楊甲豹

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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隧道掘進爆破對地表敏感建筑物的振動影響監(jiān)測與控制

楊甲豹

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要：為控制隧道掘進爆破對地表敏感建筑設施產生的振動危害，對爆破產生的地震效應進行監(jiān)測與控制是必要的。結合人山子隧道的控制爆破設計，首先通過理論計算，初步分析隧道爆破對地表敏感建筑設施振動速度的影響，再結合爆破時地表質點振動速度的實時監(jiān)測與分析，提出控制爆破振動危害的措施，以確保地表敏感設施的安全。

關鍵詞：鐵路隧道；掘進爆破；地震效應；控制爆破；敏感建筑；振動速度

在鐵路隧道修建過程中，受選線條件的限制，難免會遇到下穿村莊、建筑、敏感設施等情況。出于經濟上的考慮，在隧道施工過程中，多數(shù)隧道采用鉆爆法進行開挖。而研究表明[1-7]，爆破開挖所引起的振動會對周邊建筑產生不利影響。通過理論初步分析，結合下穿敏感建筑的實時振動監(jiān)測，提出控制爆破振動的措施，以防止和減少對地表敏感建筑物的破壞，從而最有效地控制爆破振動的危害。

1工程概況

人山子隧道位于萊蕪市境內，隧道全長3 355 m。隧道開挖寬度10.86 m，開挖高度9.42 m，最大埋深150 m，淺埋段埋深4～10 m。線路穿越低山丘陵區(qū)，地形自然坡度為20°～40°，部分穿越山間凹地，地形起伏較大，地表多為林地。

隧道里程DK1073+200處地表一側為某地表建筑，該建筑與隧道平面關系如圖1所示。隧道結構與營房基礎高差約為40.8 m。

圖1　地表建筑與隧道平面位置關系

為確保該隧道的爆破開挖不影響地表建筑、敏感設施設備的安全，降低爆破振動危害效應，根據(jù)有關要求，必須采取控制爆破，并對爆破振動進行全過程監(jiān)測。

2施工現(xiàn)狀與地質概況

人山子進口施工掌子面里程為DK1072+802，出口施工掌子面里程為DK1073+423。該段落巖性為弱風化混合花崗巖及斜長片麻巖，節(jié)理較發(fā)育，巖體呈大塊狀結構；局部為小的斷層，結構松散，易坍塌，地下水發(fā)育，圍巖級別為Ⅱ級，原設計采用鉆爆法開挖。

注：1.周邊眼間距E=45 cm，抵抗線W=75 cm，底板眼間距為70 cm；2.陶槽眼采用二級復式楔形槽結構；3.圖中所示數(shù)字為起爆順序；4.孔內采用1～13段電毫秒雷管；5.掏槽眼采用1～5段復式網路聯(lián)結；6.孔外采用塑料導爆管復式網路聯(lián)結。圖2　上臺階光面爆破設計(單位：cm)

3控制爆破設計與爆破振動對部隊營房影響初步分析

3.1　控制爆破設計

影響爆破地震波破壞程度的因素主要有[4]：場地條件、振動頻率、振動速度、振動持時、爆破距建筑物的距離、建筑物受爆破振動的次數(shù)等。

根據(jù)以上影響因素，結合現(xiàn)場實際條件，對隧道監(jiān)控段落進行如下的開挖爆破設計。

(1)開挖工法

各種隧道施工工法爆破引起的振動速度相差較大，相比而言，全斷面法施工所需炸藥量最多，其爆破引起的振動速度也最大；臺階法消耗的炸藥量和引起的振動速度次之；下導洞超前后部擴大鉆爆法消耗的炸藥量最少，其引起的振動速度也最小。綜合考慮爆破振速的控制以及工期要求，爆破施工段開挖掘進采用兩臺階法施工，上臺階開挖每循環(huán)進尺2.0 m。

(2)爆破材料

結合現(xiàn)場實際條件，選用RJ-2防水乳化炸藥，標準藥卷直徑φ32～25 mm，爆速3 600 mm/s，雷管用非電位微差毫秒雷管1～25段，隔段使用，起爆用火雷管(8號工業(yè)雷管)，導火索120 m/s。

(3)爆破參數(shù)

上臺階：周邊眼間距為45 cm；輔助眼間距為90 cm；掏槽眼間距為橫向60～65 cm，豎向80 cm；底板眼間距為70 cm，最高段數(shù)為13段引爆。同時在周邊每循環(huán)增設32個臨空孔以降低爆破振動，爆破設計參數(shù)見表1，具體布置見圖2。

表1　上臺階爆破參數(shù)

注：1.掏槽眼為斜眼其余炮眼均為直眼；2.周邊眼采用φ25 mm小藥卷反向間隔裝藥，其他炮眼采用φ32 mm藥卷；3.預計爆破進尺2 m；4.爆破方量122.4 m3，炸藥單耗為0.76 kg/m3。

下臺階：周邊眼間距為45 cm；輔助眼間距為80 cm；掏槽眼間距為橫向90 cm，豎向50 cm；底板眼間距為70 cm，最高段數(shù)為7段引爆。同時在周邊每循環(huán)增設6個臨空孔以降低爆破振動，爆破設計參數(shù)見表2，具體布置見圖3。

(4)起爆次序

先起爆上臺階掏槽孔，接著起爆中間掘進孔，然后起爆二圈孔，預留光爆層，再起爆周邊光爆孔，以達到光爆效果，最后起爆底板孔。下臺階利用上臺階作為臨空面，炮孔方向沿隧道縱向布置，利用非電毫秒雷管先起爆中間掘進孔，然后起爆二圈孔。

表2　下臺階爆破參數(shù)

注：1.炮眼均為直眼；2.周邊眼采用φ25 mm小藥卷反向間隔裝藥，其他炮眼采用φ32 mm藥卷，藥卷孔底連續(xù)裝藥；3.預計爆破進尺2 m;4.爆破方量29 m3，炸藥單耗為0.76 kg/m3。

圖3　下臺階光面爆破設計(單位：cm)

3.2　爆破振動對地表建筑影響初步分析

《爆破安全規(guī)程》部分安全標準見表3。

表3　爆破振動安全允許標準(部分)[8]

言志信、王永和等人研究給出的安全標準建議值如表4所示。

表4　爆破地震安全振速限值建議標準值[1]

地方對施工方來函要求，爆破振動速度大于0.5 cm/s時，必須立即停止爆破施工。

結合以上情況，本工程在隧道爆破開挖過程中，選取質點振動速度作為安全判據(jù)，取安全允許質點振動速度為V≤0.5 cm/s。

采用薩道夫斯基公式進行初步計算分析

式中Q——齊爆藥量，取28.8 kg；

K、α——與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》取K=150，α=1.5；

V——保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s;

得到距地表建筑最近爆破點C點地振動質點最大速度：

V=0.23 cm/s<0.5 cm/s，滿足振速要求。

從而得出以下初步結論：距離地表建筑最近的C點采用上述爆破設計參數(shù)對隧道進行爆破開挖，對地表建筑設施等所產生的爆破振動影響，能滿足安全振速允許標準要求。

4隧道爆破現(xiàn)場監(jiān)測

4.1　監(jiān)測目的

由于前述所得到的結果僅為理論計算值，較為粗略，不能確切得到隧道爆破開挖對地表建筑、設施等的振動影響程度，因此需要進行地表爆破振動監(jiān)測試驗。振動試驗的目的包括：

(1)通過爆破振動監(jiān)測，獲取爆破振動沿各方向的振動衰減傳播規(guī)律，回歸計算爆破振動傳播公式，為確定爆破施工方案與爆破參數(shù)提供依據(jù)；

(2)通過爆破振動監(jiān)測，評價爆破施工方案和爆破參數(shù)的合理性，為控制與優(yōu)化爆破施工參數(shù)提供依據(jù)；

(3)通過爆破振動監(jiān)測，測定開挖爆破作業(yè)對地表建筑設施的振動影響程度，并根據(jù)相關規(guī)范及設計標準，對其安全性進行評估，并為控制或調整爆破參數(shù)提供依據(jù)。

4.2　測試內容

研究表明[9，10]，影響爆破地震安全的因子是多方面的，但是通過直接測取測點處的水平和垂直振動速度作為評判建筑設施結構安全與否的標準較為簡單有效。

4.3　測試儀器及測點布置4.3.1　測試儀器

本次爆破振動監(jiān)測工作采用TC-4850型爆破測振儀，現(xiàn)場共計使用4臺儀器進行監(jiān)測。

每臺測振儀有3個通道，本次測試配置1個三分量速度傳感器來測試3個不同方向的振速，其中X、Y方向為水平向，Z垂直向上。

4.3.2測點布置

影響爆破振動的主要因素是爆破最大一段裝藥量和爆心距。單響藥量越大，轉化為地震波的能量越多，爆破振動越強烈；距爆心的距離越遠，振動衰減越大，爆破振動越弱。另外，爆破地震效應受地質、地形等條件的影響也很大。因此，為了確保人山子隧道爆破過程中敏感建筑及精密設施設備等的安全，根據(jù)要求，在轄區(qū)內重要區(qū)域布置4個測點?，F(xiàn)場布置4個測點，見圖4。

圖4　測點平面布置示意

4.3.3監(jiān)測段落

根據(jù)地方要求，自A點至E點段落(圖1)范圍需進行控制爆破監(jiān)測。

4.4　監(jiān)測結果及數(shù)據(jù)回歸分析

4.4.1監(jiān)測結果

人山子隧道自2012年11月至2013年7月，爆破開挖段落里程為DK1072+802～DK1073+423，對上下臺階進行了多次爆破監(jiān)測，采集了大量的振速與主頻數(shù)據(jù)，鑒于篇幅，僅選取其中部分爆破波形圖與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

圖5～圖8為掌子面距離建筑物較近的段落(DK1073+200附近)爆破開挖時測取的振動曲線。圖9、圖10分別為測點1、測點2處的監(jiān)測數(shù)據(jù)散點圖。

圖5　測點1振動速度波形(R=372 m)

圖6　測點2振動速度波形(R=361.9 m)

圖7　測點3振動速度波形(R=466.6 m)

圖8　測點4振動速度波形(R=536.8 m)

圖9　測點1處爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖10　測點2處爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各個測點的垂直向(Z向)振速較大，而切向(X、Y向)相對較小，垂直向最大振速為0.169 cm/s，未超過0.2 cm/s。同時，各監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，對于同批次測量的測點振速從大到小排序依次為2點、1點、4點、3點，即隨著爆心距的增大，振速逐漸減小。

4.4.2數(shù)據(jù)回歸分析

根據(jù)爆破振動測試數(shù)據(jù)及裝藥量，采用薩道夫斯基公式對測試結果進行線性擬合回歸分析，采用回歸分析的數(shù)據(jù)詳見表5。

表5　擬合采用的實測數(shù)據(jù)

采用以上數(shù)據(jù)擬合得到K為114.4，α為1.63。即回歸公式為

通過上述公式可近似得到單次齊爆藥量Q與爆破距離R的關系

5安全評判

通過實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)距離部隊營房最近的C點爆破時，監(jiān)測點2豎向振動速度最大，達到0.169 cm/s，但仍在安全振速范圍內。上述監(jiān)測結果表明，對于監(jiān)測段落的控制爆破設計是合理的，能夠有效控制爆破開挖對營房設施的影響。

6結論

通過采取以上措施，結合地表監(jiān)測點振動的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化調整爆破設計參數(shù)，使得隧道爆破施工產生的爆破振動速度得到有效控制，確保了地表建筑設施的安全。

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Monitoring and Control of Vibration Impacts of Tunnel Excavation Blasting on Sensitive Surface Buildings

YANG Jia-bao

(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Beijing 100055， China)

Abstract：In order to control tunnel blasting vibration impacts on sensitive surface buildings， seismic effects generated by blasting need to be monitored and controlled. Based on the Renshangzi tunneling blasting design， this paper conducts preliminary analysis of tunnel blasting impacts with theoretical calculations and puts forward measures to control blasting vibration impacts， according to blasting surface particle velocity real-time monitoring and analysis， to ensure the safety of the sensitive surface facilities.

Key words：Railway tunnel; Excavation blasting; Seismic effect; Controlled blasting; Sensitive building; Vibration velocity

作者簡介：楊甲豹(1984—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于中南大學橋梁與隧道工程專業(yè)，工學碩士，E-mail:yjb425@163.com。

收稿日期：2015-05-15； 修回日期：2015-06-10

中圖分類號：U45

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.022

文章編號：1004-2954(2016)01-0102-05