城市隧道爆破对附近地表的振动监测与影响分析

江胜华 李祥久

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083； 2.四川省古叙煤田开发股份有限公司，四川 泸州 646000)

城市隧道爆破对附近地表的振动监测与影响分析

江胜华1李祥久2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083； 2.四川省古叙煤田开发股份有限公司，四川 泸州 646000)

对某现场爆破振动地表振动速度峰值监测结果进行了研究，拟合得到了地下工程岩石开挖爆破地面振动速度的变化规律，并对同断面、同药量、同测点掏槽爆破地表质点振速和非掏槽地表质点爆破振速进行比较，结果表明掏槽爆破产生振速较大，合理设计掏槽为关键点。

隧道爆破，地表振动，振动监测，主频

现阶段城市地下交通线的建设，因为城市地下隧道上方都是城市中心，构造物特别多，还有许多保护建筑单位，爆破施工时必须控制爆破参数，减小爆破振动速度。为控制爆破震害，工程上多采用振动监测来了解爆破的振动强度，分析爆破地震波对地表建筑物安全的影响程度[1,2]。

1 工程概况

在爆破施工段主要有两种隧道断面尺寸，其中大断面隧道开挖断面为跨度17.66 m，高11.5 m；正常断面隧道跨度11.52 m，高9.57 m。上覆盖层厚度约为20 m～26 m。根据GB 6722-2011爆破安全规程的规定要求，在施工爆破过程中，采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率作为爆破振动判据，在监测数据的指导下进行爆破施工作业。本爆破工程振动速度控制点除了文物保护单位(罗汉寺)为0.5 m/s，其余段振动速度控制在1 cm/s。

2 理论分析与现场监测

2.1 理论公式

目前国内外多采用萨道夫斯基经验衰减公式对爆破数据进行回归分析[3,4]。建立数学公式来计算预测爆破振动速度峰值：

V=K(Q1/3/R)α

(1)

其中，V为质点振动速度，cm/s；K，α分别为场地因素及衰减指数；Q为爆破药量，kg；R为爆源与测点之间的距离，m。

2.2 现场监测点布置

由于爆破振动效应随着传播距离的增大而逐渐衰减，因此，每次测试时是在爆破点正上方、正上方前10 m、正上方前20 m与必需测试的结构物测试点进行测试，距离太远则测试振速较小。评价振速是否符合规范，主要对比正上方最大振动速度数值是否超过设计数值或安全爆破规范。

每次爆破结束后，立即对测试结果进行读数，参照监测读数，结合下一次爆破位置、爆破参数、以往爆破经验等确认是否能够继续下一步施工，确保爆破作业顺利、安全地进行。每天爆破后进行数据整理分析，及时调整爆破参数、施工进度等。

3 隧道开挖爆破地面振动强度的规律

爆破地震波在上覆岩土层中传播是一个极其复杂的动力学过程，与炸药类别、装药量、装药结构、引爆方式、孔深、孔距、断面形式、岩性等等因素相关；并且岩土动力学问题精确计算是极其困难的事情，只有通过大量工程实例进行经验计算或估算。在工程中，一般都采用经验公式来估计爆破地震的主要参数[3]。根据现场测试实际条件：岩性不变，隧道上覆层基本不变(25 m左右)，地面地形基本不变，炸药品种相同，装填方式不变。故可以推测影响爆破振动速度的物理量只有药量和爆心距离。本测量场地平整，各测点高程差不超过2 m，不考虑高差影响，以现场实测多组地面质点振动速度值，根据萨道夫斯基经验衰减公式对爆破数据进行拟合，即可得到K，α，得到地面振动速度的变化规律。由于篇幅问题实测数据不再详细列出。

由于隧道埋深较浅，离爆源较近距离内水平两方向振动速度较小，垂直振动速度较大，所以近距离范围内取爆破垂直振速Vt进行回归分析可最大程度上降低拟合误差，使拟合结果更为准确。

拟合方式:令Q1/3/R=ρ，得到:

V=Kρα

(2)

依据上述监测数据，不考虑测点高差，根据式(2)拟合出地表质点振速峰值与药量、炮心距之间的经验公式为：

Vt=164.3(Q1/3/R)1.911

(3)

依据式(3)反算相应装药量情况下最大地面质点振动速度，并与下阶段爆破实测爆破振速进行对比，如图1所示，实测数据基本分布于理论曲线附近，说明该范围地区适用式(3)进行理论地表最大振速计算。

4 爆破地震主振频率分析

隧道掘进爆破过程中产生的地震波是不同能量、不同频率的波叠加而形成的，爆破时各个子波同时作用于地表结构物上，但各个子波最大能量并不是在同一时刻作用于结构物上的，如果仅仅根据地表最大质点振动速度值的大小即判断爆破施工对地表结构物有无危害是不够完善的。对于地震波主频率分析而言，岩土体对于高频地震波衰减很大，对于低频地震波则衰减很小，通过对多次爆破主频统计，爆心正上方质点测得各方向主频率比较集中，主要分布于20 Hz～60 Hz。低频率的主振频率是否会和地表结构物固有频率重合而产生共振，而对结构物造成严重危害，低频产生共振也是隧道爆破所要考虑的因素之一。

在距离炮心近距离范围内，岩土体中爆破地震波随着炮心距增大，地表主振频率随距离的增加而减小的趋势并不明显，如图2所示。如果距离爆心较远地点，振速不是很大，但是主频和构筑物相近，是否会产生共振，导致构筑物破坏，这也是考虑因素，不能仅考虑垂直振速。

5 结语

1)根据GB 6722-2011爆破安全规程的规定要求对地面振动速度测量，根据以往爆破资料和前期的爆破地表振动速度实际测量值拟合出萨道夫斯基经验衰减公式，并预测后期爆破地表振动速度理论值，和实际测量值比较。垂直方向最大振速拟合出的公式更准确，两水平方向振速拟合误差较大。

2)岩土体对高频地震波衰减很大，传播到地面的波主要为低频波，主要集中于20 Hz～60 Hz，而低频波对结构物影响也是最大的。在距炮心近距离范围内，地表质点振动主频不随距离变远而明显减小。远离炮心处地表质点垂直振速对构筑物影响不大时也应当考虑主频影响。

[1] 叶显亮.隧道爆破施工对附近房屋的振动监测与影响分析[J].贵州大学学报(自然科学版)，2010，27(2)：123-125.

[2] 李利平，李术才，张庆松，等.浅埋大跨隧道施工爆破监测与减震技术[J].岩土力学，2008，29(8)：2292-2296.

[3] 李玉民，倪芝芳.地下工程开挖爆破的地面振动特征[J].岩石力学与工程学报，1997，16(3)：274-278.

[4] 陈 庆，王宏图，胡国忠，等.隧道开挖施工的爆破振动监测与控制技术[J].岩土力学，2005，26(6)：964-967.

Monitoring and impact analyzing of ground vibration generated by city tunnel blasting

JIANG Sheng-hua1LI Xiang-jiu2

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.Sichuan Guxu Coal Development Company Limited, Luzhou 646000, China)

We got the variation law of ground vibration velocity in underground rock blasting excavation which based on fitting the monitoring results of ground vibration velocity peak of blasting vibration in the scene. By comparing the surface particle vibration velocity between cut blasting and non in the same section, explosive charges and test point. The results show that the reasonable design of cutting technology is the key point as cut blasting generates a larger vibration velocity.

tunnel blasting, ground vibration, vibration monitoring, main vibration frequency

1009-6825(2014)31-0198-02

2014-08-25

江胜华(1988- )，男，在读硕士； 李祥久(1965- )，男，工程师

U456

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