吳 亮 金 沐 李雷斌 鐘冬望 蔣 培

(1.武漢科技大學理學院，湖北 武漢430065;2.中鐵港航－武漢科技大學爆破技術研究中心，湖北 武漢430065;3.中鐵港航局集團爆破工程有限公司，廣東 廣州510660)

1 工程概況

某露天礦位于剝蝕低山丘陵地貌區(qū)，隧道軸線穿越一低山，頂部最高處海拔127.43 m，地形坡度一般為20° ～30°。該邊坡工程山頂植被覆蓋茂密，但局部有強風化巖石裸露。山體巖性為較單一的熔結凝灰?guī)r，巖體堅硬完整，風化程度較低，其表層分布有少量的殘坡積層，厚度一般在0.5 ～3.0 m。待開挖露天礦邊坡與坡體內隧道的平面布置見圖1。在邊坡開挖施工過程中，爆破擾動荷載必然對既有隧道產(chǎn)生不利影響。近10 a 來，國內外不少學者對小凈距隧道爆破開挖的施工工程與相互影響進行了廣泛深入研究［1-5］，但研究邊坡爆破開挖對山體內既有隧道的影響，特別是對洞口部位巖體影響還比較少［6-10］。由于露天邊坡爆破與隧道爆破在爆源特性方面有差異，有必要對露天邊坡爆破荷載作用下隧道圍巖質點振動進行跟蹤監(jiān)測，對其衰減規(guī)律進行分析，及時反饋信息，優(yōu)化爆破參數(shù)，為工程的順利進行提供安全保障。

圖1 工程平面布置Fig.1 Engineering layout

2 爆破參數(shù)

臺階爆破采用垂直炮孔，炮孔孔徑115 mm，淺孔孔深3 ～5 m，深孔孔深15 ～16 m，孔距5 m，排距4.2 m，深孔堵塞長度5.0 ～5.5 m，90 乳化炸藥，單孔裝藥量100 ～110 kg，最大單響藥量290 kg，總藥量約5.0 t。爆破量11 458 m3，平均單耗0.31 kg/m3，炮孔總長704.9 m，延米爆破量16.25 m3/m。臺階爆破炮孔網(wǎng)路布置圖見圖2。

圖2 炮孔網(wǎng)路布置Fig.2 Network layout of blasting hole

3 監(jiān)測方案

3.1 采用儀器

依據(jù)《GB 6722—2003 爆破安全規(guī)程》測試的相關要求，采用廣泛應用于工程爆破環(huán)境安全評估、爆破振動監(jiān)測、爆破施工監(jiān)理、機械振動、運輸振動安全監(jiān)測、教學、科研分析等領域的爆破測振儀。測試所用儀器均具有出廠合格證明，采集精度達到要求，采集精度為0.01 cm/s。

3.2 儀器安裝

為保證采集數(shù)據(jù)的真實性，考慮隧道圍巖松動圈對質點振動的影響，在布點位置鉆2.0 m 深的孔，插入直徑φ18 mm 螺紋鋼筋，灌漿密實，在鋼筋出露端水平焊上10 cm ×10 cm ×1.5 cm 鋼板，或者把鋼板布置在既有的錨桿上，見圖3。鋼板上留有螺紋孔，通過螺絲把傳感器固定在鋼板上，方便儀器的安裝與拆卸。

3.3 測點布置

根據(jù)爆源與需保護的既有隧道間的相對位置關系，考慮地震波的傳播路徑與圍巖的保護部位，測點布置方案見圖4。

圖3 傳感器安裝Fig.3 Sensor installation

圖4 測點布置示意Fig.4 The arrangement layout of survey points

3.4 控制標準

工程實踐表明，建(構)筑物因爆破震動而造成的破壞與質點峰值震動速度具有良好的相關性，因此國內外普遍以質點峰值震動速度作為爆破震動控制的判據(jù)。依據(jù)有關規(guī)范及參考國內類似工程的經(jīng)驗，該隧道圍巖質點振動速度控制在20 cm/s 以內。

4 監(jiān)測結果與分析

根據(jù)實測數(shù)據(jù)獲得邊坡爆破引起的隧道圍巖質點速度峰值大小及其振動頻率。其中，質點振動峰值數(shù)據(jù)可以確定隧道斷面各部位的爆破振動強度，通過對比控制標準明確爆破振動對監(jiān)控部位的影響程度，從而給出隧道圍巖及其結構的安全評判。另外，實踐表明實測波形是一次爆破分段效果的直接反映，對反饋信息、調整爆破參數(shù)具有實用價值。

眾所周知，爆破地震波的衰減規(guī)律與爆源參數(shù)、地形條件、傳播介質、保護對象的結構等因素有關。目前，國內預測爆破地震波衰減規(guī)律的公式普遍采用薩道夫斯基公式

式中，v 為峰值質點振動速度，cm/s;Q 為單響藥量，kg;r 為爆心距，m;K、α 是與爆破方法、場地條件相關系數(shù)，與爆破方式、裝藥結構、爆源至監(jiān)測點間的地形、地質條件密切相關。

露天臺階爆破對山體隧道圍巖振動的測試結果見表1。

表1 爆破振動的實測數(shù)據(jù)Table 1 Test results of blasting vibration

露天臺階爆破對山體隧道圍巖振動的衰減規(guī)律回歸結果見表2。表2 中R 為回歸的相關系數(shù)，它表征離散數(shù)據(jù)的擬合程度高低。從擬合結果可以明顯看出，水平徑向、水平切向和豎直向峰值振速衰減規(guī)律擬合系數(shù)均在0.8 以上，擬合效果較好。

表2 爆破振動衰減規(guī)律Table 2 Blasting vibration attenuation law

通過實測數(shù)據(jù)擬合后對爆破振動控制標準下的最大單響藥量隨距離的規(guī)律預測見表3。目前，隧道掌子面距離邊坡輪廓的最小距離是20 m，根據(jù)計算，確定邊坡開挖最大單響藥量為60.9 kg。

表3 不同距離下最大單響藥量Table 3 Maximum single charge under different distances

5 數(shù)值預測

根據(jù)預估藥量，在距離隧道掌子面最近的設計坡面上施加爆破荷載，確定預估藥量的合理性。邊坡與隧道的計算模型采用三維模型，隧道的軸向為y 軸方向，z 軸垂直向上，隧道的橫向為x 軸。模型底部與四周邊界設置為無反射邊界，隧道已開挖區(qū)與邊坡面設為自由邊界。計算采用SOLID164 三維實體單元，計算中圍巖的物理力學參數(shù)，Ⅲ圍巖:密度2.5 t/m3，彈性模量40 GPa，泊松比0.3，內摩擦角50°，黏聚力1.5 MPa;Ⅳ圍巖:彈性模量30 GPa，泊松比0.33，內摩擦角39°，黏聚力0.7 MPa，密度2.4 t/m3。根據(jù)爆破實測波形確定爆破荷載，經(jīng)試算，瑞利常數(shù)取α =0.04，β= 0.000 3。

沿隧道軸線山體剖面的計算應力云圖見圖5。

圖5 不同時刻的動應力云圖Fig.5 Dynamic stress cloud chart at different time

為確定邊坡爆破對隧道圍巖的影響，在距離爆源最近的隧道剖面上選取了4 個點，如圖6 所示，圖中A、B、C、D 各點分別對應隧道拱頂、拱與邊墻交點、邊墻中點與底板質點。

圖6 考察點示意Fig.6 Investigation points

隧道各考察點的質點振動時程曲線結果見圖7，圖中Vx、Vy、Vz分別為X、Y、Z 方向的質點振動速度。

圖7 各考察點的質點振動時程曲線Fig.7 Particle vibration curve of each investigation point

計算表明，垂直方向上的Vz峰值較大區(qū)域主要在拱頂處，沿隧道圍巖逐漸向下衰減，隧道軸向振速Vy、橫向振速Vx的峰值向下先增大后減小。可見，爆破荷載產(chǎn)生的應力波初始以縱波向下傳播，隨著距離的增加逐漸衰減，而在隧道圍巖的自由面處形成的面波向下傳播的規(guī)律為先增大后減小，在拱與邊墻交點處圍巖質點振動速度峰值達到最大，隨后開始衰減。計算得到質點振動速度的最大峰值為19 cm/s，小于隧道圍巖質點振動控制速度，圍巖最大動拉應力峰值為0.65 MPa，結合隧道埋深，圍巖在動靜荷載共同作用下是穩(wěn)定的，表明安全振動速度與預估藥量是合理的。

6 結 論

(1)討論了巖質邊坡爆破開挖對山體內鄰近既有隧道的影響問題，依據(jù)《GB6722—2003 安全爆破安全規(guī)程》的相關要求，結合工程特點，提出了該工程隧道圍巖的安全控制標準。

(2)通過對現(xiàn)場爆破荷載作用下隧道圍巖質點振動進行跟蹤監(jiān)測，及時地得到了邊坡爆破參數(shù)對既有隧道圍巖的影響;通過對隧道圍巖質點振動衰減規(guī)律進行分析，得出了相應的回歸指數(shù)，為優(yōu)化爆破參數(shù)提供了參考依據(jù)。

(3)通過數(shù)值計算分析得到了預估藥量對既有隧道圍巖振動速度與動應力分布規(guī)律，計算得到圍巖質點振動峰值速度為19 cm/s，驗證了預估藥量的可靠性。

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