孟海利

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隧道分區(qū)爆破振動傳播規(guī)律試驗研究

孟海利

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

在重慶樞紐聯(lián)絡(luò)線隧道掘進(jìn)過程中，將隧道掌子面劃分為掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)分別進(jìn)行爆破，并對不同區(qū)域爆破開挖引起的振動進(jìn)行了監(jiān)測與分析。結(jié)果表明:隧道爆破的最大振動出現(xiàn)在掏槽部位，采用分部開挖方式和在掏槽區(qū)設(shè)置大直徑空孔可有效降低爆破振動;隧道掌子面爆破區(qū)域不同，振動衰減參數(shù)也不同，振動衰減系數(shù)K隨著開挖區(qū)域的增大而逐漸減小，振動衰減指數(shù)α由地質(zhì)條件決定，基本保持不變，輔助區(qū)K為掏槽區(qū)的0.50～0.67倍，周邊區(qū)K為掏槽區(qū)的0.25～0.33倍;重慶地區(qū)隧道分部開挖時，K可按掏槽區(qū)110～120、輔助區(qū)60～80、周邊區(qū)30～40取值，α可按掏槽區(qū)1.5、輔助區(qū)和周邊區(qū)1.6取值。

隧道 分區(qū)爆破 爆破振動 衰減規(guī)律

工程建設(shè)爆破施工處理不當(dāng)會對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大危害［1］，其中爆破振動最為嚴(yán)重，因此，研究爆破振動傳播規(guī)律進(jìn)而采取有效措施加以控制一直是爆破研究領(lǐng)域的重要課題［2-3］。隨著我國城區(qū)鐵路的大量修建，隧道爆破面臨的環(huán)境越來越復(fù)雜，一些巖石隧道埋深淺且周邊有大量的建(構(gòu))筑物需要保護(hù)，降低爆破振動就成為這些隧道開挖的主要難題。

目前，在隧道爆破設(shè)計時，通常要對爆破振動預(yù)先估算，即選取一個相同的振動衰減系數(shù)K、衰減指數(shù)α值，根據(jù)薩道夫斯基公式計算［4-5］。當(dāng)估算值超過控制指標(biāo)時，一般采取降低爆破規(guī)模等方法對爆破振動進(jìn)行控制。然而，隧道爆破時通過對雷管段別的設(shè)置使掌子面不同區(qū)域先后起爆，這就造成了不同區(qū)域的爆破振動衰減系數(shù)不同。在這種情況下，若采用統(tǒng)一的衰減系數(shù)對隧道爆破振動進(jìn)行估算，將產(chǎn)生較大的誤差，同時采取的爆破振動控制措施也沒有針對性，有時會造成較大浪費(fèi)，甚至延誤工期。

掌子面各爆破區(qū)域的振動參數(shù)如何取值目前尚沒有詳細(xì)的研究。本文以重慶鐵路樞紐聯(lián)絡(luò)線隧道爆破開挖為背景，采用現(xiàn)場測試和統(tǒng)計分析方法，研究隧道掌子面不同區(qū)域產(chǎn)生的爆破振動衰減規(guī)律，并給出了爆破振動的有效控制措施。

1 隧道爆破振動機(jī)理分析

1.1 隧道爆破振動的傳播

炸藥在巖石介質(zhì)中爆炸，形成的爆炸荷載以沖擊波的形式向外傳播，其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而減小，波的性質(zhì)和形狀也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在離爆源約3～7倍藥包半徑的近距離內(nèi)，沖擊波的強(qiáng)度較大，波峰壓力一般都大大超過巖石的動抗壓強(qiáng)度，使巖石產(chǎn)生塑性變形或粉碎。在該過程中沖擊波消耗大部分能量，急劇衰減，變成不具陡峭波峰的應(yīng)力波［6-7］。應(yīng)力波陣面上的狀態(tài)參數(shù)變化得比較緩慢，波速接近或等于巖石中的聲速。巖石的狀態(tài)變化所需時間遠(yuǎn)小于恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)所需時間。由于應(yīng)力波的作用，巖石處于非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生變形，可導(dǎo)致其破壞和殘余變形。該范圍可達(dá)到120～150倍藥包半徑的距離。應(yīng)力波通過該區(qū)后，波的強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，變?yōu)閺椥圆ɑ虻卣鸩?，波的傳播速度等于巖石中的聲速。這種作用只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)做彈性振動，而不能使巖石產(chǎn)生破壞［8-9］。

爆破地震波引起爆破地震效應(yīng)，產(chǎn)生爆破振動。爆破振動的大小與炸藥量、爆破形式、起爆方法、藥包埋藏深度、介質(zhì)的特性參數(shù)、傳播途徑、局部地質(zhì)條件、爆心距等有關(guān)。根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，爆破振動傳播與衰減規(guī)律一般采用下式進(jìn)行回歸計算。

式中:v為地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度，cm/s;Q為炸藥量(齊爆時為總裝藥量，延遲爆破時為最大一段裝藥量)，kg;R為測點(diǎn)與爆心之間的距離，m;K為介質(zhì)系數(shù)，是與爆破方法、爆破參數(shù)、地形及觀測方法等有關(guān)的爆破場地系數(shù);α為衰減指數(shù)，與巖土地質(zhì)因素有關(guān)。

1.2 隧道掌子面爆破區(qū)域劃分

根據(jù)位置和作用的不同，隧道掌子面的炮眼分為三類，即掏槽眼、輔助眼和周邊眼［10］。掏槽眼的作用是在工作面上首先創(chuàng)造一個槽腔作為第2個自由面，為其它炮眼爆破創(chuàng)造有利條件;輔助眼的作用是擴(kuò)大和延伸掏槽的范圍;周邊眼的作用是控制隧道斷面規(guī)格和形狀。根據(jù)不同類型炮眼所處的位置，將隧道掌子面爆破區(qū)域劃分為掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)，如圖1所示。掘進(jìn)爆破時采用毫秒延時起爆網(wǎng)路，使掏槽眼先起爆，輔助眼次之，最后是周邊眼，即掏槽區(qū)先爆破，輔助區(qū)次之，最后是周邊區(qū)。

圖1 隧道爆破掌子面分區(qū)示意

1.3 掌子面各區(qū)域的振動關(guān)系描述

掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)先后起爆，由于各區(qū)域所受夾制作用不同，爆破振動參數(shù)會產(chǎn)生較大的差別，選用統(tǒng)一的K，α值計算爆破振動峰值顯然已不合適，應(yīng)該按區(qū)域分別計算爆破振動峰值。為了研究不同爆破區(qū)域振動參數(shù)取值的關(guān)系，定義掏槽區(qū)的介質(zhì)系數(shù)為K0，輔助區(qū)和周邊區(qū)的介質(zhì)系數(shù)與K0之間存在如下關(guān)系

式中:K為不同爆破區(qū)域的爆破振動峰值衰減系數(shù);K0為掏槽區(qū)的爆破振動峰值衰減系數(shù);K1為其它區(qū)域以K0為基數(shù)的變化系數(shù)。

同樣以掏槽區(qū)的衰減指數(shù)α0為基數(shù)，定義輔助區(qū)和周邊區(qū)的衰減指數(shù)與α0之間存在如下關(guān)系

式中:α為不同爆破區(qū)域的爆破振動峰值衰減指數(shù);α0為掏槽區(qū)的爆破振動峰值衰減指數(shù);α1為其它區(qū)域以α0為基數(shù)的變化系數(shù)。

引入K1，K0和α1，α0后，爆破振動計算公式變?yōu)?/p>

2 隧道爆破振動測試試驗

試驗地點(diǎn)選擇在重慶樞紐北右聯(lián)絡(luò)線隧道，里程為K13+054處，重慶樞紐北右聯(lián)絡(luò)線隧道自成渝客專正線新中梁山右線隧道引出，里程CBLYDK0+ 000—CBLYDK2+313.5，全長2 313.5 m。該隧道與蔡東聯(lián)絡(luò)線雙碑隧道并行1 065 m，最終接入雙碑隧道。試驗處的北右聯(lián)絡(luò)線隧道與雙碑隧道之間的水平凈距只有10 m(圖2)，且雙碑隧道正在營運(yùn)，兩隧道屬于典型的緊鄰運(yùn)營線小凈距隧道，爆破時要重點(diǎn)保證既有雙碑隧道的運(yùn)營安全。重慶北右聯(lián)絡(luò)線隧道待挖巖體為巖屑長石石英砂巖夾砂質(zhì)泥頁巖、炭質(zhì)頁巖，巖體較完整，淺灰和灰色，中粗粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，厚層～巨厚層狀，屬于Ⅲ級圍巖。

圖2 重慶北右聯(lián)絡(luò)線隧道與蔡東線雙碑隧道典型斷面

2.1 爆破試驗方案

為使測試結(jié)果更詳盡，試驗將隧道掌子面分成5部分，如圖3所示，分別表示為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ部。Ⅰ部為掏槽區(qū)，Ⅱ部和Ⅲ部為輔助區(qū)，Ⅳ部和Ⅴ部為周邊區(qū)。試驗時由Ⅰ部至Ⅴ部分5步爆破，每部分單獨(dú)起爆和測試，每次爆破進(jìn)尺1.0 m。將掏槽孔布設(shè)在遠(yuǎn)離既有隧道的一側(cè)，并在掏槽孔周邊布設(shè)4個直徑為90 mm的空孔，空孔內(nèi)不裝藥，只起增加臨空面的作用。爆破炮孔的直徑為42 mm，裝填直徑32 mm的乳化炸藥，孔口密實填塞，采用導(dǎo)爆管雷管毫秒延時起爆網(wǎng)路，每部分的炮孔位置和雷管段別布設(shè)參見圖3。每部分的單孔裝藥量、總藥量和最大單段藥量見表1，裝藥時嚴(yán)格控制每孔裝藥量。

2.2 測試內(nèi)容及測點(diǎn)布置

測試主要是獲得重慶北右聯(lián)絡(luò)線隧道各區(qū)域爆破時既有雙碑隧道處的爆破振動速度，進(jìn)而分析隧道不同爆破區(qū)域的振動傳播規(guī)律。采用TC-4850爆破測振儀和三向速度傳感器測試。振動速度傳感器安裝在既有隧道迎爆側(cè)的拱腰部位，高出隧道排水溝以上5 m，每次安裝3個傳感器，1#傳感器與爆破掌子面平齊，2#與1#傳感器相隔10 m，3#與2#傳感器相隔15 m，如圖4所示。

圖3 炮孔布置及雷管段別設(shè)計示意

表1 炮孔裝藥參數(shù)

圖4 傳感器布設(shè)位置示意

2.3 測試結(jié)果

共進(jìn)行3個循環(huán)進(jìn)尺的重復(fù)試驗，通過3次爆破得到的振動速度測試結(jié)果，見表2。測試的典型波形見圖5。

表2 爆破振動速度測試結(jié)果

3 爆破振動傳播規(guī)律

將表2中的矢量和振速按式(1)進(jìn)行回歸分析，得到隧道掌子面不同區(qū)域的爆破振動傳播規(guī)律，如圖6和表3所示。

從表3中可以看出，隨著爆破由Ⅰ部到Ⅴ部的逐步進(jìn)行，K值逐漸減小，掏槽區(qū)K值為110～120，輔助區(qū)為60～80，周邊區(qū)為30～40，這說明隨著爆破臨空面的逐漸加大，藥包爆炸受到的約束力逐漸減小，爆破振動逐漸降低。由于地質(zhì)條件沒有變化，α值基本不變，掏槽區(qū)α值為1.5，輔助區(qū)為1.5～1.6，周邊區(qū)為1.6。

以爆破振動最大的情況考慮，掏槽區(qū)K0=120，α0=1.5，由此計算得到輔助區(qū)和周邊區(qū)與掏槽區(qū)的振動關(guān)系，見表4?？梢钥闯?，輔助區(qū)的振動系數(shù)是掏槽區(qū)的0.50～0.67倍，周邊區(qū)的振動系數(shù)是掏槽區(qū)的0.25～0.33倍，在采用薩道夫斯基公式進(jìn)行爆破振動預(yù)估時，應(yīng)按所處的區(qū)域分別選取各值。

圖5 掏槽Ⅰ部爆破開挖典型振動波形

圖6 掌子面各部分爆破振動衰減回歸曲線

表3 振速衰減公式參數(shù)

表4 隧道掌子面各區(qū)域爆破振動參數(shù)的變化關(guān)系

4 降振分析及控制措施

從3次測試結(jié)果看，雖然最大單段爆破藥量在Ⅲ部開挖區(qū)域，但最大爆破振動速度并未出現(xiàn)在該區(qū)域，而是出現(xiàn)在Ⅰ部掏槽部位。這主要是因為當(dāng)Ⅰ，Ⅱ部開挖后，給Ⅲ部的開挖創(chuàng)造了充足的臨空面，爆破能量在臨空面得以充分釋放。由此可見具有良好臨空面是降低爆破振動的關(guān)鍵因素。

3次爆破試驗的最大振動速度均出現(xiàn)在掏槽Ⅰ部，其中前兩次數(shù)值已接近4.0 cm/s，最大為3.64 cm/s，因此，要降低爆破振動需降低掏槽區(qū)的爆破振動。在第3次爆破時，將Ⅰ部掏槽區(qū)的空孔增加到了6個，實測最大振速為2.85 cm/s，降幅明顯，說明大直徑空孔可以有效降低掏槽區(qū)的爆破振動。

由掏槽Ⅰ部爆破時測得的一組典型的振動波形(參見圖5)可以比較清晰地分辨出各雷管段別的振動參數(shù)，從圖中可以看出，在掏槽區(qū)布置多個空孔后，掏槽孔的振動速度峰值明顯低于擴(kuò)槽孔，同樣說明布設(shè)空孔具有明顯的減振作用。

由以上分析可以看出，采用分部開挖和在掏槽區(qū)設(shè)置空孔可使爆破振動得到有效降低。

5 結(jié)論

1)根據(jù)炮眼位置和作用的不同，將隧道掌子面劃分為掏槽區(qū)、輔助區(qū)和周邊區(qū)3個區(qū)域，爆破時由于起爆時差的不同，各區(qū)域產(chǎn)生的爆破振動衰減參數(shù)也不同，振動衰減系數(shù)K隨著開挖區(qū)域的增大而逐漸減小，振動衰減指數(shù)α基本保持不變。輔助區(qū)的K為掏槽區(qū)的0.50～0.67倍，周邊區(qū)的K為掏槽區(qū)的0.25～0.33倍。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同爆破區(qū)域選擇不同的爆破振動參數(shù)。

2)重慶地區(qū)隧道爆破開挖時，振動衰減系數(shù)K可按掏槽區(qū)110～120、輔助區(qū)60～80、周邊區(qū)30～40取值，振動衰減指數(shù)α可按掏槽區(qū)1.5、輔助區(qū)和周邊區(qū)1.6取值。

3)隧道爆破的最大振動值會出現(xiàn)在掏槽部位，爆破時需重點(diǎn)控制掏槽區(qū)的爆破振動。采用分部開挖方式和在掏槽區(qū)設(shè)置大直徑空孔可有效降低爆破振動，且空孔數(shù)量越多，減振效果越好。

［1］汪旭光．爆破手冊［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2010．

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Experimental study on propagation law of tunnel blasting vibration

MENG Haili
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he tunnel face blasting was implemented by dividing the tunnel face into cutting area，auxiliary area and surrounding area separately during the tunnel excavation of Chongqing terminal connecting line and the different regional vibration caused by blasting excavation are monitored and analyzed．T he results indicated that the maximum vibration caused by tunnel blasting appears in cutting area，the vibration attenuation parameters are different with the different blasting zone of tunnel face，vibration attenuation coefficient K decreases gradually with excavation zone increasing，the vibration attenuation exponent α basically unchanged，which is determined by geological conditions，K value of auxiliary area is 0.50～0.67 times the value of cutting area，K value of surrounding area is 0.25～0.33 times the value of cutting area，K value should be 110～120，60～80，30～40 for cutting area，auxiliary area and surrounding area respectively during partial excavation of Chongqing tunnel，and α should be 1.5 for cutting area and 1.6 for both auxiliary area and surrounding area．

T unnel;Zoning blasting;Blasting vibration;Attenuation law

U455.41

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．14

1003-1995(2015)04-0050-05

(責(zé)任審編李付軍)

2014-12-09;

2015-02-10

中國鐵道科學(xué)研究院院基金(2013YJ030)

孟海利(1977—)，男，河北吳橋人，副研究員，博士。