李永闖，劉海泉，康松，宗英杰，安慶軍，王軍

(1.青島國(guó)信海天中心建設(shè)有限公司，山東 青島 266071； 2.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266033)

爆破振速自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵保護(hù)區(qū)的應(yīng)用

李永闖1*，劉海泉1，康松1，宗英杰1，安慶軍2，王軍2

(1.青島國(guó)信海天中心建設(shè)有限公司，山東 青島 266071； 2.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266033)

隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)探索的不斷發(fā)展，研究基坑爆破開(kāi)挖所產(chǎn)生的爆破振速對(duì)周邊環(huán)境及構(gòu)(建)筑物造成的影響，也可采用自動(dòng)化振速采集的方式。本文結(jié)合青島地鐵某線某區(qū)間隧道保護(hù)區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程，闡述爆破振速自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵保護(hù)區(qū)的應(yīng)用。在基坑項(xiàng)目影響范圍內(nèi)的地鐵隧道內(nèi)，按斷面布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采用WiFi無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算技術(shù)，配套相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和專用監(jiān)測(cè)軟件等，搭建整個(gè)爆破振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，由自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制中心數(shù)據(jù)處理分析，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線發(fā)布、管理及超限報(bào)警功能，為前期試爆階段調(diào)整爆破參數(shù)提供依據(jù)，為后期爆破對(duì)臨近的地鐵隧道的振動(dòng)影響，提供了分析依據(jù)。

爆破振速；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；裝藥量；地鐵保護(hù)區(qū)

1 引 言

近多年來(lái)，城市地鐵建設(shè)如火如荼地進(jìn)行，全國(guó)擁有地鐵的城市也在逐步增加，城市建設(shè)中，鄰近地鐵隧道的基坑爆破施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破振速，減少基坑爆破施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響，因此對(duì)于地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)爆破振速的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)探索的不斷發(fā)展，研究基坑爆破開(kāi)挖所產(chǎn)生的爆破振速對(duì)周邊環(huán)境及構(gòu)(建)筑物造成的影響，也可采用自動(dòng)化振速采集的方式。本文結(jié)合青島地鐵某線某區(qū)間隧道保護(hù)區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程，闡述爆破振速自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵保護(hù)區(qū)的應(yīng)用。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

青島市某基坑工程開(kāi)挖深度約 22 m～28 m，基坑周長(zhǎng)約 800 m。工程北側(cè)緊鄰地鐵某區(qū)間，其地下室外墻線與地鐵某區(qū)間右線距離 14 m～21 m；基底標(biāo)高約 -16.68 m；緊鄰的地鐵某區(qū)間隧道拱底標(biāo)高為 -20.5 m～-23 m，拱頂標(biāo)高為 -12 m～-16.9 m；基坑在施工過(guò)程中需用到爆破施工，可能引起地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形，從而影響地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)安全。地鐵隧道內(nèi)徑約 5.2 m，高 5.3 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告，工程場(chǎng)區(qū)第四系主要由全新統(tǒng)人工填土組成，局部見(jiàn)洪沖積層成因的黏性土及含黏性土粗礫砂，場(chǎng)區(qū)基巖主要由燕山晚期粗?；◢弾r及后期侵入的細(xì)?；◢弾r、花崗斑巖、煌斑巖脈組成，局部受構(gòu)造影響形成擠壓破碎帶。地鐵隧道拱頂標(biāo)高以上土層主要為素填土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶，圍巖基本質(zhì)量級(jí)別為V級(jí)。地鐵隧道拱頂標(biāo)高以下土層主要為微風(fēng)化巖層，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅱ級(jí)～Ⅲ級(jí)。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)本工程特點(diǎn)及地鐵公司的相關(guān)要求，在基坑項(xiàng)目影響范圍內(nèi)的地鐵隧道內(nèi)，每 20 m設(shè)置一個(gè)斷面，共設(shè)置13個(gè)斷面，每斷面布設(shè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)—TP3V-4.5三向振動(dòng)速度傳感器2點(diǎn)，一點(diǎn)選在靠近基坑側(cè)的側(cè)墻上，另一點(diǎn)選取在拱頂以下，向靠近基坑一側(cè)偏移，避開(kāi)施工單位的供電電路等設(shè)施的位置，如圖1、圖2所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需提供垂向、徑向及切向振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共計(jì)布設(shè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)26點(diǎn)，如圖3所示。

圖1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面圖 圖2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面影像

圖3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面示意圖

4 爆破自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

爆破振動(dòng)采集儀采用UBOX-6016型振動(dòng)測(cè)試儀和TP3V-4.5三向振動(dòng)速度傳感器，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采用WiFi無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算技術(shù)，配套相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和專用監(jiān)測(cè)軟件等，搭建整個(gè)爆破振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線發(fā)布、管理及超限報(bào)警功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，本系統(tǒng)是由振動(dòng)測(cè)試儀、兩臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)基站、WiFi中繼設(shè)備以及相應(yīng)的傳感器、光纖通訊設(shè)備等構(gòu)成。

本工程共設(shè)置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)13個(gè)斷面26點(diǎn)，每點(diǎn)均進(jìn)行X、Y、Z三向振動(dòng)速度的監(jiān)測(cè)，需安裝26臺(tái)動(dòng)測(cè)試儀和26個(gè)三向振動(dòng)速度傳感器，通過(guò)WiFi中繼設(shè)備等組成無(wú)線分布式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)分布式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)由一臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)基站統(tǒng)一管理，并通過(guò)光纖聯(lián)接豎井口外的另一臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)基站，該基站通過(guò) 3G/4G網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接TopCloud云端數(shù)據(jù)中心，將相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)備信息上傳到TopCloud供用戶查詢；同時(shí)，遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與TopCloud云端數(shù)據(jù)中心通信，完成遠(yuǎn)程讀數(shù)、參數(shù)設(shè)置等工作。

4.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

(1)振動(dòng)測(cè)試儀布置

本系統(tǒng)共配置了26臺(tái)UBOX-6016型振動(dòng)測(cè)試儀，裝在壁掛式儀器箱中，平均分布安放在隧道壁上。每臺(tái)聯(lián)接1個(gè)TP3V-4.5三向振動(dòng)速度傳感器。每個(gè)采集通道的采樣率可同時(shí)達(dá)到250 KSps，具有16 Bit的分辨率和8 M字節(jié)的板載緩存，完全滿足爆破測(cè)振的測(cè)試需求。

TP3V-4.5三向振動(dòng)速度傳感器是專用于爆破振動(dòng)測(cè)量的磁電式傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量垂向、徑向及切向的振動(dòng)速度，采用傳感器壁裝支架固定在隧道斷面測(cè)點(diǎn)上(高度2 m)，通過(guò)多芯信號(hào)線纜聯(lián)接至PCI-25016振動(dòng)信號(hào)測(cè)試儀的輸入通道。PCI-25016振動(dòng)信號(hào)測(cè)試儀如圖5所示。

圖5 PCI-25016振動(dòng)信號(hào)測(cè)試儀

UBOX-6016型振動(dòng)測(cè)試儀內(nèi)置無(wú)線WiFi功能，可無(wú)線傳輸振動(dòng)數(shù)據(jù)至隧道內(nèi)的ABOX5450無(wú)線數(shù)據(jù)基站，考慮到WiFi傳輸距離限制，本系統(tǒng)又配置了WiFi中繼設(shè)備，保證隧道內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)可靠傳輸。

測(cè)試時(shí)，TP3V-4.5三向振動(dòng)速度傳感器感應(yīng)到爆破振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)測(cè)試儀自動(dòng)觸發(fā)記錄。采集過(guò)程結(jié)束后，自動(dòng)通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至隧道內(nèi)的ABOX5450無(wú)線數(shù)據(jù)基站，再通過(guò)光纖傳輸?shù)截Q井口外的另一臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)基站，該基站通過(guò)3G/4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至TopCloud云端數(shù)據(jù)中心。建設(shè)單位可在現(xiàn)場(chǎng)隧道內(nèi)的ABOX5450無(wú)線數(shù)據(jù)基站上隨時(shí)查看各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)，也可在遠(yuǎn)程(如控制中心、辦公室、家中等)運(yùn)行客戶端軟件，通過(guò)用戶名、密碼訪問(wèn)云端服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看振動(dòng)數(shù)據(jù)，也可遠(yuǎn)程遙控現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試設(shè)備。

(2)無(wú)線數(shù)據(jù)基站布置

本系統(tǒng)共配置了兩臺(tái)ABOX5450無(wú)線數(shù)據(jù)基站，裝在壁掛式儀器箱中。其中一臺(tái)布置在隧道內(nèi)離豎井出口最近的監(jiān)測(cè)位置，用于接收隧道內(nèi)的三臺(tái)PCI-25016振動(dòng)信號(hào)測(cè)試儀的無(wú)線數(shù)據(jù)；另一臺(tái)布置在豎井出口外，用于通過(guò)3G/4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至TopCloud云端數(shù)據(jù)中心。

兩臺(tái)ABOX5450無(wú)線數(shù)據(jù)基站通過(guò)UT2601MM光纖轉(zhuǎn)換器及光纖線纜實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。UT2601MM光纖轉(zhuǎn)換器是100M-1光1電以太網(wǎng)交換機(jī)，配置1根 320 m的工程級(jí)多模光纖線纜，用于隧道內(nèi)與豎井出口兩臺(tái)ABOX5450無(wú)線數(shù)據(jù)基站之間的數(shù)據(jù)聯(lián)接及通訊轉(zhuǎn)換。

(3)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制中心數(shù)據(jù)處理分析

分析振動(dòng)信號(hào)的最大振速：軟件自動(dòng)計(jì)算振動(dòng)速度的最大值。

分析振動(dòng)信號(hào)的主振頻率：軟件對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT幅度譜分析，找出振幅最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值并自動(dòng)顯示。

V-ρ圖分析：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上計(jì)算出α值及k值，得到振速、裝藥量和距離比值之間的線性關(guān)系度，此圖越接近直線說(shuō)明測(cè)試的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。

振速預(yù)測(cè)：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上以圖形形式預(yù)測(cè)在不同的裝藥量和距離下，爆破沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)速度。

安全距離預(yù)測(cè)：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上以圖形的形式預(yù)測(cè)在確定的安全振速下不同的裝藥量要求的安全距離。

裝藥量預(yù)測(cè)：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上以圖形的形式預(yù)測(cè)在確定的安全振速和距離下的最大裝藥量。

遠(yuǎn)程控制中心數(shù)據(jù)顯示與查詢

顯示每個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)波形圖。

顯示每個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的最大振速和主振頻率。

顯示各個(gè)爆破測(cè)振儀的狀態(tài)(是否在線工作)。

查詢每個(gè)測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。

(4)控制及報(bào)警

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)置。

若測(cè)試分析結(jié)果超過(guò)警戒值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，控制警鈴及指示燈發(fā)出警報(bào)。

5 爆破參數(shù)的確定

巖石越硬，圍巖中引起的峰值振速越小，爆破地震波作用下其允許的峰值質(zhì)點(diǎn)振速也越大，《爆破安全規(guī)程》中關(guān)于爆破振速的要求，交通隧道允許振速為V<10 cm/s～20 cm/s，青島地鐵公司對(duì)地鐵保護(hù)區(qū)的安全爆破振速定為V<2 cm/s。因此本工程按照隧道允許振速V<2 cm/s控制。

爆破地震波最大振速絕大多數(shù)出現(xiàn)在垂直方向上，因此采用垂向振速代替三矢量振速，簡(jiǎn)化控制標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)使結(jié)果偏安全，是科學(xué)可行的。根據(jù)公式可預(yù)測(cè)指定藥量下各質(zhì)點(diǎn)的最大振速，或通過(guò)控制質(zhì)點(diǎn)振速反算可以采用的最大藥量，指導(dǎo)隧道的爆破設(shè)計(jì)與施工。

V=K(Q1/3/R)α

式中：

K—場(chǎng)地系數(shù)；

α—衰減系數(shù)；

Q—單段最大裝藥量，kg；

R—測(cè)點(diǎn)與爆破位置距離，m。

解區(qū)不同巖性的K、a值 表1

群藥包爆破，各藥包至保護(hù)目標(biāo)的距離差值超過(guò)平均距離的10%時(shí)，用等效距離R，和等效藥量q分別代替R和Q值。Rc和Qe的計(jì)算采用加權(quán)平均值法。

6 結(jié) 語(yǔ)

為了不影響地鐵正常的和運(yùn)營(yíng)，還要實(shí)現(xiàn)每炮必測(cè)的目標(biāo)，本工程采用了自動(dòng)化采集，自動(dòng)化傳輸，遠(yuǎn)程控制，無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)方式。作為一次爆破振速自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在青島地區(qū)的具有現(xiàn)實(shí)意義的首次工程實(shí)踐，能夠達(dá)到工程預(yù)期的目標(biāo)，能夠?yàn)橹笇?dǎo)爆破施工提供準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)支持，為前期試爆階段調(diào)整爆破參數(shù)提供依據(jù)，為后期爆破對(duì)臨近的地鐵隧道的振動(dòng)影響，提供了分析依據(jù)。很大程度上減少了人力的投入，為研究爆破振速在青島地區(qū)巖石地基中傳播規(guī)律提供了寶貴資料。

[1] GB6722-2003. 爆破安全規(guī)程[S].

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[6] Kusmaul.J.S.Anew constitutive Model for Frentation of Rock Under Dynamic Landing[J]. By Blasting，1987：450～470.

[7] 崔積宏. 隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)的數(shù)值模擬研究[D]. 濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2005.

Application of Automatic Monitoring of Blasting Vibration in Subway Protective Area

Li Yongchuang1，Liu Haiquan1，Kang Song1，Zong Yingjie1，An Qingjun2，Wang Jun2

(1.Qingdao Conson HaiTian Centre Co.，Ltd. Qingdao 266071，China； 2.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266000，China)

With the continuous development of the domestic automatic monitoring and exploration，to study the influence of the blasting vibration velocity caused by the foundation pit excavation on the surrounding environment and the structure. The Method of automatic vibration speed acquisition can also be used. Based on the automatic monitoring project of a certain interval tunnel of Qingdao Subway Protective Area，Application of automatic monitoring of blasting vibration velocity is described in the paper. The monitoring points are arranged according to the section for the metro tunnel affected in the excavation projects. The test site uses WiFi wireless communication technology to realize wireless transmission of data. Supporting the network equipment and special monitoring software，we build the whole blasting vibration monitoring platform based on the TCP/IP network and cloud computing technology. The centre data's analysis is controlled by the automatic monitoring to achieve the real-time online publishing of the measuring points' status and data. With the help of the measuring points' management and alarm function when it overruns，lots of evidences are provided for the advance test-blasting to adjust blasting parameters. It also provides basis of numerical analysis for the adjacent metro tunnel's vibration effects by the later explosion.

blasting vibration velocity；automatic monitoring；charge quantity；subway protective area

1672-8262(2017)02-155-04

P633.2,TU751.6

B

2016—11—16

李永闖(1980—)，男，工程師，主要從事大型城市綜合體工程項(xiàng)目的建設(shè)管理工作。