隧道內(nèi)部爆破振動(dòng)傳播規(guī)律與降振技術(shù)研究*

項(xiàng)榮軍,劉傳鵬,李勝林,凌天龍

(1.中鐵十六局集團(tuán) 路橋工程有限公司,北京 101500;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;3.泰山學(xué)院 機(jī)械與建筑工程學(xué)院,泰安 271000)

近二十年來,我國穩(wěn)步推進(jìn)交通運(yùn)輸體系建設(shè),公路隧道和鐵路隧道隨之迎來建設(shè)高峰期。目前鉆爆法依然是我國山嶺隧道開挖的主要方法。與機(jī)械法相比,鉆爆法經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)能力強(qiáng)。然而,隧道爆破開挖誘發(fā)的振動(dòng)效應(yīng)對(duì)隧道內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和周圍建筑物的安全性都構(gòu)成了影響。為減少此危害,學(xué)者們一方面對(duì)爆破振動(dòng)的安全判據(jù)進(jìn)行了大量研究,另一方面對(duì)降振措施進(jìn)行了研究。

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為地震波影響下結(jié)構(gòu)的動(dòng)能和應(yīng)力與振動(dòng)速度密不可分,振動(dòng)速度作為衡量爆破地震影響的一個(gè)重要指標(biāo)而被廣泛用于爆破安全判據(jù)的建立[1,2],楊建華采用質(zhì)點(diǎn)峰值振速(PPV)作為噴射混凝土的爆破振動(dòng)安全判據(jù)[3];于崇提出爆破振速控制是爆破安全的重要內(nèi)容[4],并進(jìn)一步研究了爆破振動(dòng)的可靠度問題。在爆破峰值振動(dòng)速度評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,一些學(xué)者引入振動(dòng)頻率及持續(xù)時(shí)間綜合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)響應(yīng)特征[5,6],何理提出爆破振動(dòng)能量的大小主要取決于爆破振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率及振動(dòng)持續(xù)時(shí)間三個(gè)影響因素[7];于建新研究了振動(dòng)信號(hào)能量在不同頻段下的衰減規(guī)律[8]?，F(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》綜合考慮峰值振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率兩個(gè)指標(biāo)建立了各類結(jié)構(gòu)的爆破安全判據(jù)[9],因此,研究爆破振動(dòng)速度分布特征和主頻特性并對(duì)隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià),具有重要意義[10]。

為了有效控制爆破地震波危害,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)控制爆破技術(shù)做了大量研究,取得了卓有成效的成果。傳統(tǒng)隧道爆破降振措施包括:縮小循環(huán)進(jìn)尺、減少單段最大裝藥量或總裝藥量、微差爆破技術(shù)、非爆破開挖技術(shù)等[11]。這些降振措施在一定程度上起到了積極的作用。然而,在復(fù)雜城市環(huán)境或特殊地層條件下,這些措施取得的降振效果仍是有限的。尤其是毫秒延期雷管誤差達(dá)到10～120 ms,無法達(dá)到理想的微差干擾降振效果,限制了微差爆破技術(shù)的發(fā)展。高精度延時(shí)數(shù)碼電子雷管的使用對(duì)改善爆破效果、降低振動(dòng)效應(yīng)具有重要意義。目前,數(shù)碼電子雷管在露天礦山已有廣泛應(yīng)用,且有大量研究成果討論了臺(tái)階爆破微差延期時(shí)間的設(shè)置[12-15]。數(shù)碼電子雷管在隧道爆破中的應(yīng)用尚處于初步推廣階段,關(guān)于合理的孔間延期時(shí)間還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[16]。

以北京密云西統(tǒng)路小西庫隧道爆破施工為背景,通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè),研究爆破地震波在隧道內(nèi)部的傳播規(guī)律及同一斷面上振動(dòng)特征,討論了三臺(tái)階爆破降振措施。結(jié)合線性疊加原理和單孔爆破振動(dòng)試驗(yàn),給出了應(yīng)用數(shù)碼電子雷管時(shí)掏槽孔的最優(yōu)延時(shí)間隔。本文的研究成果與方法可為鉆爆法施工軟弱圍巖隧道提供參考。

1 隧道爆破振動(dòng)測(cè)試

1.1 工程背景

小西庫隧道位于北京市密云區(qū),地屬低山地貌,巖體主要為碎石土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖。巖體破碎～極破碎,多以Ⅴ級(jí)圍巖為主。拱頂巖體松散,圍巖穩(wěn)定性差,若不及時(shí)并加強(qiáng)支護(hù),極易出現(xiàn)頂板坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)等問題。

1.2 隧道施工爆破方案

小西庫隧道凈寬12 m,行車道凈高4 m,開挖凈面積129.1 m2。隧道施工揭露V級(jí)圍巖時(shí)采用三臺(tái)階法施工,其中上臺(tái)階開挖高度為4 m,開挖面積約為36 m2。該隧道爆破施工采用高精度電子雷管,其上臺(tái)階采用逐圈(排)起爆方式,排間延時(shí)取50 ms,上臺(tái)階炮孔布置如圖1所示,上臺(tái)階的爆破參數(shù)如表1所示。二臺(tái)階距離上臺(tái)階掌子面10～15 m不等,三臺(tái)階為左右交錯(cuò)開挖,距離二臺(tái)階20～30 m不等。

表1 上臺(tái)階爆破參數(shù)表Table 1 Blasting parameters of upper bench

圖1 上臺(tái)階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 1 Blast hole layout of upper bench(unit:mm)

1.3 爆破振動(dòng)測(cè)試方案

此次測(cè)試主要獲取隧道噴錨支護(hù)斷面各部位爆破振動(dòng)速度,進(jìn)而分析爆破振動(dòng)在隧道內(nèi)的傳播規(guī)律。采用TC-50爆破測(cè)振儀,在隧道內(nèi)同一斷面的拱部(包括拱頂、拱腰、邊墻)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),使用卡扣使其與隧道剛性連接,如圖2所示。振動(dòng)傳感器的x方向指向隧道軸線,y方向垂直于隧道軸線,z方向豎直向上。

圖2 爆破振動(dòng)測(cè)試方案Fig. 2 Scheme of blasting vibration tests

2 隧道結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)特性

2.1 爆破爆破振動(dòng)傳播規(guī)律

采用鉆爆法開挖巖體時(shí),炸藥能量以應(yīng)力波的形式在巖體內(nèi)傳播。受爆破參數(shù)、傳播介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)、地形地貌等影響,不同工況下爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律存在顯著差異[10]。爆破振動(dòng)大小與裝藥量、爆心距、傳播介質(zhì)的特性參數(shù)、局部地質(zhì)條件、爆破形式等密切相關(guān)。目前,我國現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》采用薩道夫斯基公式擬合爆破峰值振動(dòng)速度

(1)

式中:v為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度,cm/s;Q為單段最大起爆藥量,kg;K為場(chǎng)地系數(shù),α為衰減指數(shù)。

2.2 隧道拱部振動(dòng)速度分布特征

為了分析爆破地震波在隧道內(nèi)部的衰減特性,在距上臺(tái)階掌子面40 m處布置3個(gè)速度傳感器,保持3個(gè)傳感器位置固定并監(jiān)測(cè)開挖掌子面推進(jìn)過程中的振動(dòng)速度。在隧道拱頂、拱腰和邊墻分別獲取有效數(shù)據(jù)18組。利用最小二乘法分別確定隧道拱部3個(gè)振動(dòng)方向的K和α,得到用薩道夫斯基公式描述的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律,振動(dòng)數(shù)據(jù)及擬合曲線如圖3所示。

圖3 拱部測(cè)點(diǎn)振速及衰減擬合曲線Fig. 3 Vibration velocities measured in the arch and their fitting curves

由圖3(a)～(c)可以看出:同一斷面上各測(cè)點(diǎn)豎向振速明顯大于水平振速,水平徑向與切向的振速相差不大;隨著比例距離的增大,豎向振速逐漸接近水平向振速。圖3(d)給出了拱頂、拱腰、邊墻豎向峰值振動(dòng)速度的衰減規(guī)律。對(duì)比3個(gè)部位豎向峰值振動(dòng)速度可知:拱頂?shù)呢Q向峰值振動(dòng)速度最大,拱腰次之,邊墻最小;3個(gè)部位峰值振動(dòng)速度的差值隨比例距離的增加而減小。綜上所述,在隧道同一斷面中,拱頂?shù)呢Q向峰值振動(dòng)速度數(shù)值最大。因此,在工程實(shí)際中,可以利用隧道拱頂豎向振動(dòng)速度綜合反映爆破地震波在隧道內(nèi)的傳播規(guī)律。

表2為振動(dòng)數(shù)據(jù)擬合曲線的擬合參數(shù)K和α的值。對(duì)比表中結(jié)果可知:豎向峰值振速擬合曲線的K和α的值最大,表明爆破振動(dòng)速度在豎直方向的衰減速度最快。

表2 拱部測(cè)點(diǎn)擬合曲線K、α值比較Table 2 Comparison of K and α values of the fitting curve

2.3 隧道拱部振動(dòng)主頻變化規(guī)律

提取拱頂、拱腰和邊墻的振動(dòng)數(shù)據(jù),利用傅里葉變換計(jì)算得到豎向振動(dòng)信號(hào)的主頻。隧道不同部位豎向爆破振動(dòng)的主頻如圖4所示。由圖4可以看出:拱頂、拱腰、邊墻測(cè)點(diǎn)處的主頻均隨比例距離增大逐漸變小;同一測(cè)試斷面內(nèi),拱頂?shù)谋普駝?dòng)主頻最大,拱腰次之,邊墻最小。因此,隧道拱頂具有振動(dòng)速度大,振動(dòng)主頻高的特點(diǎn)。

圖4 隧道拱部測(cè)點(diǎn)主頻分布Fig. 4 Distribution of main frequency

研究表明:單段最大藥量、爆心距、傳播介質(zhì)性質(zhì)等因素會(huì)對(duì)爆破振動(dòng)頻譜造成較大影響[17]。為了分析單段起爆藥量對(duì)爆破振動(dòng)主頻的影響,在爆心距相同、地質(zhì)條件相近的情況下,進(jìn)行了3次爆破振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同藥量下的爆破振動(dòng)主頻Table 3 Main frequency of blasting vibration under different charge

由表3可知:單段最大藥量由36.2 kg增加至56.2 kg時(shí),爆破振動(dòng)主頻降低36.9%;在其他參數(shù)基本相同的條件下,隨著單段最大藥量的增大,爆破振動(dòng)信號(hào)中低頻成分的占比逐漸增加,爆破振動(dòng)信號(hào)的主振頻率有向低頻發(fā)展的趨勢(shì)。由于工程結(jié)構(gòu)體的自振頻率往往較低,采用較大的單段藥量不利于隧道結(jié)構(gòu)的安全。

3 隧道爆破降振技術(shù)

3.1 臺(tái)階法施工爆破降振技術(shù)

小西庫隧道揭露Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)采用三臺(tái)階法施工,掘進(jìn)初期三個(gè)臺(tái)階掌子面采用齊發(fā)爆破方式,爆破作業(yè)的總裝藥量為204 kg。為了確保隧道施工安全,在距上臺(tái)階掌子面75 m處隧道底板布設(shè)1臺(tái)速度傳感器,監(jiān)測(cè)底板質(zhì)點(diǎn)的爆破振動(dòng)波形。三個(gè)臺(tái)階同時(shí)起爆時(shí),隧道底板測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線圖5所示。由圖5可以看出:爆破地震波具有9個(gè)幅值較大的峰值,相鄰波峰的時(shí)差約為50 ms,與爆破網(wǎng)路的時(shí)差相對(duì)應(yīng);上臺(tái)階起爆時(shí),掏槽孔的夾制作用較大,振動(dòng)波形出現(xiàn)第一個(gè)較大的幅值;由于三臺(tái)階爆破區(qū)域距離較近,爆破振動(dòng)疊加效應(yīng)明顯,導(dǎo)致下臺(tái)階起爆后,振動(dòng)波形出現(xiàn)最大幅值,峰值振動(dòng)速度為0.55 cm/s,爆破振動(dòng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。由此可見,如果延時(shí)時(shí)間設(shè)置不合理,不僅不會(huì)降低爆破振動(dòng)影響,有時(shí)還會(huì)增大地震效應(yīng)[18]。

圖5 三個(gè)臺(tái)階齊發(fā)爆破產(chǎn)生的典型波形圖Fig. 5 Typical waveform produced by three-bench simultaneous blasting

為降低爆破振動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的不利影響,將施工方法調(diào)整為三臺(tái)階先后起爆,將爆炸能量在時(shí)空上進(jìn)行分散。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得Ⅴ級(jí)圍巖場(chǎng)地聲波波速約為800 m/s,掌子面與三臺(tái)階最大距離為45 m,振動(dòng)傳播用時(shí)約56 ms。為便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,將各臺(tái)階起爆的間隔時(shí)間取為100 ms,并按此延期時(shí)間對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。距上臺(tái)階掌子面75 m處底板的振動(dòng)曲線如圖6所示。由圖6可以看出:爆破振動(dòng)持時(shí)明顯增長(zhǎng),各臺(tái)階爆破的振動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)分離,無振動(dòng)疊加現(xiàn)象;與三臺(tái)階同時(shí)爆破相比,在其他爆破參數(shù)相近的情況下,峰值振速由0.55 cm/s降至0.31 cm/s,降振率達(dá)44%,降振效果明顯。

圖6 三個(gè)爆源分爆產(chǎn)生的典型波形圖Fig. 6 Typical waveform produced by three explosion sources

3.2 掏槽孔延期時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)

毫秒爆破的振動(dòng)是由各炮孔產(chǎn)生的振動(dòng)疊加而成的。當(dāng)藥量相差不大、地質(zhì)條件基本相同時(shí),可認(rèn)為每個(gè)炮孔產(chǎn)生的爆破振動(dòng)波是相同的,此時(shí)爆破振動(dòng)的疊加過程可看作是線性系統(tǒng)[19]。因此,根據(jù)延期時(shí)間計(jì)算群孔爆破不同相位,并基于線性系統(tǒng)中振動(dòng)信號(hào)的疊加性模擬逐孔爆破振動(dòng)信號(hào),即

(2)

式中:F(t)為預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào);fi(t)為單個(gè)炮孔爆破振動(dòng)信號(hào);Ti為當(dāng)前炮孔爆破振動(dòng)信號(hào)傳播至測(cè)點(diǎn)相比上一炮孔的延遲時(shí)間。

一般情況下,掏槽孔引起的爆破振動(dòng)速度最大。為了降低掏槽孔爆破對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響,將小西庫隧道掏槽爆破形式改為逐孔起爆,并對(duì)孔間延期時(shí)間設(shè)置進(jìn)行試驗(yàn)研究。在掏槽孔中間位置額外鉆鑿1個(gè)炮孔,裝藥量與掏槽孔藥量一致。首先起爆試驗(yàn)孔并采集單孔爆破振動(dòng)信號(hào)。距上臺(tái)階掌子面40 m處拱頂爆破振動(dòng)波形如圖7所示。由圖7可以看出:單孔爆破振動(dòng)信號(hào)經(jīng)歷1～2個(gè)波峰波谷后迅速衰減,振動(dòng)持時(shí)約為65 ms;振動(dòng)波形的主波周期為12.1 ms,峰值振動(dòng)速度為-0.354 cm/s。

圖7 單孔振動(dòng)波Fig. 7 Vibration history curve caused by single hole blast

由于掏槽孔之間的距離較小,各炮孔爆破振動(dòng)信號(hào)傳播至測(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔可近似看作是相等的。

將各炮孔間延期時(shí)間按1 ms逐漸遞增,應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)單孔波形進(jìn)行線性疊加計(jì)算。統(tǒng)計(jì)疊加振動(dòng)信號(hào)的正向和負(fù)向波峰,如圖8所示。由圖8可以看出:延期時(shí)間為1～7 ms時(shí),峰值振動(dòng)速度隨延期時(shí)間的增加而逐漸減小,尤其當(dāng)延期時(shí)間為5～7 ms時(shí),峰值振動(dòng)速度驟降,降振效果最好;當(dāng)延期時(shí)間超過7 ms后,先行波和后行波的主振相無法實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰干擾,疊加后的峰值振動(dòng)速度趨近于單孔試驗(yàn)結(jié)果。因此,掏槽孔的最優(yōu)延期時(shí)間可取7 ms,這與文獻(xiàn)[20]建議的延期時(shí)間取T/3～2T/3的結(jié)論一致。

圖8 不同延期時(shí)間下的峰值振速統(tǒng)計(jì)圖Fig. 8 Statistical graph of peak vibration velocity under different delay times

在小西庫隧道開展延期時(shí)間驗(yàn)證試驗(yàn),分別設(shè)置掏槽孔間延期時(shí)間0 ms、3 ms、4 ms、5 ms、6 ms、7 ms共計(jì)6組爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)與掏槽區(qū)域的距離為40 m,統(tǒng)計(jì)掏槽孔爆破引起的峰值振動(dòng)速度,如表4所示。由表4可知:峰值振動(dòng)速度隨孔間延期時(shí)間的增加而降低;延期時(shí)間為6 ms和7 ms時(shí)的實(shí)測(cè)峰值振速與線性疊加結(jié)果較為吻合;與掏槽孔同時(shí)起爆方案相比,延期時(shí)間為7 ms時(shí),峰值振動(dòng)速度降低了85.6%,甚至小于單孔爆破時(shí)的峰值振速(0.354 cm/s)。

表4 掏槽試驗(yàn)峰值振速Table 4 Peak particle velocity induced by cut blasting

綜上所述,應(yīng)用數(shù)碼電子雷管可以實(shí)現(xiàn)逐孔爆破時(shí)振動(dòng)波形的干擾疊加,大幅度降低振動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)于小西庫隧道,將掏槽孔延期時(shí)間取為7 ms,能夠較好地控制爆破振動(dòng)效應(yīng)。利用此方法對(duì)掏槽孔延期時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用薩道夫斯基公式對(duì)隧道內(nèi)部測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行擬合,得出了隧道測(cè)點(diǎn)各向振速衰減規(guī)律,根據(jù)拱頂測(cè)點(diǎn)在振速值及衰減規(guī)律方面的特點(diǎn),可將拱頂測(cè)點(diǎn)作為隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的特征點(diǎn)。

(2)Ⅴ級(jí)圍巖隧道開挖過程中,將錯(cuò)距三臺(tái)階同時(shí)起爆調(diào)整為各臺(tái)階間隔100 ms先后起爆,各臺(tái)階的爆破振動(dòng)波形相互分離,爆破能量在時(shí)空中得以分散,峰值振動(dòng)速度降低率達(dá)44%,表明錯(cuò)分臺(tái)階后設(shè)置合理的延時(shí)可有效切分最大單響藥量,實(shí)現(xiàn)降振的目的。

(3)利用線性疊加原理實(shí)現(xiàn)了掏槽爆破振動(dòng)參數(shù)的預(yù)報(bào)和優(yōu)化設(shè)計(jì),預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較為吻合;綜合考慮預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)結(jié)果,確定掏槽孔最優(yōu)延期時(shí)間為7 ms,降振效果良好。該方法可操作性較強(qiáng),適于在實(shí)際工程中應(yīng)用推廣。