用建筑的爆破工程允許振動速度上限值2.5 cm/s。實(shí)際爆破振動監(jiān)測結(jié)果顯示地面房屋并非全部出現(xiàn)明顯裂紋，針對此現(xiàn)象，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，當(dāng)振速比較大時(shí)，對應(yīng)的主振頻率較大，遠(yuǎn)離建筑物的自振頻率帶，表明頻率對爆破振動強(qiáng)度存在一定的影響，規(guī)程將頻率進(jìn)行分段考慮此類問題存在一定的局限性。本文利用速度與頻率之間的關(guān)系，通過計(jì)算頻率來定量考慮其對振動強(qiáng)度的影響。首要解決的問題是隧道爆破振動作用下預(yù)測地表任意點(diǎn)的主頻率。

3.2 考慮頻率影響的爆破振動速度衰減規(guī)律

3.2.1 預(yù)測地表任一點(diǎn)的主振頻率

張立國等[16]通過量綱分析法推導(dǎo)出測點(diǎn)爆破振動主頻率預(yù)等測公式如下：

(5)

式中：k2、α2為與場地條件相關(guān)的系數(shù)。

表3 爆破振動主頻預(yù)測公式回歸系數(shù)

以z向?yàn)槔?，繪制主頻率與比例藥量關(guān)系散點(diǎn)圖(見圖6)。參數(shù)擬合結(jié)果為k2=2 140.94，α2=―0.23。

圖6 垂直方向主頻率與比例藥量的線性回歸擬合結(jié)果Fig.6 Linear regression fitting results of vertical dominant frequency and proportional dosage

基于3個(gè)方向的主頻率預(yù)測公式可以看出，x、y方向的k2、α2較為相近，而與z方向上的參數(shù)相差較大，這一規(guī)律與振速擬合公式相似，k2值為x、y向的5～7倍，而衰減系數(shù)α2僅有x、y向的1/3。

在上述回歸得到的主頻率預(yù)測公式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究頻率的衰減規(guī)律。以z向?yàn)槔L制預(yù)測主頻率與等效藥量及等效距離關(guān)系圖(見圖7)。在相同等效藥量條件下，主頻率隨等效距離的增加而降低；而當(dāng)?shù)刃Ь嚯x一定時(shí)，主頻率隨等效藥量的增加而降低。這一結(jié)論對分析隧道下穿既有村莊地區(qū)爆破振動頻率衰減規(guī)律，合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，降低爆破振動效應(yīng)具有重要的意義。

圖7 z方向預(yù)測主頻率fr與Q、R關(guān)系Fig.7 Relationship between the predicted dominant frequency fr and Q and R in z direction

3.2.2 質(zhì)點(diǎn)峰值振速與頻率之間的關(guān)系

在研究主頻率與峰值振速之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用主頻率的預(yù)測公式反算質(zhì)點(diǎn)的振動速度，從而實(shí)現(xiàn)定量考量頻率對爆破振動速度的影響，彌補(bǔ)了規(guī)程中分段考慮頻率的不足。聯(lián)立式(3)、式(5),得到質(zhì)點(diǎn)峰值振速與主頻率之間的關(guān)系式如下[17]：

(6)

圖8 z方向主振頻率與峰值振速的擬合關(guān)系Fig.8 Relationship between main vibration frequency and peak vibration velocity in z direction

表4 3向主振頻率與峰值振速關(guān)系的回歸參數(shù)

從表4中可看出，主振頻率與峰值振速關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)較高，3個(gè)方向的回歸系數(shù)α3差異較小，但z方向的k3較x、y向大。擬合得到z方向振速與主頻率之間的關(guān)系式如下：

(7)

由已得到的頻率預(yù)測公式(5)計(jì)算主頻率，帶入式(6)反算出質(zhì)點(diǎn)振動速度，定量考慮了頻率對爆破振動速度的影響[18]，為新建隧道下穿既有村莊爆破施工對不同區(qū)域造成的影響程度提供預(yù)測分析依據(jù)。

以第2次爆破施工為例，取地表沿隧道軸線方向掌子面前方的若干點(diǎn)，通過求其Q、R值并結(jié)合式(5)，計(jì)算主頻率fr，將其代入式(6)反算出質(zhì)點(diǎn)振動速度v′，并繪制R、v′散點(diǎn)圖，如圖9所示：

圖9 第2次爆破地表觀測點(diǎn)v′-R散點(diǎn)Fig.9 v′-R scatter of surface observation point of the second blasting

從圖9中可看出，地表所有觀測點(diǎn)v′值均在安全允許振速2 cm/s范圍以內(nèi)，可見考慮頻率影響的振動速度明顯更符合實(shí)際。對圖中的散點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到v′-R關(guān)系式如下：

v=158.223R-1.166

(8)

將v=2.0 cm/s帶入上式求出臨界值R=42.6 m，即可確定下穿隧道掘進(jìn)爆破損傷范圍，當(dāng)R>42.6 m時(shí)，認(rèn)為地表建筑物處于安全狀態(tài)，而當(dāng)R≤42.6 m時(shí)，地表建筑物可能會受到爆破沖擊影響產(chǎn)生破壞，必要時(shí)需采取減隔振措施。

4 結(jié)論

1)在不同地形、地質(zhì)條件以及空間方位中，隧道掘進(jìn)爆破施工引起的地表振動傳播衰減規(guī)律不同。

2)事實(shí)證明頻率對爆破振動強(qiáng)度存在不可忽略的影響。建立考慮頻率影響的振速預(yù)測公式更符合實(shí)際并解決了定量考慮頻率影響后地表建筑物安全性評估問題。

3)綜合考慮質(zhì)點(diǎn)振動峰值速度、主頻率因素，垂直方向是爆破振動監(jiān)測工作關(guān)注的重點(diǎn)。

4)以構(gòu)建的考慮頻率影響的振速預(yù)測公式為基礎(chǔ)，計(jì)算隧道下穿村莊掘進(jìn)爆破施工爆破損傷范圍為R≤42.6 m。