爆破振動自動化監(jiān)測在地鐵施工中的應用研究

楊東仁

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

1 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，城市交通壓力越來越繁重，為緩解地面交通壓力，我國開拓地下空間，大力發(fā)展地鐵建設(shè)項目。城市地鐵隧道具有埋藏淺、地表建筑物密集的特點，采用鉆爆法進行施工時，爆破振動會對鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)安全及附近居民的正常生產(chǎn)生活造成負面影響[1]，尤其要考慮爆破施工對周邊環(huán)境產(chǎn)生的振動影響[2-5]。

鉆爆法是硬巖地區(qū)地鐵隧道開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等次生效應會對周圍的建筑物、設(shè)施及人員造成不同程度和范圍的影響，其中對城市環(huán)境影響最為顯著的是爆破振動效應，尤其是地鐵施工穿越密集建筑群和人群，對爆破的控制要求會很高，因此，需要一種智能的爆破振動監(jiān)測手段和管理手段，隨時掌控爆破動態(tài)，更為準確地實現(xiàn)振動的測量與分析[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)多處暗挖車站、礦山法導洞。地鐵車站長度通常在150～200 m，多設(shè)在強風化-中風化花崗巖中，底板坐落在中風化-微風化花崗巖中，穩(wěn)定性較強。因圍巖等級為Ⅱ～Ⅲ級，圍巖等級好，開挖難度大，故采用鉆爆法進行開挖施工。周邊建筑物、管線等密集，錯綜復雜，且距離車站較近，爆破施工控制不當將對周邊建（構(gòu)）物產(chǎn)生巨大影響，造成建（構(gòu)）物開裂、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)測實施

3.1 測點布設(shè)

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

爆破振動測點應布置在所需監(jiān)測的地表、建筑物結(jié)構(gòu)支撐柱上、隧道側(cè)壁上。安裝傳感器時必須安裝穩(wěn)固，避免質(zhì)點的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，一般采用玻璃膠進行固定。

爆破振動監(jiān)測采用爆破振動自動化監(jiān)測，監(jiān)測點選取原則為“最近原則”“最弱原則”和“重點原則”。

3.2 監(jiān)測方案

爆破振動自動化監(jiān)測采用TC-6850 網(wǎng)絡(luò)測振儀（見圖2），儀器采用最先進的智能化傳感器，自帶WiFi/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)。

圖2 TC-6850 型爆破測振儀

當爆破發(fā)生時，系統(tǒng)會自動記錄爆破振動信號的動態(tài)波形，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲，測試人員在遠離震源現(xiàn)場處通過終端測控軟件，即可將數(shù)據(jù)文件傳回本地進行操作分析，并實時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)。

與爆破振動人工監(jiān)測對比，自動化爆破振動監(jiān)測的優(yōu)勢：

1）傳感器和主機集成一體，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)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸、遠程監(jiān)控管理，實時生成監(jiān)測報告，方便隨時查看；

3）供電方式采用太陽能供電或由就近位置接電口直接供電；

4）可以實現(xiàn)無人值守，減少人力物力的投入；

5）可以實現(xiàn)長期監(jiān)測，減少經(jīng)常拆卸給儀器帶來的損傷。

爆破自動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 型爆破測振儀，路由器（內(nèi)置通信卡，提供4G 信號）組成；供電系統(tǒng)：由太陽能電板，蓄電池，控制器組成。爆破自動化數(shù)據(jù)采集、傳輸組成部分如圖3 所示。

圖3 爆破自動化數(shù)據(jù)采集、傳輸組成部分

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 相同位置下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

為了驗證傳統(tǒng)爆破振動監(jiān)測（TC-4850）與自動化爆破振動監(jiān)測（TC-6850）數(shù)據(jù)的差異性，結(jié)合青島地鐵某線路在建項目，進行爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析。

試驗使用3 臺儀器在3 個爆破工點車站D、車站E 及區(qū)間F 進行了同等條件自動化監(jiān)測、施工方監(jiān)測和第三方監(jiān)測下的3 方數(shù)據(jù)對比試驗。傳感器分別為自動化監(jiān)測的TC-6850（傳感器A）和兩臺傳統(tǒng)監(jiān)測的TC-4850（傳感器B1、B2）。3 臺傳感器均使用石膏粘接在爆破附近的地面上（見圖4），可近似認為三者處在同一環(huán)境的同一位置。

圖4 相同位置下爆破監(jiān)測測試試驗

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，得出如表1 所示數(shù)據(jù)。如圖5 所示，通過相同位置下的爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，在相同位置條件下，兩種監(jiān)測手段的監(jiān)測數(shù)據(jù)相差不大，最大相差0.11 cm/s，但傳統(tǒng)爆破監(jiān)測需要連接主機才能讀取數(shù)據(jù)，自動化爆破監(jiān)測實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接，當爆破發(fā)生后，數(shù)據(jù)同步到平臺，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)測測試試驗數(shù)據(jù)對比cm/s

圖5 相同位置下爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析圖

4.2 不同位置下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

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，隧道采用爆破開挖，考慮爆破對周邊環(huán)境的影響，進行了傳統(tǒng)爆破和自動化爆破監(jiān)測，測點分別布設(shè)在一樓樓道內(nèi)，傳統(tǒng)爆破監(jiān)測點使用石膏粘接在一層地面上，自動化爆破監(jiān)測點固定在一層承重結(jié)構(gòu)上。

選取該隧道開挖期間某個月內(nèi)15 次的爆破數(shù)據(jù)，對兩種爆破監(jiān)測手段得到的數(shù)據(jù)進行對比分析，得到以下分析結(jié)果（見表2 和圖6）。

表2 線路區(qū)間住宅樓L自動化監(jiān)測與傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析表

圖6 不同位置下爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析圖

通過不同位置條件下的爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，在不同位置條件下，監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大的差異，最大相差0.48 cm/s，主要原因是自動化監(jiān)測系統(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環(huán)境的影響較小，能夠較為準確地反映建筑物的振動速率；而固定在地面的TC-4850，受到周邊環(huán)境振動的影響較大，且采用石膏固定在地面上，存在一定的人為因素，對建筑物的振動速率反應有一定的誤差。在相同的監(jiān)測環(huán)境下，傳統(tǒng)爆破監(jiān)測未觸發(fā)率達到了46.67%，而自動化爆破監(jiān)測均能正常觸發(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；測點的反復拆裝，受安裝位置的限制，造成數(shù)據(jù)準確性低，而自動化爆破系統(tǒng)，避免了反復拆裝，位置也可以隨便選取，固定也更加牢固，數(shù)據(jù)的準確率高。

2）通過與傳統(tǒng)爆破監(jiān)測的對比，自動化監(jiān)測系統(tǒng)更穩(wěn)定，數(shù)據(jù)也更接近真實性，更加適應在地鐵工程中應用。