梁師俊，朱海東，趙 波

(1．浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)工程系，浙江 杭州 311231;2．上海華鐵工程咨詢有限公司，上海 200071)

隧道爆破施工引起鄰近既有洞室振動(dòng)響應(yīng)的測試與分析

梁師俊1，朱海東1，趙 波2

(1．浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)工程系，浙江 杭州 311231;2．上海華鐵工程咨詢有限公司，上海 200071)

新建隧道在與上方防空洞洞室間距比較小的情況下進(jìn)行爆破開挖，產(chǎn)生的爆破波會(huì)對(duì)已有洞室圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定性造成影響。結(jié)合杭州蕭山永久路北干山隧道工程，測試了隧道上方防空洞洞室的爆破振動(dòng)強(qiáng)度，分析了洞室爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，根據(jù)洞室底部振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的安全允許值，得出了施工爆破不同距離處的最大段裝藥量，實(shí)現(xiàn)了通過測試結(jié)果反饋優(yōu)化隧道爆破方案。

隧道工程 爆破 振動(dòng)監(jiān)測 洞室

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市地下交通工程建設(shè)大規(guī)模發(fā)展，越來越多的新建隧道、地鐵需下穿既有地下空間工程。雖然城市地下隧道開挖方式日漸趨于多樣化，但是從技術(shù)和資金等方面考慮，鉆爆法仍是硬巖地區(qū)城市淺埋隧道工程開挖方法中較為經(jīng)濟(jì)、合理的施工方法。新建隧道工程的爆破開挖施工必將影響到臨近地下空間工程，施工中如何控制爆破對(duì)圍巖的破壞、保持鄰近地下空間工程的安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。這當(dāng)中爆破振動(dòng)實(shí)測是掌握現(xiàn)場爆破環(huán)境和施工條件下爆破地震波變化規(guī)律最為有效的手段。通過爆破振動(dòng)測試，可以了解爆破地震波的振動(dòng)規(guī)律、對(duì)周圍環(huán)境的影響和破壞機(jī)制，以便對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行有效控制。

目前，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)隧道工程爆破振動(dòng)效應(yīng)的研究主要集中在既有隧道、連拱隧道等地下結(jié)構(gòu)爆破開挖引起鄰近隧道的振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)分析，以及隧道周邊圍巖振動(dòng)速度場和應(yīng)力場的分布特征，但很少涉及淺埋隧道爆破開挖對(duì)既有地下洞室群產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)［1-3］。

本文以杭州蕭山永久路北干山隧道工程為個(gè)例，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析了不同爆源距、不同裝藥量條件下上覆洞室群的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)爆破方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1 工程概況

永久路北干山隧道工程呈南北向，地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和華南褶皺的過渡帶，位于江山—紹興深斷裂北西側(cè)，區(qū)域構(gòu)造線主要呈北東向展布。擬建線路北側(cè)分布有一條區(qū)域性斷裂帶，走向?yàn)楸逼珫|45°。山體南北兩側(cè)山前平原區(qū)分布第四系全新統(tǒng)濱海組(Q4m

a+al)、沖積層(Q3al)，由淺部灰色淤泥質(zhì)土、粉土和深部灰黃色粉質(zhì)黏土、灰黃色圓礫層組成，第四系為海陸交叉相沉積，海侵頻繁，隧道上方有防空洞室分布。

隧道與洞室平面交叉于K0+837—K1+035，長度約200 m，位于隧道正上方的洞室面積(含洞室及通道)約2 150 m2，共涉及 8 個(gè)洞室(50#，49#，52#，53#，54#，56#，55#，9#)，其中 50#，52#，53#，55#，9#5 個(gè)洞室全部位于隧道頂部，其余3個(gè)為局部穿過。洞室南出口位于隧道中線偏右側(cè)，對(duì)隧道施工影響最大的是50#洞室，位置正好處于隧道的K0+840—K0+890樁號(hào)之間，呈小角30°大角150°斜相交，洞室與洞室之間8～12 m不等，洞室內(nèi)凈空最大寬度為9.2 m，長42 m，高約8 m。隧道與洞室群相交平面見圖1。

圖1 隧道與洞室相對(duì)位置平面布置

將實(shí)測洞室群底板高程與隧道的頂部開挖設(shè)計(jì)高程相對(duì)比，在K0+837處的高差為7.07 m(最小)，在K1+035處的高差為10.38 m(最大)。洞室高差分別為50#7.14 m，49#7.87 m，52#8.66 m，53#8.38 m，54#8.54 m，55#9.09 m，56#8.99 m，9#10.38 m。在50#洞室底板上鉆孔得知，洞室毛洞底部離隧道毛洞開挖頂部最近處距離只有5 m。

50#洞室毛洞寬11.7 m，最寬處13 m，凈寬9.5 m。襯砌采用素混凝土，邊墻厚20 cm，拱頂厚10 cm，拱腳部位厚30 cm，洞室高度2～3 m。初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，錨桿設(shè)計(jì)長2.5 m，間距1.5 m，噴混凝土設(shè)計(jì)厚10 cm;實(shí)際施工時(shí)，錨桿長度、間距、噴混凝土厚度均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 爆破與監(jiān)測

2.1 爆破方案

隧道爆破施工首先選定爆破方案，顧及到隧道周圍地形、地質(zhì)情況，考慮兩種爆破方案，分別為預(yù)留核心土法和上下臺(tái)階法。炮孔布置如圖2所示。

圖2 炮孔布置

在離爆點(diǎn)距離30 m的50#洞室底部測得的垂直方向典型振動(dòng)波形如圖3及圖4。從圖中可以看出預(yù)留核心土法爆破時(shí)的反射波波動(dòng)相當(dāng)大，對(duì)上方洞室的危害也較大，而上下臺(tái)階法對(duì)上方洞室的影響相較預(yù)留核心土法有明顯的下降。

圖3 預(yù)留核心土法振動(dòng)波形

圖4 上下臺(tái)階法振動(dòng)波形

考慮到原有防空洞洞室底與隧道頂最小高差只有5 m，上下臺(tái)階法更適合于該隧道在洞室群段的施工;因此，初始擬定隧道在該段爆破施工采用臺(tái)階法開挖，微差爆破，選用低爆速和小直徑炸藥，周邊設(shè)空眼減振(見圖2(b))進(jìn)行開挖掘進(jìn)。

2.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測

在防空洞洞室底布置拾振器進(jìn)行測量，每個(gè)測點(diǎn)布置垂直方向、水平徑向、水平切向三個(gè)方向的傳感器，振動(dòng)測試采用北京東方振動(dòng)與噪聲研究所INV306智能信號(hào)采集處理分析系統(tǒng)和國家地震局891-2型拾振器，爆破振動(dòng)測試結(jié)果如表1。

表1 爆破振動(dòng)測試結(jié)果

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 振動(dòng)峰值速度、加速度分析

據(jù)相關(guān)研究，地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度和振動(dòng)峰值加速度之間存在較好的相關(guān)性，可表示為正比例關(guān)系［4］。

通過國內(nèi)外大量實(shí)測結(jié)果表明，反映爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量與炸藥量、爆心距、巖土性質(zhì)及場地條件等因素密切相關(guān)。雖然各個(gè)國家試驗(yàn)條件各不相同，但前蘇聯(lián)薩道夫斯基的爆破振動(dòng)公式，一直被廣泛采用，我國在爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和爆破振動(dòng)安全允許距離［5］計(jì)算方面也推薦采用該式

式中:A為反映爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量(振動(dòng)速度或加速度);Q為炸藥量，kg;R為爆心距，m;，K，α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、場地條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)最小二乘法，將表1各監(jiān)測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度值V及炸藥量Q、爆心距R分別代入式(1)，進(jìn)行回歸分析計(jì)算，得出K=252.04，α=1.976 7，回歸公式

式(2)即為隧道爆破時(shí)防空洞振動(dòng)峰值速度衰減變化的回歸計(jì)算公式，其相關(guān)系數(shù)r=0.980 8?；貧w結(jié)果如圖5。

圖5 近間距洞室振動(dòng)峰值速度與比例距離的關(guān)系

同理，將各監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)加速度值及炸藥量 Q、爆心距R分別代入式(1)，進(jìn)行回歸分析計(jì)算，得出K=265.68，α =1.951 6，回歸公式為

式(3)即為隧道爆破時(shí)防空洞振動(dòng)峰值加速度衰減變化的回歸計(jì)算公式，其相關(guān)系數(shù)r=0.937 7?；貧w結(jié)果如圖6。

從圖5與圖6可知，振動(dòng)峰值加速度相對(duì)峰值速度離散性高，如相關(guān)文獻(xiàn)，爆破振動(dòng)安全評(píng)判用振動(dòng)峰值速度更為合理。

圖6 近間距洞室振動(dòng)峰值加速度與比例距離的關(guān)系

3.2 振動(dòng)主頻分析

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為主頻頻率。當(dāng)爆破地震波的頻率等于或接近建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致振動(dòng)成倍增強(qiáng)，因此從振動(dòng)響應(yīng)方面分析，振動(dòng)響應(yīng)應(yīng)包括頻率參數(shù)［6-7］。在確定爆破振動(dòng)效應(yīng)安全判據(jù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮爆破地震波的強(qiáng)度、頻譜、持時(shí)的影響，建立以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值為主、頻譜和持時(shí)為輔的多參數(shù)安全判據(jù)［8-9］。

從表1可以看出，隧道爆破施工引起防空洞洞室振動(dòng)的主頻在100 Hz左右。

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)可知，地震波頻率高，爆破振動(dòng)允許安全速度限值也跟著提高，說明爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的振動(dòng)危害就越小，對(duì)振動(dòng)頻率＞50 Hz的礦山巷道安全允許振速為20～30 cm/s［10］，出于安全考慮，取安全允許振速為 20 cm/s，設(shè)計(jì)驗(yàn)算確定安全允許振動(dòng)加速度為0.02g，分別代入式(2)～式(3)計(jì)算出防空洞洞室安全允許振動(dòng)強(qiáng)度下不同距離處同段最大起爆藥量，如表2。

表2 不同距離處的安全同段最大起爆藥量

從表2可以看出，以振動(dòng)峰值加速度控制的爆破裝藥量與以峰值振動(dòng)速度控制的最大裝藥量接近，但略低。

4 爆破方案優(yōu)化

通過北干山隧道工程防空洞洞室的爆破振動(dòng)監(jiān)測及分析，對(duì)隧道爆破開挖方案作如下優(yōu)化。

1)控制最大段炸藥量。以洞室毛洞底部離隧道毛洞開挖頂部最近處距離5 m為安全控制半徑，以安全允許振速為20 cm/s、安全允許振動(dòng)加速度為0.02g為控制標(biāo)準(zhǔn)，通過式(2)～式(3)反算出各開挖距離允許的最大段炸藥量。嚴(yán)格控制掏槽孔最大起爆藥量不超過2.5 kg。炮孔按淺、密原則布置，控制單孔藥量，使一次爆破的藥量均勻地分布在被爆巖體中，同時(shí)采用毫秒雷管進(jìn)行微差爆破，以減小爆破地震動(dòng)強(qiáng)度?？咨? m，孔徑 φ42 mm，多排布孔，炮孔間距 a=1.5 m，排距 b=0.75 m，裝藥長度 2.0 m，孔口堵塞長度3.0 m。

2)確定合理的開挖方案。洞室群下方設(shè)雙層超前小導(dǎo)管掘進(jìn)支護(hù)，上下臺(tái)階預(yù)裂爆破開挖。

3)優(yōu)化火工品分級(jí)分段裝填。降低預(yù)裂爆破點(diǎn)，增加減振孔、輔助孔減振，同時(shí)把掏槽孔下壓60 cm;嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，嚴(yán)禁超過1.0 m;嚴(yán)格控制爆破次序，先掏槽爆破，其次上部由內(nèi)向外依次起爆，然后是下部由上向下依次爆破，最后是周邊眼爆破。

4)選擇合理的段間隔時(shí)差。實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)表明，振動(dòng)頻率一般在100 Hz左右，為避免振動(dòng)強(qiáng)度的疊加作用，低段(1～7段)雷管跳段使用。

優(yōu)化后隧道爆破對(duì)上方洞室群振動(dòng)影響不管是峰值速度還是峰值加速度都在規(guī)范、設(shè)計(jì)安全范圍以內(nèi)。優(yōu)化后洞室內(nèi)底板位移、圍巖壓力觀測結(jié)果如表3。

表3 50#防空洞洞室爆破振動(dòng)位移、圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果

從表3看出，優(yōu)化后的隧道爆破對(duì)防空洞洞室的影響反映出相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，表明整個(gè)工程的爆破施工順利推進(jìn)。

5 結(jié)論

1)爆破實(shí)測振動(dòng)波速圖表明，相對(duì)上下臺(tái)階法爆破，預(yù)留核心土法爆破時(shí)的反射波波動(dòng)大，對(duì)上方洞室的危害也較大，上下臺(tái)階法更適合于隧道在洞室群段的施工。

2)振動(dòng)峰值加速度相對(duì)峰值速度離散性高，爆破振動(dòng)安全評(píng)判用振動(dòng)峰值速度更為合理。

3)隧道爆破施工引起洞室振動(dòng)的主頻在100 Hz左右。

4)通過爆破方案優(yōu)化，采用淺眼多循環(huán)、分部開挖、增設(shè)周邊減振眼及嚴(yán)格控制藥量等措施，有效地控制了爆破的地震動(dòng)強(qiáng)度，保證了上方防空洞洞室安全。

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TU751．9

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．26

1003-1995(2013)04-0083-04

2012-10-10;

2012-11-20

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201225912)

梁師俊(1976— )，男，湖北陽新人，講師，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)