雷 剛 馬全武 孫吉晨 胡新濤 祝建業(yè)

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，310058，杭州;2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，100037，北京;3.青島地鐵集團(tuán)有限公司，266101，青島;4.青島市地鐵四號(hào)線有限公司，266101，青島∥第一作者，正高級(jí)工程師)

隨著地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展，鉆爆法施工以其型式靈活、施工便捷、造價(jià)低廉的突出優(yōu)勢(shì)，在很多以巖石地質(zhì)為主的城市地鐵工程中得到大量應(yīng)用，如重慶、青島、大連、廈門等地［1-4］。城市地鐵鉆爆開(kāi)挖受周邊建筑物、管線等因素影響較大，老舊城區(qū)建筑、管線已使用較長(zhǎng)年限，對(duì)爆破振動(dòng)速度敏感，因此，城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境的地鐵建設(shè)中，了解并掌握爆破振動(dòng)衰減規(guī)律、控制爆破振動(dòng)速度、減輕對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，成為礦山法施工的重難點(diǎn)。

目前，針對(duì)工程爆破及其減振措施方面的研究日趨成熟。文獻(xiàn)［5］采用多段定制非電雷管，通過(guò)確定微差爆破間隔時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)控制爆破;文獻(xiàn)［6］采用多級(jí)楔形掏槽、分部爆破及孔內(nèi)外延時(shí)來(lái)控制爆破振動(dòng)速度;文獻(xiàn)［7］研究隧道爆破近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)傳播差異，重點(diǎn)分析了爆破近區(qū)爆破振動(dòng)的測(cè)試方法及規(guī)律。

結(jié)合青島地鐵3號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“3號(hào)線”)工程，通過(guò)對(duì)該線路試驗(yàn)段橫通道爆破振動(dòng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，研究了硬巖地層淺埋隧道爆破振動(dòng)衰減規(guī)律;對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并得到其衰減規(guī)律擬合公式，預(yù)測(cè)并驗(yàn)證最大單響藥量，提出爆破振動(dòng)控制措施。

1 工程概況

3號(hào)線保爾站—河西站區(qū)間隧道為全線試驗(yàn)段工程，設(shè)計(jì)里程為K14+500—K15+995，全長(zhǎng)約1 495 m。區(qū)間采用礦山法施工。爆破測(cè)試地點(diǎn)位于豎井橫通道，里程為HK15+200—HK15+225。其西側(cè)緊鄰河西小學(xué)，東側(cè)為居民區(qū)，道路兩側(cè)建筑物密集，建筑物基礎(chǔ)底距橫通道拱頂?shù)拇怪本嚯x僅為7～12 m。橫通道上覆的第四系土層不發(fā)育，洞身位于中微風(fēng)化花崗巖中，圍巖級(jí)別為Ⅱ—Ⅵ級(jí)。該區(qū)段建筑物距離隧道較近，對(duì)爆破振動(dòng)控制要求更嚴(yán)格。根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的要求，爆破振動(dòng)速度控制在1.5 cm/s以內(nèi)方可滿足允許振動(dòng)速度。

2 試驗(yàn)段橫通道爆破設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)段橫通道采用臺(tái)階法開(kāi)挖，上下臺(tái)階間隔為5～10 m。為降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，掏槽眼布置在上臺(tái)階底部，增加掏槽部分到地表的距離，采用雙楔型斜眼掏槽，掏槽區(qū)域設(shè)有空孔，增加巖石碎脹空間和自由面;周邊孔采用密集減振孔，隔孔裝藥選用毫秒延時(shí)起爆以控制爆破振動(dòng)影響。炮眼布置圖如圖1所示。

圖1 橫通道炮眼布置圖Fig.1 Layout of cross channel gun hole

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

3.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

為研究隧道爆破施工引起的地表振動(dòng)衰減規(guī)律，在沿隧道掘進(jìn)方向的地表設(shè)置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，分析不同爆心距離時(shí)的地表振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率等規(guī)律。地表爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 地表爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.2 Layout of surface blasting vibration monitoring points

實(shí)際工程中，不同爆破次數(shù)時(shí)藥量、炮眼布置等因素均不能保證完全一致，這必然會(huì)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析造成影響。為綜合考慮變量影響，將爆心距轉(zhuǎn)化為比例距離處理［8］。比例距離R0定義如下:

式中:

R——爆心距;

Q——一次爆破時(shí)，Q為總藥量，延時(shí)爆破時(shí)，Q為各單段對(duì)應(yīng)的藥量。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 爆破振動(dòng)速度實(shí)測(cè)分析

結(jié)合施工實(shí)際，典型測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 典型測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of vibration velocity in Z direction of typical blasting measuring points

由圖3得到如下規(guī)律:

1)爆破振動(dòng)波隨傳播距離的增加而衰減。爆破振動(dòng)波由起爆點(diǎn)傳播到無(wú)限遠(yuǎn)處的過(guò)程中，其能量不斷消耗直至消失。

2)不同段位起爆方式上掏槽眼爆破振動(dòng)速度最大，且最大振動(dòng)速度的出現(xiàn)時(shí)間與掏槽眼起爆時(shí)間基本吻合。由此推斷，不同段位起爆方式上掏槽眼爆破產(chǎn)生的振動(dòng)最大，主要是因?yàn)樘筒垩燮鸨瑫r(shí)只有掌子面后方存在一個(gè)臨空面，圍巖“夾制”作用最為強(qiáng)烈，起爆過(guò)程中振動(dòng)波能量向巖體內(nèi)部傳播，造成圍巖強(qiáng)烈振動(dòng)。

3)采用分段起爆可以很好地控制爆破總能量的分布形式，從而減小振動(dòng)。圖3中各段位爆破能量未相互疊加，由此可見(jiàn)，分段裝藥起爆有效地削減了橫通道斷面整體爆破能量。

4)根據(jù)橫通道現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果，爆破振動(dòng)速度峰值均未超過(guò)規(guī)范要求的1.5 cm/s，說(shuō)明該橫通道爆破設(shè)計(jì)方案安全有效，滿足爆破設(shè)計(jì)及規(guī)范安全要求。

3.2.2 爆破振動(dòng)速度回歸分析

隧道工程中常利用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)速度及估計(jì)最大藥量。我國(guó)將薩道夫斯基公式編入GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》。薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中:

V——振動(dòng)速度峰值;

K、α——分別為與傳播介質(zhì)、起爆方式等因素相關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，按照式(1)計(jì)算各組數(shù)據(jù)的比例距離，對(duì)橫通道上下臺(tái)階及整體斷面的爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，繪制豎向振動(dòng)速度峰值隨比例距離的衰減曲線，如圖4所示。

采用最小二乘法做回歸分析，得到相應(yīng)的回歸值K、α，以及線性相關(guān)系數(shù)γ。回歸值及線性相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 橫通道爆破數(shù)據(jù)回歸值及線性相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of regression value and linear correlation coefficient of cross channel blasting data

由圖4可知，V隨R的增加基本呈指數(shù)衰減的趨勢(shì)。K、α中，上臺(tái)階爆破數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，下臺(tái)階爆破和整體爆破數(shù)據(jù)相關(guān)性較低。究其主要原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)爆破條件和爆破方式參差不齊，上臺(tái)階爆破發(fā)生在拱架架立及噴射混凝土之后，斷面輪廓清晰;而下臺(tái)階補(bǔ)炮等情況時(shí)有發(fā)生，下臺(tái)階爆破受到的影響因素更多，故其爆破數(shù)據(jù)相關(guān)性較低。

圖4 橫通道上、下臺(tái)階爆破豎向峰值振動(dòng)速度衰減規(guī)律回歸分析圖Fig.4 Attenuation law regression analysis of peak vibration velocity in cross channel Z direction

選取相關(guān)性最高的上臺(tái)階爆破數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行回歸分析計(jì)算后所得的K、α值作為表征該隧道圍巖振動(dòng)特性的系數(shù)。由式(2)擬合出的冪函數(shù)為:

依據(jù)式(3)可以實(shí)時(shí)對(duì)爆破安全距離及最大單響藥量進(jìn)行合理調(diào)整。

3.2.3 回歸公式驗(yàn)證及最大單響藥量預(yù)測(cè)

為了驗(yàn)證由薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式回歸擬合的隧道爆破地表振動(dòng)衰減規(guī)律的準(zhǔn)確性，將橫通道掌子面里程HK15+221處上臺(tái)階爆破地表振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與式(3)所預(yù)測(cè)的地表爆破振動(dòng)速度峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，橫通道掌子面HK15+221處上臺(tái)階測(cè)點(diǎn)爆心距為12 m、18 m及25 m時(shí)，地表振動(dòng)速度峰值現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與式(3)擬合值的相對(duì)誤差分別為6.1%、9.7%及12.8%。由此可知，經(jīng)擬合的振動(dòng)衰減冪函數(shù)對(duì)爆破振動(dòng)速度的預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確。本次爆破振動(dòng)速度的上限值為1.5 cm/s，依據(jù)式(3)可以預(yù)測(cè)爆破施工最大單響藥量為38.32 kg。

表2 橫通爆破振動(dòng)速度峰值實(shí)測(cè)值與回歸預(yù)測(cè)值對(duì)比Tab.2 Comparison of measured value and regression prediction value of vibration velocity peak value in cross blasting

3.2.4 爆破振動(dòng)頻譜分析

實(shí)際工程中爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波頻率對(duì)在建隧道及周邊建筑物也有較大影響。當(dāng)爆破振動(dòng)波主頻頻率與建(構(gòu))筑物自振頻率接近或者一致時(shí)，爆破振動(dòng)波與地表建(構(gòu))筑物發(fā)生共振作用，導(dǎo)致建(構(gòu))筑物振動(dòng)加劇，極易造成破壞。爆破振動(dòng)主頻分布如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，硬質(zhì)巖層淺埋隧道爆破振動(dòng)3個(gè)方向主頻分布廣泛，占比約90%的主頻集中于20～70 Hz頻帶之內(nèi)。由于在建隧道結(jié)構(gòu)及周邊建筑物的自振頻率均較小，當(dāng)建(構(gòu))筑物自振頻率位于20～70 Hz頻帶之內(nèi)時(shí)，爆破振動(dòng)波對(duì)其影響尤其強(qiáng)烈。為避免或減小爆破振動(dòng)波與建(構(gòu))筑物產(chǎn)生共振現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)避免多段雷管同時(shí)起爆，嚴(yán)格控制最大單響藥量，并采取必要措施對(duì)建(構(gòu))筑物進(jìn)行加固。

4 結(jié)論

1)淺埋硬巖隧道爆破振動(dòng)波傳遞到地表各個(gè)方向中的豎向振動(dòng)速度最大，振動(dòng)速度隨傳播距離的增加而逐漸衰減，其中最大振動(dòng)速度隨比例距離呈指數(shù)形式衰減。

2)對(duì)于硬質(zhì)圍巖，爆破振動(dòng)波傳遞速度較快，對(duì)振動(dòng)速度削減作用較弱。當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)，爆破振動(dòng)對(duì)地面建(構(gòu))筑物影響強(qiáng)烈，采用分段起爆方式可以很好地控制爆破振動(dòng)波能量分布，其中由于掏槽眼爆破時(shí)臨空面少，受到圍巖夾制作用最強(qiáng)，因此掏槽眼在所有起爆段位中振動(dòng)最強(qiáng)烈。在設(shè)計(jì)爆破減振方案時(shí)，增加臨空面和隔振帶、采用延時(shí)分段起爆等措施可以有效降低爆破振動(dòng)影響。

4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析得知，主頻大小與爆心距、最大單響藥量等參數(shù)無(wú)法形成相關(guān)關(guān)系，各個(gè)方向爆破振動(dòng)主頻主要集中在20～70 Hz，使得橫通道易與自振頻率為低頻的在建隧道結(jié)構(gòu)及周邊建筑物發(fā)生共振，因此爆破時(shí)應(yīng)盡量減少多段雷管同時(shí)起爆，同時(shí)嚴(yán)格控制最大單響藥量，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。