露天矿边坡爆破对既有隧道的影响分析

吴 亮 金 沐 李雷斌 钟冬望 蒋 培

(1.武汉科技大学理学院，湖北 武汉430065;2.中铁港航－武汉科技大学爆破技术研究中心，湖北 武汉430065;3.中铁港航局集团爆破工程有限公司，广东 广州510660)

1 工程概况

某露天矿位于剥蚀低山丘陵地貌区，隧道轴线穿越一低山，顶部最高处海拔127.43 m，地形坡度一般为20° ～30°。该边坡工程山顶植被覆盖茂密，但局部有强风化岩石裸露。山体岩性为较单一的熔结凝灰岩，岩体坚硬完整，风化程度较低，其表层分布有少量的残坡积层，厚度一般在0.5 ～3.0 m。待开挖露天矿边坡与坡体内隧道的平面布置见图1。在边坡开挖施工过程中，爆破扰动荷载必然对既有隧道产生不利影响。近10 a 来，国内外不少学者对小净距隧道爆破开挖的施工工程与相互影响进行了广泛深入研究［1-5］，但研究边坡爆破开挖对山体内既有隧道的影响，特别是对洞口部位岩体影响还比较少［6-10］。由于露天边坡爆破与隧道爆破在爆源特性方面有差异，有必要对露天边坡爆破荷载作用下隧道围岩质点振动进行跟踪监测，对其衰减规律进行分析，及时反馈信息，优化爆破参数，为工程的顺利进行提供安全保障。

图1 工程平面布置Fig.1 Engineering layout

2 爆破参数

台阶爆破采用垂直炮孔，炮孔孔径115 mm，浅孔孔深3 ～5 m，深孔孔深15 ～16 m，孔距5 m，排距4.2 m，深孔堵塞长度5.0 ～5.5 m，90 乳化炸药，单孔装药量100 ～110 kg，最大单响药量290 kg，总药量约5.0 t。爆破量11 458 m3，平均单耗0.31 kg/m3，炮孔总长704.9 m，延米爆破量16.25 m3/m。台阶爆破炮孔网路布置图见图2。

图2 炮孔网路布置Fig.2 Network layout of blasting hole

3 监测方案

3.1 采用仪器

依据《GB 6722—2003 爆破安全规程》测试的相关要求，采用广泛应用于工程爆破环境安全评估、爆破振动监测、爆破施工监理、机械振动、运输振动安全监测、教学、科研分析等领域的爆破测振仪。测试所用仪器均具有出厂合格证明，采集精度达到要求，采集精度为0.01 cm/s。

3.2 仪器安装

为保证采集数据的真实性，考虑隧道围岩松动圈对质点振动的影响，在布点位置钻2.0 m 深的孔，插入直径φ18 mm 螺纹钢筋，灌浆密实，在钢筋出露端水平焊上10 cm ×10 cm ×1.5 cm 钢板，或者把钢板布置在既有的锚杆上，见图3。钢板上留有螺纹孔，通过螺丝把传感器固定在钢板上，方便仪器的安装与拆卸。

3.3 测点布置

根据爆源与需保护的既有隧道间的相对位置关系，考虑地震波的传播路径与围岩的保护部位，测点布置方案见图4。

图3 传感器安装Fig.3 Sensor installation

图4 测点布置示意Fig.4 The arrangement layout of survey points

3.4 控制标准

工程实践表明，建(构)筑物因爆破震动而造成的破坏与质点峰值震动速度具有良好的相关性，因此国内外普遍以质点峰值震动速度作为爆破震动控制的判据。依据有关规范及参考国内类似工程的经验，该隧道围岩质点振动速度控制在20 cm/s 以内。

4 监测结果与分析

根据实测数据获得边坡爆破引起的隧道围岩质点速度峰值大小及其振动频率。其中，质点振动峰值数据可以确定隧道断面各部位的爆破振动强度，通过对比控制标准明确爆破振动对监控部位的影响程度，从而给出隧道围岩及其结构的安全评判。另外，实践表明实测波形是一次爆破分段效果的直接反映，对反馈信息、调整爆破参数具有实用价值。

众所周知，爆破地震波的衰减规律与爆源参数、地形条件、传播介质、保护对象的结构等因素有关。目前，国内预测爆破地震波衰减规律的公式普遍采用萨道夫斯基公式

式中，v 为峰值质点振动速度，cm/s;Q 为单响药量，kg;r 为爆心距，m;K、α 是与爆破方法、场地条件相关系数，与爆破方式、装药结构、爆源至监测点间的地形、地质条件密切相关。

露天台阶爆破对山体隧道围岩振动的测试结果见表1。

表1 爆破振动的实测数据Table 1 Test results of blasting vibration

露天台阶爆破对山体隧道围岩振动的衰减规律回归结果见表2。表2 中R 为回归的相关系数，它表征离散数据的拟合程度高低。从拟合结果可以明显看出，水平径向、水平切向和竖直向峰值振速衰减规律拟合系数均在0.8 以上，拟合效果较好。

表2 爆破振动衰减规律Table 2 Blasting vibration attenuation law

通过实测数据拟合后对爆破振动控制标准下的最大单响药量随距离的规律预测见表3。目前，隧道掌子面距离边坡轮廓的最小距离是20 m，根据计算，确定边坡开挖最大单响药量为60.9 kg。

表3 不同距离下最大单响药量Table 3 Maximum single charge under different distances

5 数值预测

根据预估药量，在距离隧道掌子面最近的设计坡面上施加爆破荷载，确定预估药量的合理性。边坡与隧道的计算模型采用三维模型，隧道的轴向为y 轴方向，z 轴垂直向上，隧道的横向为x 轴。模型底部与四周边界设置为无反射边界，隧道已开挖区与边坡面设为自由边界。计算采用SOLID164 三维实体单元，计算中围岩的物理力学参数，Ⅲ围岩:密度2.5 t/m3，弹性模量40 GPa，泊松比0.3，内摩擦角50°，黏聚力1.5 MPa;Ⅳ围岩:弹性模量30 GPa，泊松比0.33，内摩擦角39°，黏聚力0.7 MPa，密度2.4 t/m3。根据爆破实测波形确定爆破荷载，经试算，瑞利常数取α =0.04，β= 0.000 3。

沿隧道轴线山体剖面的计算应力云图见图5。

图5 不同时刻的动应力云图Fig.5 Dynamic stress cloud chart at different time

为确定边坡爆破对隧道围岩的影响，在距离爆源最近的隧道剖面上选取了4 个点，如图6 所示，图中A、B、C、D 各点分别对应隧道拱顶、拱与边墙交点、边墙中点与底板质点。

图6 考察点示意Fig.6 Investigation points

隧道各考察点的质点振动时程曲线结果见图7，图中Vx、Vy、Vz分别为X、Y、Z 方向的质点振动速度。

图7 各考察点的质点振动时程曲线Fig.7 Particle vibration curve of each investigation point

计算表明，垂直方向上的Vz峰值较大区域主要在拱顶处，沿隧道围岩逐渐向下衰减，隧道轴向振速Vy、横向振速Vx的峰值向下先增大后减小。可见，爆破荷载产生的应力波初始以纵波向下传播，随着距离的增加逐渐衰减，而在隧道围岩的自由面处形成的面波向下传播的规律为先增大后减小，在拱与边墙交点处围岩质点振动速度峰值达到最大，随后开始衰减。计算得到质点振动速度的最大峰值为19 cm/s，小于隧道围岩质点振动控制速度，围岩最大动拉应力峰值为0.65 MPa，结合隧道埋深，围岩在动静荷载共同作用下是稳定的，表明安全振动速度与预估药量是合理的。

6 结 论

(1)讨论了岩质边坡爆破开挖对山体内邻近既有隧道的影响问题，依据《GB6722—2003 安全爆破安全规程》的相关要求，结合工程特点，提出了该工程隧道围岩的安全控制标准。

(2)通过对现场爆破荷载作用下隧道围岩质点振动进行跟踪监测，及时地得到了边坡爆破参数对既有隧道围岩的影响;通过对隧道围岩质点振动衰减规律进行分析，得出了相应的回归指数，为优化爆破参数提供了参考依据。

(3)通过数值计算分析得到了预估药量对既有隧道围岩振动速度与动应力分布规律，计算得到围岩质点振动峰值速度为19 cm/s，验证了预估药量的可靠性。

［1］ 杨年华，刘 慧.近距离爆破引起的隧道周边振动场［J］. 工程爆破，2000，6(2):6-10.

Yang Nianhua，Liu Hui.Vibration field at tunnel contour induced by a close-in blasting［J］.Engineering Blasting，2000，6(2):6-10.

［2］ 刘国华，王振宇. 爆破荷载作用下隧道的动态响应与抗爆分析［J］.浙江大学学报:工学版，2004，38(2):204-209.

Liu Guohua，Wang Zhenyu.Dynamic response and blast-resistance analysis of a tunnel subjected to blast loading［J］.Journal of Zhejiang University:Engineering Science，2004，38(2):204-209.

［3］ 吴 亮，钟冬望. 不同布置条件下邻近隧道掘进爆破对既有隧道的影响研究［J］.煤炭学报，2009，34(10):1339-1343.

Wu Liang，Zhong Dongwang. Effect of tunneling blasting on the existing adjacent tunnel under different conditions［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(10):1339-1343.

［4］ 柳 明，张昌锁.复线隧道爆破优化设计与实践［J］.金属矿山，2013(10 ):32-35.

Liu Ming，Zhang Changsuo. Design and practice of optimizing blasting of double-track railway tunnel［J］.Metal Mine，2013(10):32-35.

［5］ 孟凡兵，林从谋，郑 强，等. 四车道扩挖隧道爆破振动对新建隧道的影响［J］. 华侨大学学报:自然科学版，2012，33(1):79-83.

Meng Fanbing，Lin Congmou，Zheng Qiang，et al. Influence of expanded four-lane tunnel blasting vibration on new tunnel［J］.Journal of Huaqiao University:Natural Science，2012，33(1):79-83.

［6］ 李昌存，郭彦辉，王长军，等. 爆破测振及位移监测对边坡的综合控制研究［J］.金属矿山，2013(4):54-56.

Li Changcun，Guo Yanhui，Wang Changjun，et al. Research on the slope synthetically control with blasting vibration and displacement monitoring［J］.Metal Mine，2013(4):54-56.

［7］ 赵东平，王明年，贾玲利.路堑边坡开挖对邻近既有隧道影响研究［J］.岩土力学，2009，35(5):1399-1402.

Zhao Dongping，Wang Mingnian，Jia Lingli.Research on influence of excavating road trench slope on adjacent existing tunnel［J］. Rock and Soil Mechanics，2009，35(5):1399-1402.

［8］ 张海龙.边坡开挖对铁路隧道的影响分析［J］.水利与建筑工程学报，2011，9(2):73-76.

Zhang Hailong. Analysis on impact of slope excavation on railway tunnel［J］. Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2011，9(2):73-76.

［9］ 李 宁，张承客，周 钟.边坡爆破开挖对邻近已有洞室影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，32(S2):3471-3477.

Li Ning，Zhang Chengke，Zhou Zhong. Influence research of slope blasting excavation on adjacent existed tunnel［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，32(S2):3471-3477.

［10］ 黄志强，吴 立.爆破振动对隧道洞口顺层岩质边坡稳定性影响研究［J］.爆破，2012，29(1):110-114.

Huang Zhiqiang，Wu Li.Effects of blasting vibration on stability of bedding rock slope at tunnel entrance［J］.Blasting，2012，29(1):110-114.