隧道掘进爆破对地表敏感建筑物的振动影响监测与控制

杨甲豹

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



隧道掘进爆破对地表敏感建筑物的振动影响监测与控制

杨甲豹

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要：为控制隧道掘进爆破对地表敏感建筑设施产生的振动危害，对爆破产生的地震效应进行监测与控制是必要的。结合人山子隧道的控制爆破设计，首先通过理论计算，初步分析隧道爆破对地表敏感建筑设施振动速度的影响，再结合爆破时地表质点振动速度的实时监测与分析，提出控制爆破振动危害的措施，以确保地表敏感设施的安全。

关键词：铁路隧道；掘进爆破；地震效应；控制爆破；敏感建筑；振动速度

在铁路隧道修建过程中，受选线条件的限制，难免会遇到下穿村庄、建筑、敏感设施等情况。出于经济上的考虑，在隧道施工过程中，多数隧道采用钻爆法进行开挖。而研究表明[1-7]，爆破开挖所引起的振动会对周边建筑产生不利影响。通过理论初步分析，结合下穿敏感建筑的实时振动监测，提出控制爆破振动的措施，以防止和减少对地表敏感建筑物的破坏，从而最有效地控制爆破振动的危害。

1工程概况

人山子隧道位于莱芜市境内，隧道全长3 355 m。隧道开挖宽度10.86 m，开挖高度9.42 m，最大埋深150 m，浅埋段埋深4～10 m。线路穿越低山丘陵区，地形自然坡度为20°～40°，部分穿越山间凹地，地形起伏较大，地表多为林地。

隧道里程DK1073+200处地表一侧为某地表建筑，该建筑与隧道平面关系如图1所示。隧道结构与营房基础高差约为40.8 m。

图1　地表建筑与隧道平面位置关系

为确保该隧道的爆破开挖不影响地表建筑、敏感设施设备的安全，降低爆破振动危害效应，根据有关要求，必须采取控制爆破，并对爆破振动进行全过程监测。

2施工现状与地质概况

人山子进口施工掌子面里程为DK1072+802，出口施工掌子面里程为DK1073+423。该段落岩性为弱风化混合花岗岩及斜长片麻岩，节理较发育，岩体呈大块状结构；局部为小的断层，结构松散，易坍塌，地下水发育，围岩级别为Ⅱ级，原设计采用钻爆法开挖。

注：1.周边眼间距E=45 cm，抵抗线W=75 cm，底板眼间距为70 cm；2.陶槽眼采用二级复式楔形槽结构；3.图中所示数字为起爆顺序；4.孔内采用1～13段电毫秒雷管；5.掏槽眼采用1～5段复式网路联结；6.孔外采用塑料导爆管复式网路联结。图2　上台阶光面爆破设计(单位：cm)

3控制爆破设计与爆破振动对部队营房影响初步分析

3.1　控制爆破设计

影响爆破地震波破坏程度的因素主要有[4]：场地条件、振动频率、振动速度、振动持时、爆破距建筑物的距离、建筑物受爆破振动的次数等。

根据以上影响因素，结合现场实际条件，对隧道监控段落进行如下的开挖爆破设计。

(1)开挖工法

各种隧道施工工法爆破引起的振动速度相差较大，相比而言，全断面法施工所需炸药量最多，其爆破引起的振动速度也最大；台阶法消耗的炸药量和引起的振动速度次之；下导洞超前后部扩大钻爆法消耗的炸药量最少，其引起的振动速度也最小。综合考虑爆破振速的控制以及工期要求，爆破施工段开挖掘进采用两台阶法施工，上台阶开挖每循环进尺2.0 m。

(2)爆破材料

结合现场实际条件，选用RJ-2防水乳化炸药，标准药卷直径φ32～25 mm，爆速3 600 mm/s，雷管用非电位微差毫秒雷管1～25段，隔段使用，起爆用火雷管(8号工业雷管)，导火索120 m/s。

(3)爆破参数

上台阶：周边眼间距为45 cm；辅助眼间距为90 cm；掏槽眼间距为横向60～65 cm，竖向80 cm；底板眼间距为70 cm，最高段数为13段引爆。同时在周边每循环增设32个临空孔以降低爆破振动，爆破设计参数见表1，具体布置见图2。

表1　上台阶爆破参数

注：1.掏槽眼为斜眼其余炮眼均为直眼；2.周边眼采用φ25 mm小药卷反向间隔装药，其他炮眼采用φ32 mm药卷；3.预计爆破进尺2 m；4.爆破方量122.4 m3，炸药单耗为0.76 kg/m3。

下台阶：周边眼间距为45 cm；辅助眼间距为80 cm；掏槽眼间距为横向90 cm，竖向50 cm；底板眼间距为70 cm，最高段数为7段引爆。同时在周边每循环增设6个临空孔以降低爆破振动，爆破设计参数见表2，具体布置见图3。

(4)起爆次序

先起爆上台阶掏槽孔，接着起爆中间掘进孔，然后起爆二圈孔，预留光爆层，再起爆周边光爆孔，以达到光爆效果，最后起爆底板孔。下台阶利用上台阶作为临空面，炮孔方向沿隧道纵向布置，利用非电毫秒雷管先起爆中间掘进孔，然后起爆二圈孔。

表2　下台阶爆破参数

注：1.炮眼均为直眼；2.周边眼采用φ25 mm小药卷反向间隔装药，其他炮眼采用φ32 mm药卷，药卷孔底连续装药；3.预计爆破进尺2 m;4.爆破方量29 m3，炸药单耗为0.76 kg/m3。

图3　下台阶光面爆破设计(单位：cm)

3.2　爆破振动对地表建筑影响初步分析

《爆破安全规程》部分安全标准见表3。

表3　爆破振动安全允许标准(部分)[8]

言志信、王永和等人研究给出的安全标准建议值如表4所示。

表4　爆破地震安全振速限值建议标准值[1]

地方对施工方来函要求，爆破振动速度大于0.5 cm/s时，必须立即停止爆破施工。

结合以上情况，本工程在隧道爆破开挖过程中，选取质点振动速度作为安全判据，取安全允许质点振动速度为V≤0.5 cm/s。

采用萨道夫斯基公式进行初步计算分析

式中Q——齐爆药量，取28.8 kg；

K、α——与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，根据《爆破安全规程》取K=150，α=1.5；

V——保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s;

得到距地表建筑最近爆破点C点地振动质点最大速度：

V=0.23 cm/s<0.5 cm/s，满足振速要求。

从而得出以下初步结论：距离地表建筑最近的C点采用上述爆破设计参数对隧道进行爆破开挖，对地表建筑设施等所产生的爆破振动影响，能满足安全振速允许标准要求。

4隧道爆破现场监测

4.1　监测目的

由于前述所得到的结果仅为理论计算值，较为粗略，不能确切得到隧道爆破开挖对地表建筑、设施等的振动影响程度，因此需要进行地表爆破振动监测试验。振动试验的目的包括：

(1)通过爆破振动监测，获取爆破振动沿各方向的振动衰减传播规律，回归计算爆破振动传播公式，为确定爆破施工方案与爆破参数提供依据；

(2)通过爆破振动监测，评价爆破施工方案和爆破参数的合理性，为控制与优化爆破施工参数提供依据；

(3)通过爆破振动监测，测定开挖爆破作业对地表建筑设施的振动影响程度，并根据相关规范及设计标准，对其安全性进行评估，并为控制或调整爆破参数提供依据。

4.2　测试内容

研究表明[9，10]，影响爆破地震安全的因子是多方面的，但是通过直接测取测点处的水平和垂直振动速度作为评判建筑设施结构安全与否的标准较为简单有效。

4.3　测试仪器及测点布置4.3.1　测试仪器

本次爆破振动监测工作采用TC-4850型爆破测振仪，现场共计使用4台仪器进行监测。

每台测振仪有3个通道，本次测试配置1个三分量速度传感器来测试3个不同方向的振速，其中X、Y方向为水平向，Z垂直向上。

4.3.2测点布置

影响爆破振动的主要因素是爆破最大一段装药量和爆心距。单响药量越大，转化为地震波的能量越多，爆破振动越强烈；距爆心的距离越远，振动衰减越大，爆破振动越弱。另外，爆破地震效应受地质、地形等条件的影响也很大。因此，为了确保人山子隧道爆破过程中敏感建筑及精密设施设备等的安全，根据要求，在辖区内重要区域布置4个测点。现场布置4个测点，见图4。

图4　测点平面布置示意

4.3.3监测段落

根据地方要求，自A点至E点段落(图1)范围需进行控制爆破监测。

4.4　监测结果及数据回归分析

4.4.1监测结果

人山子隧道自2012年11月至2013年7月，爆破开挖段落里程为DK1072+802～DK1073+423，对上下台阶进行了多次爆破监测，采集了大量的振速与主频数据，鉴于篇幅，仅选取其中部分爆破波形图与监测数据进行分析。

图5～图8为掌子面距离建筑物较近的段落(DK1073+200附近)爆破开挖时测取的振动曲线。图9、图10分别为测点1、测点2处的监测数据散点图。

图5　测点1振动速度波形(R=372 m)

图6　测点2振动速度波形(R=361.9 m)

图7　测点3振动速度波形(R=466.6 m)

图8　测点4振动速度波形(R=536.8 m)

图9　测点1处爆破监测数据

图10　测点2处爆破监测数据

通过大量的监测数据发现，各个测点的垂直向(Z向)振速较大，而切向(X、Y向)相对较小，垂直向最大振速为0.169 cm/s，未超过0.2 cm/s。同时，各监测数据表明，对于同批次测量的测点振速从大到小排序依次为2点、1点、4点、3点，即随着爆心距的增大，振速逐渐减小。

4.4.2数据回归分析

根据爆破振动测试数据及装药量，采用萨道夫斯基公式对测试结果进行线性拟合回归分析，采用回归分析的数据详见表5。

表5　拟合采用的实测数据

采用以上数据拟合得到K为114.4，α为1.63。即回归公式为

通过上述公式可近似得到单次齐爆药量Q与爆破距离R的关系

5安全评判

通过实时监测，发现距离部队营房最近的C点爆破时，监测点2竖向振动速度最大，达到0.169 cm/s，但仍在安全振速范围内。上述监测结果表明，对于监测段落的控制爆破设计是合理的，能够有效控制爆破开挖对营房设施的影响。

6结论

通过采取以上措施，结合地表监测点振动的实时监测数据，不断优化调整爆破设计参数，使得隧道爆破施工产生的爆破振动速度得到有效控制，确保了地表建筑设施的安全。

参考文献：

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Monitoring and Control of Vibration Impacts of Tunnel Excavation Blasting on Sensitive Surface Buildings

YANG Jia-bao

(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Beijing 100055， China)

Abstract：In order to control tunnel blasting vibration impacts on sensitive surface buildings， seismic effects generated by blasting need to be monitored and controlled. Based on the Renshangzi tunneling blasting design， this paper conducts preliminary analysis of tunnel blasting impacts with theoretical calculations and puts forward measures to control blasting vibration impacts， according to blasting surface particle velocity real-time monitoring and analysis， to ensure the safety of the sensitive surface facilities.

Key words：Railway tunnel; Excavation blasting; Seismic effect; Controlled blasting; Sensitive building; Vibration velocity

作者简介：杨甲豹(1984—)，男，工程师，2010年毕业于中南大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail:yjb425@163.com。

收稿日期：2015-05-15； 修回日期：2015-06-10

中图分类号：U45

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.022

文章编号：1004-2954(2016)01-0102-05