喬　雄,陳建勛,王夢(mèng)恕,王曉星

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 4.衢州市公路管理局,浙江 衢州 324000)

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某水工隧洞爆破震動(dòng)對(duì)周邊建筑物影響的試驗(yàn)分析①

喬雄1,2,陳建勛1,王夢(mèng)恕3,王曉星4

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 4.衢州市公路管理局,浙江 衢州 324000)

隧道開(kāi)挖時(shí)的爆破震動(dòng)對(duì)周邊建筑物安全影響很大,但目前對(duì)不同爆破參數(shù)、周邊建筑的距離與爆破開(kāi)挖之間關(guān)系的研究成果不多,實(shí)際工程中也難以把握。以寧夏固原市某水工隧道工程為依托,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法,對(duì)地表關(guān)鍵位置質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)頻率與振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)試和分析。結(jié)果表明:(1)經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)房屋主振頻率在10～60 Hz間,而一般房屋建筑的頻率均小于10 Hz,說(shuō)明此次試驗(yàn)中爆破震動(dòng)不能與房屋產(chǎn)生共振。(2)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并依據(jù)爆破震動(dòng)規(guī)范安全振速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判別,發(fā)現(xiàn)此次試驗(yàn)中土坯房的安全距離為160 m,一般磚房為60 m。研究結(jié)果可為隧道爆破的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù),為類(lèi)似隧道的爆破工程及解決由爆破引起的糾紛提供借鑒。

水工隧洞; 爆破震動(dòng); 爆破振速; 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

0　引言

由于圍巖的性質(zhì)一般不均一,故在隧道施工中很難選用隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)TBM(Tunnel boring machine)或者盾構(gòu)法,而較多采用鉆爆法施工。隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展,隧道經(jīng)常需要經(jīng)過(guò)工業(yè)或民用建筑附近區(qū)域。在隧道爆破開(kāi)挖的過(guò)程中,爆破產(chǎn)生的地震波對(duì)鄰近建筑的安全構(gòu)成了威脅,甚至產(chǎn)生破壞,常引發(fā)施工單位與居民間的糾紛。在隧道與鄰近建筑距離一定的情況下,如何確定爆破振動(dòng)的影響范圍,優(yōu)化爆破參數(shù)一直是隧道施工中一個(gè)重要研究課題。

截至目前,已有許多學(xué)者對(duì)隧道爆破進(jìn)行了研究。如1997年吳德倫等[1]對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究,比較了國(guó)內(nèi)外常用的安全振動(dòng)速度準(zhǔn)則,并結(jié)合重慶市地鐵施工爆破振動(dòng)效應(yīng)的測(cè)試結(jié)果,提出了關(guān)于爆破振動(dòng)安全速度規(guī)定的分類(lèi)建議值。婁建武[2]于2000年通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集分析及對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)象的觀測(cè),提出了適宜某場(chǎng)區(qū)普通民房結(jié)構(gòu)的容許振動(dòng)速度為V=2 cm/s。同年楊年華等[3]根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié),對(duì)傳感器的選型安裝、記錄儀和分析軟件的要求及輸出結(jié)果形式等各環(huán)節(jié)上存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討,并提出了有益的建議。2003年言志信等[4]通過(guò)研究爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果,將我國(guó)《爆破安全規(guī)程》與國(guó)外安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,從理論上闡明了爆破安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)將振速限值與振動(dòng)頻率相關(guān)聯(lián),并提出了改進(jìn)辦法和爆破地震安全振速建議標(biāo)準(zhǔn)。2011年高同偉[5]以青島膠州灣灣口海底隧道青島端接線工程為依托,以現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)為主要研究手段,應(yīng)用UBOX5016爆破振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)儀對(duì)膠州灣灣口海底隧道青島端接線工程云南路隧道沿線建筑物進(jìn)行了監(jiān)測(cè),首次提出藥距比系數(shù)的概念,并給出了該系數(shù)的計(jì)算公式,提出了劃分建筑物爆破振動(dòng)區(qū)域等級(jí)的新方法。陳中學(xué)等[6]于2012年對(duì)城萬(wàn)快速公路通道某隧道出口臨近建筑物爆破振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明:隧道臨近建筑的垂直振速大于徑向振速和切向振速,應(yīng)以監(jiān)測(cè)其垂直振速為主。同年余佳力[7]結(jié)合廈門(mén)機(jī)場(chǎng)路一期工程JC2、JC3標(biāo)段工程中隧道鄰近或穿越地表建筑物的實(shí)際,采用理論分析、施工監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,比較系統(tǒng)地研究了隧道施工對(duì)周邊建筑物的影響。

通過(guò)上述文獻(xiàn)分析可以看出,目前國(guó)內(nèi)研究主要集中在爆破速度對(duì)建筑物的影響方面,而對(duì)于測(cè)試方法及范圍判定方面的研究較少。本文以某水工隧道的爆破施工為例,探討爆破振動(dòng)對(duì)臨近建筑物的影響范圍。

1　依托工程概況

1.1工程概況

圖1　隧道襯砌結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure of tunnel lining

1.2施工方法

依托隧洞的圍巖級(jí)別主要為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí),采用全斷面光面爆破法施工,開(kāi)挖時(shí)預(yù)留變形量,其噴錨支護(hù)段按10 cm控制,管棚支護(hù)段按15 cm控制。Ⅳ級(jí)圍巖每循環(huán)進(jìn)尺1.2～1.8 m,Ⅴ級(jí)圍巖每循環(huán)進(jìn)尺0.8～1.2 m。

爆破材料選擇二號(hào)巖石乳化炸藥(?32～200 g,爆速≥3 600 m/s),毫秒導(dǎo)爆雷管(1～7段,導(dǎo)爆管長(zhǎng)5.0 m),開(kāi)挖斷面寬3.3 m、高3.57 m,斷面面積為9.85 m2,設(shè)計(jì)進(jìn)尺2.0 m,設(shè)計(jì)爆破方量19.7 m3,炸藥單耗1.15 kg/m3。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,實(shí)際單孔裝藥量為1 kg,分3段爆破,單段最大起爆藥量為8 kg,總裝藥量為24 kg。實(shí)際圍巖鉆爆圖如圖2所示。

圖2　爆破布孔圖(單位:cm)Fig.2　The drilling layout of actual blasting (Unit:cm)

2　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

2.1測(cè)點(diǎn)布置

在依托隧道樁號(hào)為K19+357處爆破時(shí)對(duì)地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度及振動(dòng)頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。為較準(zhǔn)確地獲得沿隧道軸線方向上振動(dòng)速度的傳播規(guī)律,在布設(shè)測(cè)線時(shí)盡量避開(kāi)障礙物,并進(jìn)行多次平行試驗(yàn)測(cè)試,以取其平均值。為此共布設(shè)了3條測(cè)線,每條側(cè)線上5個(gè)測(cè)點(diǎn),共15個(gè)測(cè)點(diǎn),分3個(gè)炮次進(jìn)行測(cè)試(圖3)。

圖3　測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.3　Survey line and point layout

2.2測(cè)試儀器與測(cè)試方法

(1)萊卡TPS802全站儀

為準(zhǔn)確測(cè)定測(cè)點(diǎn)與爆源的位置關(guān)系,使用萊卡TPS802全站儀,利用大地坐標(biāo)系,對(duì)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)定。

(2)爆破測(cè)試系統(tǒng)

選擇爆破振動(dòng)速度觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,預(yù)估被測(cè)信號(hào)的幅值范圍和頻率分布范圍,選擇的觀測(cè)系統(tǒng)幅值范圍上限應(yīng)高于被測(cè)信號(hào)幅值上限的20%,頻率響應(yīng)范圍應(yīng)包含被測(cè)信號(hào)的頻率分布范圍。依據(jù)這個(gè)原則選擇的觀測(cè)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)削波、平臺(tái)等情況。本次爆破振動(dòng)試驗(yàn)的觀測(cè)系統(tǒng)由TCS-B3型三向振動(dòng)速度型傳感器、低噪聲屏蔽電纜、TC-4850爆破振動(dòng)記錄儀和計(jì)算機(jī)組成(圖4)。

圖4　TC-4850爆破測(cè)振系統(tǒng)Fig.4　TC-4850 vibrometer system

測(cè)試時(shí),先用全站儀測(cè)定埋設(shè)傳感器的點(diǎn)位,點(diǎn)位的布設(shè)沿爆源的半徑,并依據(jù)對(duì)數(shù)原理,即10、20、40、80及160 m。后因現(xiàn)場(chǎng)需要,在200 m處亦設(shè)了測(cè)點(diǎn)。因測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)地表為馬蘭黃土,較松軟,為充分與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境擬合,對(duì)傳感器采用坑埋的方法布設(shè),即挖一比傳感器稍大的正方形土坑,深15 cm,將傳感器Z面朝上,主軸背離爆源點(diǎn)埋入,并覆土壓實(shí)。

3　測(cè)試結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)三個(gè)炮次的測(cè)試,獲得了三條測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度及振動(dòng)頻率,分列如下。

測(cè)線1上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如表1所列。典型爆破振動(dòng)效應(yīng)波形如圖5(a)所示。

測(cè)線2上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如表2所列。典型爆破振動(dòng)效應(yīng)波形如圖5(b)所示。

測(cè)線3上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如表3所列。典型爆破振動(dòng)效應(yīng)波形如圖5(c)所示。

表1　測(cè)線1上測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)效應(yīng)

圖5　通道Z方向的爆破振動(dòng)效應(yīng)波形圖 (距爆源20 m)Fig.5　Blast vibration waveform in Z direction (20 m from the explosion source)

表2　測(cè)線2上測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)效應(yīng)

由表1～3中可以看出,Z通道的振速最大,表明隧道臨近建筑的垂直振速大于徑向振速和切向振速,故應(yīng)以監(jiān)測(cè)其垂直振速為主。爆破地震波主頻率最小值為13.163 Hz,最大值為64.516 Hz,其主頻率在10～60 Hz范圍內(nèi)變化。根據(jù)我國(guó)一些建筑物的固有頻率的實(shí)測(cè)資料[9-10]知,一般建筑物的固有頻率都在10 Hz以下。此次爆破的主振頻率都大于10 Hz,可見(jiàn)建筑物對(duì)此次爆破地震波的響應(yīng)較弱,破壞性相對(duì)較小,但波速較高,應(yīng)從波速角度綜合評(píng)價(jià)。

表3　測(cè)線三上測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)效應(yīng)

由圖5可以看出,爆破明顯分為三段,第一段的波速峰值較高,第二段和第三段波速峰值較低。這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝藥與爆破情況相符,驗(yàn)證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

為求得爆破震動(dòng)的范圍,按照薩道夫斯基[8]公式進(jìn)行回歸,求得K、α值。

(1)

式中:R為爆破振動(dòng)安全允許距離,單位為m;Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時(shí)爆破為最大一段藥量,單位為(kg);V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度,單位為(cm/s);K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),可按規(guī)范選取,或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

在測(cè)線1上,距離爆源10 m處的測(cè)點(diǎn)振速較為離散,故采用TC-4850測(cè)試系統(tǒng)自帶的回歸功能對(duì)剩余4個(gè)點(diǎn)的振速進(jìn)行回歸,回歸界面如圖6所示。

由表4可以看出,測(cè)線3所得的K和α值與測(cè)線1、2所得值偏離較大,故舍棄,取測(cè)線1、2所得的K和α值的平均值作為最終值。即爆破振動(dòng)安全允許距離的計(jì)算式為:

圖6　薩道夫斯基公式回歸Fig.6　Sadov's regression formula

表4　回歸所得K和α

(2)

(3)

由此可以推算出藥量與安全距離的關(guān)系如表5所列。

表5　振速、藥量與安全距離的關(guān)系

由《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)可知,主頻為10～60 Hz時(shí)一般磚房控制安全振速為2.3～2.8 cm/s,土坯房為0.7～1.2 cm/s;由表5可知,此次監(jiān)測(cè)過(guò)程中土坯房的安全距離為160 m,一般磚房的安全距離為60 m。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)依托隧道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,給出了測(cè)試方法,測(cè)定了影響范圍,可為類(lèi)似工程提供借鑒與參考?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明:

(1)隧道臨近建筑的垂直振速大于徑向振速和切向振速,應(yīng)以監(jiān)測(cè)其垂直振速為主。

(2)測(cè)試所得主振頻率為10～60 Hz,而一般房屋建筑的頻率均小于10 Hz,說(shuō)明爆破震動(dòng)不能與房屋產(chǎn)生共振。

(3)依據(jù)爆破震動(dòng)規(guī)范的安全振速標(biāo)準(zhǔn),此次測(cè)試土坯房的安全距離為160 m,一般磚房的安全距離為60 m。

研究結(jié)果可為隧道爆破的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù),為類(lèi)似隧道的爆破工程及解決由爆破引起的糾紛提供借鑒。

References)

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Experimental Analysis of Influence of Blasting Vibration in a Hydraulic Tunnel on Surrounding Buildings

QIAO Xiong1,2,CHEN Jian-xun1,WANG Meng-shu3,WANG Xiao-xing4

(1.School of Highway,Chang an University,Xi an 710064,Shaanxi,China;2.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu,China;3.School of Civil Engineering and Architecture,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;4.Quzhou City Highway Administration,Quzhou 324000,Zhejiang,China)

Buildings adjacent to a site are considerably influenced by blasting vibrations.However,limited research has been conducted in this respect.In this paper,therefore,a hydraulic tunnel project in Guyuan city,Ningxia province,is selected as the research site and particle blasting vibration frequency and vibration velocity are tested and analyzed using in-situ tests.Results show that the tested domain frequency of buildings is between 10～60 Hz,which is different from general housing construction with a 10 Hz domain frequency and thus shows that blasting vibrations do not cause resonance in the buildings tested.In addition,according to safe speed standards in blasting vibration specifications,a safe distance for adobe houses is 160 m and that of general brick houses is 60 m.These results provide a theoretical basis for tunnel blasting design and construction,and can also be used as a reference when resolving disputes caused by blasting in similar projects.

hydraulic tunnel; blasting vibration; blasting vibration velocity; in-situ test

2015-08-04

長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃項(xiàng)目(T2014214);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278063);陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(2014KCT-29);陜西省交通廳建設(shè)科技項(xiàng)目(13-14K);交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(2010 353 361 310)

喬雄(1980-)，男(漢族)，博士研究生，講師，主要從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:qiaoxionglut@163.com。

U451

A

1000-0844(2016)04-0504-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0504