劉 永

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

21世紀(jì)是地下工程的大發(fā)展時(shí)期，地鐵、隧道、地下商場(chǎng)以及地下儲(chǔ)庫(kù)的建設(shè)工程層出不窮。為了滿足能源儲(chǔ)備的需要，地下LPG儲(chǔ)庫(kù)的建設(shè)開(kāi)始興起，為地下空間施工領(lǐng)域提出了一個(gè)嶄新的課題。尤其是采用爆破法進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，震動(dòng)是否會(huì)對(duì)地面建筑物產(chǎn)生威脅，以及如何科學(xué)地運(yùn)用監(jiān)測(cè)手段對(duì)工程爆破所引起的震動(dòng)進(jìn)行有效控制和爆破參數(shù)優(yōu)化，是科研、設(shè)計(jì)工作者以及施工單位普遍關(guān)心的問(wèn)題［1］。為了達(dá)到保護(hù)地表建筑物的目的，可以對(duì)每一次爆破進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)反饋信息控制裝藥量的大小;但每次都進(jìn)行監(jiān)測(cè)將大量增加工程建設(shè)成本。目前多采用的是爆破過(guò)程中對(duì)幾次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽查取樣，然后擬合出技術(shù)參數(shù)。最常用的方法就是根據(jù)薩道夫斯基公式，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合求出薩道夫斯基公式中的衰減系數(shù)K和α［2］。經(jīng)實(shí)踐證明，薩道夫斯基公式具有參數(shù)少、使用簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，但某些情況下預(yù)測(cè)精度不高。

一些學(xué)者從不同方面進(jìn)行研究，對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行修正，得到了相應(yīng)的結(jié)果。朱傳統(tǒng)等［3］和許名標(biāo)等［4］認(rèn)為振動(dòng)速度沿高程有放大效應(yīng)，因而將高程這一變量引入薩道夫斯基公式，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。還有一些學(xué)者繼續(xù)對(duì)高程影響進(jìn)行深入的探討，并進(jìn)一步對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行了修正［5－6］。某些情況下，一些經(jīng)驗(yàn)公式雖然預(yù)測(cè)精度稍差，但簡(jiǎn)單、實(shí)用且行之有效，而在工程上應(yīng)用的公式只有簡(jiǎn)單、實(shí)用才會(huì)受到技術(shù)人員的青睞。正如譚文輝等［7］在爆破高程效應(yīng)研究中提出的觀點(diǎn):K、α是與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)的系數(shù)，高程效應(yīng)可以通過(guò)系數(shù)的變化反映出來(lái)，從而避開(kāi)修正公式的繁瑣工作。然而，目前的研究中針對(duì)高程對(duì)爆破震動(dòng)的放大影響較多，針對(duì)角度(爆源距與掘進(jìn)面水平投影夾角)對(duì)爆破震動(dòng)影響的研究卻較為少見(jiàn)。

因此，本研究以黃島LPG地下儲(chǔ)庫(kù)爆破掘進(jìn)施工為研究對(duì)象，試圖通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析爆源距(測(cè)點(diǎn)到爆源中心的直線距離)與掌子面二者水平投影夾角因素對(duì)地表最大振速的影響，來(lái)探尋衰減系數(shù)K、α的變化規(guī)律，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

黃島LPG(液化石油氣)地下儲(chǔ)庫(kù)位于青島市黃島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，是我國(guó)北方最大的LPG地下儲(chǔ)庫(kù)，總占地面積約為7.17 hm2，距青島港液體化工專用碼頭僅1.6 km。工程主要建設(shè)1座容積為35萬(wàn)m3的液化石油氣地下水封洞庫(kù)和1座容積為15萬(wàn)m3的丙烷洞庫(kù)，同時(shí)，建設(shè)3個(gè)1 000 m3的地上液化石油氣球形儲(chǔ)罐。洞庫(kù)多為大斷面開(kāi)挖，寬為18 m，高為28 m，交通巷道斷面為8 m×7 m(寬×高)。地下儲(chǔ)庫(kù)工程效果如圖1所示。本工程巖體主要為中生代燕山晚期堿長(zhǎng)花崗巖，又稱白崗巖，其次為各種侵入脈巖。脈巖侵入可分早、晚2期，早期多沿白崗巖近東西向斷裂侵入(NE700～SE 1 000)，呈巖墻狀，分布較規(guī)律;晚期脈巖以中基性為主，分布規(guī)律差，常常穿插白崗巖和早期脈巖。早期脈巖有花崗斑巖、石英正長(zhǎng)斑巖;晚期脈巖多為中基性，如閃長(zhǎng)玢巖、輝綠玢巖、二長(zhǎng)巖、球粒狀正長(zhǎng)斑巖等。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)儀器

監(jiān)測(cè)儀器采用國(guó)產(chǎn)最先進(jìn)的TC－4850型爆破測(cè)振儀(見(jiàn)圖2)。每臺(tái)測(cè)振儀有3個(gè)通道，可以連接3個(gè)傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用傳感器收集感應(yīng)并由測(cè)振儀自動(dòng)記錄。傳感器的正確安放是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的保證，現(xiàn)場(chǎng)采用石膏將傳感器和被測(cè)物緊密地粘接在一起，若是土質(zhì)的可以采用土釘將傳感器頂入，確保傳感器與被測(cè)物在受到振動(dòng)時(shí)同步振動(dòng)。振動(dòng)速度測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖1 地下儲(chǔ)庫(kù)工程效果圖Fig.1 Underground LPG storage cavern

圖2 TC－4850爆破測(cè)振儀Fig.2 TC-4850 blasting vibration measuring device

圖3 振動(dòng)速度測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of blasting vibration velocity measurement system

2.2 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)布置受地形、地貌及其他因素的限制，在地面某些構(gòu)筑物出現(xiàn)裂縫或當(dāng)?shù)鼐用裾J(rèn)為震感強(qiáng)烈的部位布置測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)可以布置在構(gòu)筑物距爆破點(diǎn)最近的部位，也可以直接布置在裂隙處。震中區(qū)域構(gòu)筑物較多或地質(zhì)情況復(fù)雜時(shí)，針對(duì)重點(diǎn)構(gòu)筑物或重點(diǎn)區(qū)域布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)每次爆破進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

以其中一個(gè)爆破斷面監(jiān)測(cè)為例，分為掘進(jìn)前方測(cè)點(diǎn)和掘進(jìn)后方測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。其中，掘進(jìn)前方地表測(cè)點(diǎn)分別用RL0(掘進(jìn)前方水平徑向測(cè)點(diǎn))、RT0(掘進(jìn)前方水平切向測(cè)點(diǎn))、RV0(掘進(jìn)前方垂向測(cè)點(diǎn))表示，掘進(jìn)后方地表測(cè)點(diǎn)分別用RL(掘進(jìn)后方水平徑向測(cè)點(diǎn))、RT(掘進(jìn)后方水平切向測(cè)點(diǎn))、RV(掘進(jìn)后方垂向測(cè)點(diǎn))表示，β和γ分別表示地表垂向測(cè)點(diǎn)的爆源距(掘進(jìn)前方、后方)與掌子面在水平面投影的夾角，且根據(jù)對(duì)稱性只取銳角測(cè)點(diǎn)分析即可(文中后續(xù)涉及角β和γ意義均相同)。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Arrangement of monitoring points

3 爆破監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度與爆源距以及裝藥量之間的關(guān)系按照薩道夫斯基公式給出，即

式中:v為質(zhì)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度，cm×s－1;Q為最大段裝藥量，kg;R為測(cè)點(diǎn)到爆源中心的直線距離，m;K為與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)的衰減系數(shù);α為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù);為方便文中分析，將定義為比例距離，用S表示。

地下儲(chǔ)庫(kù)的巷道掘進(jìn)采用全斷面光面爆破施工，其中交通巷道(寬×高=8 m×7 m)循環(huán)進(jìn)尺為3 m，炸藥單耗量為1.02 kg/m3;水幕巷道(寬×高=6 m×6 m)循環(huán)進(jìn)尺為2.5 m，炸藥單耗量為1.2 kg/m3，巷道埋深為70～110 m。經(jīng)實(shí)地監(jiān)測(cè)，得到有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)122組，其中，垂直方向有效數(shù)據(jù)62組，水平徑向有效數(shù)據(jù)35組，水平切向有效數(shù)據(jù)25組。由于場(chǎng)地限制以及需要針對(duì)相應(yīng)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)分布規(guī)律性稍差。從角度(β和γ)因素出發(fā)進(jìn)行研究，選擇角度漸進(jìn)變化的波垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，如表1所示，其他振動(dòng)方向波速研究與之類似。

表1 部分測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data

3.1 爆破震動(dòng)波放大效應(yīng)分析

多組文獻(xiàn)中已經(jīng)對(duì)爆破震動(dòng)放大效應(yīng)進(jìn)行了闡述［8－10］，但多是從距離入手，未考慮裝藥量的因素。為了研究掌子面掘進(jìn)前后爆破震動(dòng)波的放大效應(yīng)，本文分別以掌子面掘進(jìn)前、后方相同或相近的比例距離的質(zhì)點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)其垂向振速進(jìn)行回歸分析，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 振速對(duì)比曲線Fig.5 Curves of vibration velocity

由薩氏公式可知，比例距離越來(lái)越小表示距離掌子面越來(lái)越遠(yuǎn)。由圖5可見(jiàn)，距離掌子面最近時(shí)，掘進(jìn)前、后方垂向振速均最大，遠(yuǎn)離時(shí)振速均逐漸減小;距掌子面較近且比例距離相同時(shí)，掘進(jìn)后方質(zhì)點(diǎn)最大垂向振速要大于掘進(jìn)前方最大振速;拉大與掌子面距離，在相同比例距離的情況下，二者垂向振速基本一致。因此，在地下工程爆破掘進(jìn)時(shí)，掌子面后方空洞具有放大波速的效應(yīng)，越接近掌子面這種效應(yīng)越明顯，越遠(yuǎn)離則越不明顯。為了方便可運(yùn)用比例距離來(lái)對(duì)振速進(jìn)行比較，同時(shí)觀察表1可見(jiàn)，掘進(jìn)后方角度γ對(duì)這種放大效應(yīng)同樣有影響，當(dāng)比例距離相近時(shí)，掌子面后方角度γ越是接近于90°，這種放大效應(yīng)就越明顯，如數(shù)據(jù)編號(hào)9#與10#、17#與18#、20#與21#等等;因此，在地下工程爆破掘進(jìn)施工中，這種振速放大效應(yīng)一定要多加注意。

3.2 角度效應(yīng)分析

為了從角度出發(fā)研究掌子面前后質(zhì)點(diǎn)垂向振速的相關(guān)性，本文又分別對(duì)掌子面掘進(jìn)前、后方各質(zhì)點(diǎn)的垂向振速進(jìn)行了回歸分析。

對(duì)表1中所列質(zhì)點(diǎn)最大垂向振速數(shù)據(jù)總體進(jìn)行回歸分析，得出圖6，發(fā)現(xiàn)總體相關(guān)性較差。繼續(xù)從角度因素出發(fā)進(jìn)行研究，對(duì)所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。首先對(duì)掘進(jìn)前方數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行回歸分析得出圖7(1°≤β≤60°)，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.8 以上，相關(guān)性較好，同時(shí)得出薩道夫斯基公式衰減系數(shù)K=414.15、α=2.166 4。這是由于掘進(jìn)前方振動(dòng)波傳輸介質(zhì)比較單一，運(yùn)用公式進(jìn)行擬合的結(jié)果比較準(zhǔn)確。繼續(xù)對(duì)掘進(jìn)后方數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性仍然很差。根據(jù)角度的變化對(duì)掘進(jìn)后方垂向振速數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，將0°≤γ≤33°時(shí)對(duì)應(yīng)表1中的垂向振速分為一組，γ＞33°時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分為另一組分別進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8和圖9所示。發(fā)現(xiàn)0～33°的擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.84，相關(guān)性較好，同時(shí)得出薩道夫斯基公式衰減系數(shù)K=259.67、α =2.076。而 33°以上數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)僅達(dá)到0.45，相關(guān)性較差。這是由于掘進(jìn)后方振動(dòng)波傳輸時(shí)，在小角度情況下，傳輸介質(zhì)以及波的傳輸過(guò)程相對(duì)于大角度時(shí)要單一，運(yùn)用公式擬合相關(guān)性強(qiáng);而大角度對(duì)應(yīng)的掌子面后方硐室已經(jīng)開(kāi)挖成形，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爆破時(shí)瞬間爆炸產(chǎn)物高速向空氣中膨脹，周圍空氣壓縮，形成壓力很高的沖擊波，又傳入周圍巖體中直至地面建筑物，波的傳播過(guò)程中途徑復(fù)雜。因此，相關(guān)性隨著角度增加而變差，對(duì)掘進(jìn)后方γ＞33°的重要建筑物進(jìn)行評(píng)估時(shí)，必須要單獨(dú)對(duì)待，并詳細(xì)監(jiān)測(cè)。

圖6 總體振速變化規(guī)律曲線Fig.6 Variation rule of overall vibration velocity

圖7 掘進(jìn)前方振速變化規(guī)律曲線Fig.7 Variation rule of vibration velocity ahead of excavation face

由此可以看出地下工程爆破掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)后方的最大振速存在較強(qiáng)的角度效應(yīng)。按照分析的結(jié)果，將圖7和圖8中所得的衰減系數(shù)帶入薩道夫斯基公式，對(duì)黃島LPG地下儲(chǔ)庫(kù)其他位置爆破進(jìn)行了震動(dòng)波預(yù)測(cè)，經(jīng)實(shí)踐證明預(yù)測(cè)效果較好。

圖8 0°≤γ≤33°時(shí)振速變化規(guī)律曲線Fig.8 Variation rule of vibration velocity when 0°≤γ≤33°

4 結(jié)論與建議

在地下工程爆破掘進(jìn)時(shí)，掌子面后方空洞具有放大波速的效應(yīng)，越接近掌子面這種效應(yīng)越明顯，越遠(yuǎn)離則越不明顯。掘進(jìn)后方角度γ對(duì)這種放大效應(yīng)同樣有影響，當(dāng)比例距離相近時(shí)，掌子面后方角度γ越是接近于90°，這種放大效應(yīng)就越明顯。爆破時(shí)存在角度效應(yīng)，即針對(duì)掘進(jìn)后方擬合時(shí)，若爆源距與掌子面在水平面的投影夾角為0～33°時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較強(qiáng)，大于33°時(shí)相關(guān)性較差。

在地下工程爆破掘進(jìn)施工中，這種振速放大效應(yīng)一定要多加注意。對(duì)掘進(jìn)后方γ＞33°的重要建筑物進(jìn)行評(píng)估時(shí)，必須要單獨(dú)對(duì)待，并詳細(xì)監(jiān)測(cè)。由于條件的限制，本文只用有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，若數(shù)據(jù)更多，運(yùn)用薩道夫斯基公式進(jìn)行擬合時(shí)，得出的K、α值可指導(dǎo)其他位置爆破掘進(jìn)預(yù)測(cè)，對(duì)爆破方案進(jìn)一步優(yōu)化。

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