伍 岳，賈永勝，黃小武，劉昌邦，周祥磊，徐華建,劉 芳

(1.江漢大學(xué) 省部共建精細爆破國家重點實驗室,武漢 430056；2.武漢爆破有限公司，武漢 430056；3.中鋼集團 武漢安全環(huán)保研究院有限公司，武漢 430081)

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的隧道工程越來越多，隧道掘進爆破往往會影響民房、滑坡、燃氣管道、高壓輸電鐵塔等振動敏感保護性目標。當隧道下穿或鄰近高壓輸電鐵塔時，爆破振動會造成地表的高壓輸電鐵塔塔基下沉或傾斜的風(fēng)險，甚至?xí)?dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，給安全生產(chǎn)和正常生活帶來重大威脅。為此，隧道爆破掘進作業(yè)必須重點考慮爆炸振動對臨近高壓輸電鐵塔的影響?！侗瓢踩?guī)程》(GB6722—2014)[1]規(guī)定了工業(yè)和商業(yè)建(構(gòu))筑物的安全允許質(zhì)點振速的范圍為3.5～4.5 cm/s，但沒有明確指定電力設(shè)施。我國《電力設(shè)施保護條例》及各省市關(guān)于電力設(shè)施保護條例，如表1所示。

表 1 電力設(shè)施保護條例關(guān)于爆破作業(yè)的規(guī)定

由此可見，關(guān)于高壓輸電鐵塔的爆破振動控制標準，尚沒有相關(guān)標準規(guī)范予以準確描述。我國大多數(shù)省份的電力設(shè)施保護條例要求電力設(shè)施周圍500 m區(qū)域內(nèi)進行爆破作業(yè)，必須經(jīng)縣級以上人民政府電力行政主管部門批準，并采取安全防護措施；個別省份對電力設(shè)施周邊的爆破作業(yè)要求更加嚴格。這些法規(guī)條例很大程度上限制了爆破技術(shù)的應(yīng)用范圍，也增加了爆破作業(yè)行政審批的難度。

針對工程爆破對周邊高壓輸電鐵塔等建(構(gòu))筑物的影響問題。一方面，有關(guān)學(xué)者以鐵塔為研究對象，分析了其在爆破振動作用下的動力響應(yīng)特征，并評估其安全穩(wěn)定狀態(tài)。張鵬研究發(fā)現(xiàn)在爆心距為50～60 m時[2]，隧道的爆破振動已經(jīng)對鐵塔影響很小，建議采用50 m作為分界線來調(diào)整爆破方案。肖欣欣等利用FLAC3D軟件對隧道附近高壓輸電鐵塔受到爆破振動影響情況進行數(shù)值分析[3]，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比，得出振速與測點距隧道開挖中線的距離呈負相關(guān)。樊浩博[4]、曲勰等采用數(shù)值模擬和有限元分析[5]，研究了隧道掘進爆破對臨近高壓鐵塔的振動影響，為實際工程安全施工提供了理論依據(jù)。另一方面，更多學(xué)者從隧道爆破技術(shù)出發(fā)，通過爆破振動監(jiān)測優(yōu)化爆破參數(shù)和爆破網(wǎng)路，實現(xiàn)主動降振[6,7]。K Iwano等研究了電子雷管延期時間對隧道爆破振動波疊加效應(yīng)的影響[8]，確定最佳的爆破網(wǎng)絡(luò)延期間隔時間，降低了地表爆破振動效應(yīng)。Xiaoxu Tian等對某隧道爆破振動數(shù)據(jù)進行頻譜、小波包分析[9]，研究不同區(qū)域振動頻率和能量的變化特征，并提出爆破減振方案，將隧道周邊建筑物的質(zhì)點振動速度控制在1.12 cm/s以內(nèi)。

如何實現(xiàn)基于臨近高壓鐵塔安全保護的隧道爆破振動主動控制，以及研究鐵塔在爆破振動作用下的動力響應(yīng)特性，對豐富爆破工程理論和擴大爆破工程應(yīng)用范圍具有重要意義。本文結(jié)合某下穿高壓鐵塔高速公路隧道爆破工程，通過合理的爆破設(shè)計，進行現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，探討了臨近高壓輸電鐵塔在隧道鉆爆開挖施工中的振動響應(yīng)規(guī)律，并提出了降低爆破振動的措施，確保了高壓鐵塔的安全運營，可為類似隧道工程提供參考。

1 工程概況

重慶市某高速公路工程，設(shè)計行車速度80 km/h，分離式、小凈距隧道段采用單心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，拱部采用R=555 cm單心圓，邊墻采用R=850 cm圓弧，仰拱采用R=1500 cm圓弧，仰拱與邊墻間采用R=120 cm小半徑圓弧連接，總高8.65 m，內(nèi)輪廓開挖斷面寬度11.84 m，開挖斷面面積約101 m2。該工程二標段中的黃石隧道單線長度2505 m，隧道縱坡為下坡，縱坡坡度為-1.07%，平面呈弧線形展線，最大埋深約279 m。

黃石隧道右線出口左側(cè)斜坡面上，距洞口180 m左右、距離隧道中線約51 m處有一座220 kV高壓線鐵塔，塔高40 m。鐵塔基礎(chǔ)為混凝土基礎(chǔ)，與隧道拱頂垂直凈距為78 m，隧道開挖邊線距塔基最小水平距離約45 m。鐵塔地面高程為118.8 m，隧道地面高程為40.8 m，兩者直線距離最小值約90 m。隧道線位與高壓線鐵塔相對位置關(guān)系如圖1所示。

1.1 地質(zhì)巖性

黃石隧道沿線區(qū)域Ⅳ級圍巖占比約90%，以粉砂質(zhì)泥巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎多呈碎石狀碎裂結(jié)構(gòu)，完整性系數(shù)為0.63～0.64；巖體富水性弱，圍巖的穩(wěn)定性相對較好。其余Ⅴ級圍巖段以粉質(zhì)粘土及粉砂質(zhì)泥巖為主，巖土體富水性弱；泥巖呈碎塊狀松散結(jié)構(gòu)，受風(fēng)化作用影響相對較重，裂隙較發(fā)育，故穩(wěn)定性差。隧道出口鐵塔下方隧道洞身段主要為Ⅳ級圍巖，巖體較完整。

圖 1 高壓鐵塔位置示意圖(單位：m)Fig. 1 Diagram of high-voltage tower position(unit:m)

1.2 隧道爆破設(shè)計

黃石隧道左右線均從隧道出口同向掘進，先開挖左線隧道，再開挖右線隧道，以減小對鐵塔的振動影響。由于隧道洞口上方有鄉(xiāng)村水泥公路，對洞口以機械開挖掘進20 m范圍后，遇堅硬巖石段，輔以三臺階法松動爆破掘進，循環(huán)進尺設(shè)置為2.0 m。掘進至50 m深度后的Ⅳ級圍巖段，改用上下臺階法爆破掘進，循環(huán)進尺設(shè)置為3.0 m。

1.2.1 炮孔布置

隧道掘進爆破炮孔直徑為40 mm，周邊眼鉆孔垂直深度3.3 m，上下臺階法炮孔布置如圖2所示。掏槽孔采用單式楔形掏槽，布置在上臺階掌子面中央及偏下的位置，共設(shè)置12個掏槽眼，掏槽孔深度4.8 m。周邊孔孔口距離開挖邊界線10 cm，鉆孔時略向外傾斜，孔底在同一平面處；輔助孔從掏槽孔向四周均勻布置。

圖 2 炮孔布置圖(單位：cm)Fig. 2 The hole layout diagram(unit:cm)

1.2.2 裝藥形式

藥卷采用直徑為32 mm的乳化炸藥，掏槽孔、輔助孔采用連續(xù)裝藥，周邊孔采用不連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)形式，孔內(nèi)采用反向起爆方式。

1.2.3 起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)延時毫秒微差非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，孔外采用瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管點火起爆?？變?nèi)采用MS1～MS15毫秒雷管起爆，跳段使用。起爆網(wǎng)路如圖2所示。

隧道Ⅳ級圍巖斷面上下臺階爆破參數(shù)如表2所示。上臺階合計91個炮孔，總裝藥量144 kg，炸藥單耗約0.8 kg/m3。下臺階采用左右錯進方式爆破掘進，單次爆破實際總裝藥量減半。

表 2 Ⅳ級圍巖臺階法開挖爆破參數(shù)表

2 爆破振動監(jiān)測與分析

2.1 測點布置

為了保障地表高壓輸電鐵塔的安全，在每次進行右線隧道上臺階掌子面爆破作業(yè)時，對鐵塔進行振動監(jiān)測。在鐵塔塔基上表面布置1個振動監(jiān)測點，現(xiàn)場監(jiān)測示意圖如圖3所示。監(jiān)測儀器為加拿大Instantel公司生產(chǎn)的Micromate便攜式爆破振動監(jiān)測儀，采集精度高，可滿足本工程監(jiān)測需求。

圖 3 鐵塔基礎(chǔ)監(jiān)測點布置圖Fig. 3 Layout diagram of monitoring points for tower foundation

2.2 振動數(shù)據(jù)分析

為了保證采集到的振動信號的有效性和振動波形的完整性，設(shè)置的觸發(fā)電平為0.5 mm/s，采樣頻率4096 sps，監(jiān)測周期3 s，延時設(shè)置為-0.5 s。在隧道右洞上臺階爆破開挖掌子面達到離高壓鐵塔直線距離最近的位置前，總共進行了25次振動監(jiān)測，去除2組誤差較大的數(shù)據(jù)，余下的23組振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表 3 上臺階爆破鐵塔測點振動速度及主頻

采集得到的振動主頻f共69個數(shù)據(jù)，分布情況見表4。可見，該隧道右線爆破作業(yè)時上部高壓鐵塔塔基的振動主頻f主要分布在10～50 Hz范圍內(nèi)；同時，各組數(shù)據(jù)不同方向的振動主頻存在一定的差異，總體上豎直方向的振動主頻大于水平方向的振動主頻，豎向振動主頻在26.5～73.1 Hz之間；各方向振動主頻與爆心距沒有明顯的線性關(guān)系，這主要與不同圍巖段巖性、結(jié)構(gòu)面裂隙等因素有關(guān)。

表 4 振動主頻分布情況

分析表2中最大單響藥量25.2 kg工況下各組振速峰值數(shù)據(jù)，結(jié)合圖6，可以得到：隨著隧道掌子面的不斷掘進，爆源到高壓鐵塔塔基的直線距離(爆心距)不斷減小，塔基處測點豎直方向的振速峰值和振動合速度均呈增大趨勢，變化趨勢呈非線性，水平方向振速峰值隨爆心距變化趨勢不明顯；同時，豎直方向的振速峰值均大于水平徑向和水平切向的振速峰值，表明在隧道爆破作業(yè)時，要重點關(guān)注高壓鐵塔塔基豎直方向的振動危害，必要時，可采取相關(guān)措施以防止塔基土壤介質(zhì)的沉降。表2中監(jiān)測得到振動峰值合速度最大值僅為0.85 cm/s，且在實際爆破過程中，未見高壓鐵塔產(chǎn)生任何輕微晃動，說明本工程隧道爆破參數(shù)條件下，爆破振動對高壓鐵塔的影響較小。

2.3 振動波形分析

監(jiān)測得到的典型爆破振動波形(R=135.31 m工況下)如圖4所示，整個衰減持續(xù)時間約1.0 s，可明顯分辨出各段別的爆破振動波形的衰減時程，且各段別的振速峰值呈現(xiàn)遞減趨勢；各方向的振速峰值均出現(xiàn)在MS1段，這是由于掏槽孔起爆藥量最大，加上MS1～MS5段雷管延期間隔時間短，存在振動波形的疊加。由于采用MS1～MS15多段別延期起爆網(wǎng)路，隨著高段位雷管段間間隔時間的增加，振動持續(xù)時間逐漸增長，各分段振動波的疊加程度依次減弱，前一段振波波峰與后一段振波波峰相遇的概率降低，從而達到降低峰值振速的效果。因此，采用多段別延期起爆網(wǎng)路，嚴格控制低段別雷管的最大起爆藥量，在一定程度上可有效控制高壓鐵塔處的爆破振動。

圖 4 測點爆破振動時程曲線Fig. 4 Time-history curve of blasting vibration at measuring points

由前面數(shù)據(jù)分析可知各組測點豎向振速值最大，鑒于篇幅有限，選取直線距離分別為135.31 m、117.45 m、96.18 m三組爆破振動信號，對其豎向振動數(shù)據(jù)進行FFT變換處理，得到的頻譜圖如圖5所示。由頻譜圖可看出：各測點的豎向振動頻率成分較為復(fù)雜，這主要受隧道圍巖裂隙較發(fā)育這一特點影響；測點主頻主要集中在 10～65 Hz之間，符合隧道爆破主頻分布范圍；隨著爆心距的減小，各測點的最大振幅值逐漸變大，能量集中帶逐漸向低頻發(fā)展，更容易達到鐵塔等構(gòu)筑物的自振頻率范圍，因此要加強高壓鐵塔近距離隧道段爆破時的振動監(jiān)測。

圖 5 測點豎向振動信號的頻譜圖Fig. 5 Spectrum of vertical vibration signals at measuring points

3 振動數(shù)據(jù)擬合

由于爆破現(xiàn)場地形復(fù)雜，影響爆破振動強度的因素多，目前，國內(nèi)外學(xué)者多采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式來表述爆破振動強度，對爆破地震安全距離與質(zhì)點振動速度進行計算分析。因此，基于表2中最大單響藥量為25.2 kg工況下的20組振動數(shù)據(jù)，采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式進行非線性擬合，進行現(xiàn)場爆破特性規(guī)律的分析及研究。薩道夫斯基公式為

(1)

式中：v為地震波波速，cm/s；Q為最大單響藥量，kg；R為爆源中心到測點的直線距離，m；k、α為場地相關(guān)系數(shù)，與介質(zhì)和爆破條件因素有關(guān)。

擬合結(jié)果如圖6所示，得到的擬合公式為

(2)

數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.913，表明監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合效果較好，式(2)可反映出本工程隧道爆破作用下質(zhì)點振動速度與爆心距、最大單響藥量之間的一般規(guī)律。

4 結(jié)論

經(jīng)過下穿高壓鐵塔高速公路隧道百余次爆破實踐，以及對爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測，分析爆破作用下高壓鐵塔塔基的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

圖 6 振動峰值合速度擬合曲線Fig. 6 Vibration peak velocity fitting curve

(1)測點振動頻率成分較為復(fù)雜，振動主頻主要分布在10 Hz

(2)通過數(shù)據(jù)擬合，得出本工程條件下隧道爆破質(zhì)點振動傳播規(guī)律及薩道夫斯基公式。

(3)開展單循環(huán)200 kg工業(yè)炸藥量級的隧道掘進爆破作業(yè)，爆破振動對凈距100 m處高壓輸電鐵塔的影響甚微；通過爆破振動和位移沉降實時觀測，可反饋鐵塔的安全運營狀態(tài)，建議電力主管部門和制法機關(guān)適當放寬電力設(shè)施周邊爆破作業(yè)的管控范圍。