爆破振動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵施工中的應(yīng)用研究

楊東仁

（上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司青島分公司，山東 青島 266000）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，城市交通壓力越來(lái)越繁重，為緩解地面交通壓力，我國(guó)開(kāi)拓地下空間，大力發(fā)展地鐵建設(shè)項(xiàng)目。城市地鐵隧道具有埋藏淺、地表建筑物密集的特點(diǎn)，采用鉆爆法進(jìn)行施工時(shí)，爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)安全及附近居民的正常生產(chǎn)生活造成負(fù)面影響[1]，尤其要考慮爆破施工對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)影響[2-5]。

鉆爆法是硬巖地區(qū)地鐵隧道開(kāi)挖的主要施工方法之一。青島地鐵穿越的地層大部分以硬巖地層為主，沿線地面大多是繁華的居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，人口稠密，地面建筑物密集，加之地鐵隧道埋深較小，在16～25 m，因而施工爆破所產(chǎn)生的沖擊波超壓、爆破噪聲和地面振動(dòng)等次生效應(yīng)會(huì)對(duì)周?chē)慕ㄖ?、設(shè)施及人員造成不同程度和范圍的影響，其中對(duì)城市環(huán)境影響最為顯著的是爆破振動(dòng)效應(yīng)，尤其是地鐵施工穿越密集建筑群和人群，對(duì)爆破的控制要求會(huì)很高，因此，需要一種智能的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)手段和管理手段，隨時(shí)掌控爆破動(dòng)態(tài)，更為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的測(cè)量與分析[6]。

2 工程概況

青島市地鐵某線路為青島市主城區(qū)東西向的骨干線，連接了市南區(qū)、市北區(qū)、嶗山區(qū)，線路總體呈東西走向，從青島城區(qū)的中部東西向連接老城區(qū)、東部新區(qū)以及嶗山區(qū)沙子口鎮(zhèn)，未來(lái)將成為青島市民重要的地鐵交通路線。

全線設(shè)多處暗挖車(chē)站、礦山法導(dǎo)洞。地鐵車(chē)站長(zhǎng)度通常在150～200 m，多設(shè)在強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化花崗巖中，底板坐落在中風(fēng)化-微風(fēng)化花崗巖中，穩(wěn)定性較強(qiáng)。因圍巖等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)，圍巖等級(jí)好，開(kāi)挖難度大，故采用鉆爆法進(jìn)行開(kāi)挖施工。周邊建筑物、管線等密集，錯(cuò)綜復(fù)雜，且距離車(chē)站較近，爆破施工控制不當(dāng)將對(duì)周邊建（構(gòu)）物產(chǎn)生巨大影響，造成建（構(gòu)）物開(kāi)裂、滲漏等情況。

青島市地貌類型按成因主要為構(gòu)造-剝蝕區(qū)、山麓斜坡堆積區(qū)及河流侵蝕堆積區(qū)，地下水類型主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，第四系孔隙水又分為上層滯水、潛水和承壓水。圖1 為工程地質(zhì)剖面圖。

圖1 青島市地鐵某線路工程地質(zhì)剖面圖

3 監(jiān)測(cè)實(shí)施

3.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

爆破施工影響50 m 范圍內(nèi)的所有建（構(gòu)）筑物需進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在所需監(jiān)測(cè)的地表、建筑物結(jié)構(gòu)支撐柱上、隧道側(cè)壁上。安裝傳感器時(shí)必須安裝穩(wěn)固，避免質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，一般采用玻璃膠進(jìn)行固定。

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用爆破振動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取原則為“最近原則”“最弱原則”和“重點(diǎn)原則”。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

爆破振動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采用TC-6850 網(wǎng)絡(luò)測(cè)振儀（見(jiàn)圖2），儀器采用最先進(jìn)的智能化傳感器，自帶WiFi/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)。

圖2 TC-6850 型爆破測(cè)振儀

當(dāng)爆破發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄爆破振動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)波形，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)，測(cè)試人員在遠(yuǎn)離震源現(xiàn)場(chǎng)處通過(guò)終端測(cè)控軟件，即可將數(shù)據(jù)文件傳回本地進(jìn)行操作分析，并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)。

與爆破振動(dòng)人工監(jiān)測(cè)對(duì)比，自動(dòng)化爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)：

1）傳感器和主機(jī)集成一體，體積小，便于攜帶，易安裝；

2）內(nèi)置WiFi/4G/3G 通信模塊；連接網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，實(shí)時(shí)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告，方便隨時(shí)查看；

3）供電方式采用太陽(yáng)能供電或由就近位置接電口直接供電；

4）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，減少人力物力的投入；

5）可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，減少經(jīng)常拆卸給儀器帶來(lái)的損傷。

爆破自動(dòng)化硬件主要包括兩大部分：儀器主體部分和儀器供電部分。

儀器主體：由TC-6850 型爆破測(cè)振儀，路由器（內(nèi)置通信卡，提供4G 信號(hào)）組成；供電系統(tǒng)：由太陽(yáng)能電板，蓄電池，控制器組成。爆破自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、傳輸組成部分如圖3 所示。

圖3 爆破自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、傳輸組成部分

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 相同位置下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證傳統(tǒng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)（TC-4850）與自動(dòng)化爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)（TC-6850）數(shù)據(jù)的差異性，結(jié)合青島地鐵某線路在建項(xiàng)目，進(jìn)行爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

試驗(yàn)使用3 臺(tái)儀器在3 個(gè)爆破工點(diǎn)車(chē)站D、車(chē)站E 及區(qū)間F 進(jìn)行了同等條件自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、施工方監(jiān)測(cè)和第三方監(jiān)測(cè)下的3 方數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)。傳感器分別為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的TC-6850（傳感器A）和兩臺(tái)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的TC-4850（傳感器B1、B2）。3 臺(tái)傳感器均使用石膏粘接在爆破附近的地面上（見(jiàn)圖4），可近似認(rèn)為三者處在同一環(huán)境的同一位置。

圖4 相同位置下爆破監(jiān)測(cè)測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得出如表1 所示數(shù)據(jù)。如圖5 所示，通過(guò)相同位置下的爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在相同位置條件下，兩種監(jiān)測(cè)手段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，最大相差0.11 cm/s，但傳統(tǒng)爆破監(jiān)測(cè)需要連接主機(jī)才能讀取數(shù)據(jù)，自動(dòng)化爆破監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)爆破發(fā)生后，數(shù)據(jù)同步到平臺(tái)，直接生成數(shù)據(jù)和爆破振速波形圖。

表1 相同位置下爆破監(jiān)測(cè)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比cm/s

圖5 相同位置下爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖

4.2 不同位置下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

線路區(qū)間側(cè)穿一棟小區(qū)住宅樓L，該處隧道埋深約25 m，距離住宅樓水平距離約42 m，隧道采用爆破開(kāi)挖，考慮爆破對(duì)周邊環(huán)境的影響，進(jìn)行了傳統(tǒng)爆破和自動(dòng)化爆破監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在一樓樓道內(nèi)，傳統(tǒng)爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用石膏粘接在一層地面上，自動(dòng)化爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定在一層承重結(jié)構(gòu)上。

選取該隧道開(kāi)挖期間某個(gè)月內(nèi)15 次的爆破數(shù)據(jù)，對(duì)兩種爆破監(jiān)測(cè)手段得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下分析結(jié)果（見(jiàn)表2 和圖6）。

圖6 不同位置下爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖

通過(guò)不同位置條件下的爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在不同位置條件下，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大的差異，最大相差0.48 cm/s，主要原因是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TC-6850 固定在建筑物沉重結(jié)構(gòu)上，本身就比較穩(wěn)固，且墻體受到周邊振動(dòng)環(huán)境的影響較小，能夠較為準(zhǔn)確地反映建筑物的振動(dòng)速率；而固定在地面的TC-4850，受到周邊環(huán)境振動(dòng)的影響較大，且采用石膏固定在地面上，存在一定的人為因素，對(duì)建筑物的振動(dòng)速率反應(yīng)有一定的誤差。在相同的監(jiān)測(cè)環(huán)境下，傳統(tǒng)爆破監(jiān)測(cè)未觸發(fā)率達(dá)到了46.67%，而自動(dòng)化爆破監(jiān)測(cè)均能正常觸發(fā)。

5 結(jié)論

1）傳統(tǒng)爆破需要投入人工和設(shè)備，成本較高；測(cè)點(diǎn)的反復(fù)拆裝，受安裝位置的限制，造成數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低，而自動(dòng)化爆破系統(tǒng)，避免了反復(fù)拆裝，位置也可以隨便選取，固定也更加牢固，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率高。

2）通過(guò)與傳統(tǒng)爆破監(jiān)測(cè)的對(duì)比，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更穩(wěn)定，數(shù)據(jù)也更接近真實(shí)性，更加適應(yīng)在地鐵工程中應(yīng)用。