某水工隧洞爆破震动对周边建筑物影响的试验分析①

乔　雄,陈建勋,王梦恕,王晓星

(1.长安大学公路学院,陕西 西安 710064; 2.兰州理工大学土木工程学院,甘肃 兰州 730050;3.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044; 4.衢州市公路管理局,浙江 衢州 324000)



某水工隧洞爆破震动对周边建筑物影响的试验分析①

乔雄1,2,陈建勋1,王梦恕3,王晓星4

(1.长安大学公路学院,陕西 西安 710064; 2.兰州理工大学土木工程学院,甘肃 兰州 730050;3.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044; 4.衢州市公路管理局,浙江 衢州 324000)

隧道开挖时的爆破震动对周边建筑物安全影响很大,但目前对不同爆破参数、周边建筑的距离与爆破开挖之间关系的研究成果不多,实际工程中也难以把握。以宁夏固原市某水工隧道工程为依托,采用现场试验的方法,对地表关键位置质点爆破振动频率与振动速度进行测试和分析。结果表明:(1)经测试发现房屋主振频率在10～60 Hz间,而一般房屋建筑的频率均小于10 Hz,说明此次试验中爆破震动不能与房屋产生共振。(2)对试验数据进行分析,并依据爆破震动规范安全振速标准进行判别,发现此次试验中土坯房的安全距离为160 m,一般砖房为60 m。研究结果可为隧道爆破的设计与施工提供理论依据,为类似隧道的爆破工程及解决由爆破引起的纠纷提供借鉴。

水工隧洞; 爆破震动; 爆破振速; 现场测试

0　引言

由于围岩的性质一般不均一,故在隧道施工中很难选用隧道全断面掘进机TBM(Tunnel boring machine)或者盾构法,而较多采用钻爆法施工。随着交通建设的快速发展,隧道经常需要经过工业或民用建筑附近区域。在隧道爆破开挖的过程中,爆破产生的地震波对邻近建筑的安全构成了威胁,甚至产生破坏,常引发施工单位与居民间的纠纷。在隧道与邻近建筑距离一定的情况下,如何确定爆破振动的影响范围,优化爆破参数一直是隧道施工中一个重要研究课题。

截至目前,已有许多学者对隧道爆破进行了研究。如1997年吴德伦等[1]对爆破振动效应进行了研究,比较了国内外常用的安全振动速度准则,并结合重庆市地铁施工爆破振动效应的测试结果,提出了关于爆破振动安全速度规定的分类建议值。娄建武[2]于2000年通过长期对爆破振动数据的采集分析及对结构裂缝现象的观测,提出了适宜某场区普通民房结构的容许振动速度为V=2 cm/s。同年杨年华等[3]根据实践经验总结,对传感器的选型安装、记录仪和分析软件的要求及输出结果形式等各环节上存在的问题进行了探讨,并提出了有益的建议。2003年言志信等[4]通过研究爆破振动测试结果,将我国《爆破安全规程》与国外安全标准进行对比,从理论上阐明了爆破安全标准应将振速限值与振动频率相关联,并提出了改进办法和爆破地震安全振速建议标准。2011年高同伟[5]以青岛胶州湾湾口海底隧道青岛端接线工程为依托,以现场爆破振动监测为主要研究手段,应用UBOX5016爆破振动智能监测仪对胶州湾湾口海底隧道青岛端接线工程云南路隧道沿线建筑物进行了监测,首次提出药距比系数的概念,并给出了该系数的计算公式,提出了划分建筑物爆破振动区域等级的新方法。陈中学等[6]于2012年对城万快速公路通道某隧道出口临近建筑物爆破振动速度进行监测,结果表明:隧道临近建筑的垂直振速大于径向振速和切向振速,应以监测其垂直振速为主。同年余佳力[7]结合厦门机场路一期工程JC2、JC3标段工程中隧道邻近或穿越地表建筑物的实际,采用理论分析、施工监测和数值模拟相结合的方法,比较系统地研究了隧道施工对周边建筑物的影响。

通过上述文献分析可以看出,目前国内研究主要集中在爆破速度对建筑物的影响方面,而对于测试方法及范围判定方面的研究较少。本文以某水工隧道的爆破施工为例,探讨爆破振动对临近建筑物的影响范围。

1　依托工程概况

1.1工程概况

图1　隧道衬砌结构Fig.1　The structure of tunnel lining

1.2施工方法

依托隧洞的围岩级别主要为Ⅳ级、Ⅴ级,采用全断面光面爆破法施工,开挖时预留变形量,其喷锚支护段按10 cm控制,管棚支护段按15 cm控制。Ⅳ级围岩每循环进尺1.2～1.8 m,Ⅴ级围岩每循环进尺0.8～1.2 m。

爆破材料选择二号岩石乳化炸药(Ø32～200 g,爆速≥3 600 m/s),毫秒导爆雷管(1～7段,导爆管长5.0 m),开挖断面宽3.3 m、高3.57 m,断面面积为9.85 m2,设计进尺2.0 m,设计爆破方量19.7 m3,炸药单耗1.15 kg/m3。经现场调查,实际单孔装药量为1 kg,分3段爆破,单段最大起爆药量为8 kg,总装药量为24 kg。实际围岩钻爆图如图2所示。

图2　爆破布孔图(单位:cm)Fig.2　The drilling layout of actual blasting (Unit:cm)

2　现场测试方案

2.1测点布置

在依托隧道桩号为K19+357处爆破时对地表质点振动速度及振动频率进行现场测试。为较准确地获得沿隧道轴线方向上振动速度的传播规律,在布设测线时尽量避开障碍物,并进行多次平行试验测试,以取其平均值。为此共布设了3条测线,每条侧线上5个测点,共15个测点,分3个炮次进行测试(图3)。

图3　测线及测点布设Fig.3　Survey line and point layout

2.2测试仪器与测试方法

(1)莱卡TPS802全站仪

为准确测定测点与爆源的位置关系,使用莱卡TPS802全站仪,利用大地坐标系,对测点的点位进行测定。

(2)爆破测试系统

选择爆破振动速度观测系统时应根据现场实际情况,预估被测信号的幅值范围和频率分布范围,选择的观测系统幅值范围上限应高于被测信号幅值上限的20%,频率响应范围应包含被测信号的频率分布范围。依据这个原则选择的观测系统不会出现削波、平台等情况。本次爆破振动试验的观测系统由TCS-B3型三向振动速度型传感器、低噪声屏蔽电缆、TC-4850爆破振动记录仪和计算机组成(图4)。

图4　TC-4850爆破测振系统Fig.4　TC-4850 vibrometer system

测试时,先用全站仪测定埋设传感器的点位,点位的布设沿爆源的半径,并依据对数原理,即10、20、40、80及160 m。后因现场需要,在200 m处亦设了测点。因测试现场地表为马兰黄土,较松软,为充分与现场环境拟合,对传感器采用坑埋的方法布设,即挖一比传感器稍大的正方形土坑,深15 cm,将传感器Z面朝上,主轴背离爆源点埋入,并覆土压实。

3　测试结果及分析

经过三个炮次的测试,获得了三条测线上各测点的地表质点振动速度及振动频率,分列如下。

测线1上5个测点的测试结果如表1所列。典型爆破振动效应波形如图5(a)所示。

测线2上5个测点的测试结果如表2所列。典型爆破振动效应波形如图5(b)所示。

测线3上5个测点的测试结果如表3所列。典型爆破振动效应波形如图5(c)所示。

表1　测线1上测点爆破振动效应

图5　通道Z方向的爆破振动效应波形图 (距爆源20 m)Fig.5　Blast vibration waveform in Z direction (20 m from the explosion source)

表2　测线2上测点爆破振动效应

由表1～3中可以看出,Z通道的振速最大,表明隧道临近建筑的垂直振速大于径向振速和切向振速,故应以监测其垂直振速为主。爆破地震波主频率最小值为13.163 Hz,最大值为64.516 Hz,其主频率在10～60 Hz范围内变化。根据我国一些建筑物的固有频率的实测资料[9-10]知,一般建筑物的固有频率都在10 Hz以下。此次爆破的主振频率都大于10 Hz,可见建筑物对此次爆破地震波的响应较弱,破坏性相对较小,但波速较高,应从波速角度综合评价。

表3　测线三上测点爆破振动效应

由图5可以看出,爆破明显分为三段,第一段的波速峰值较高,第二段和第三段波速峰值较低。这与现场实际装药与爆破情况相符,验证了试验的准确性。

为求得爆破震动的范围,按照萨道夫斯基[8]公式进行回归,求得K、α值。

(1)

式中:R为爆破振动安全允许距离,单位为m;Q为炸药量,齐发爆破为总药量,延时爆破为最大一段药量,单位为(kg);V为保护对象所在地质点振动安全允许速度,单位为(cm/s);K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数,可按规范选取,或通过现场试验确定。

在测线1上,距离爆源10 m处的测点振速较为离散,故采用TC-4850测试系统自带的回归功能对剩余4个点的振速进行回归,回归界面如图6所示。

由表4可以看出,测线3所得的K和α值与测线1、2所得值偏离较大,故舍弃,取测线1、2所得的K和α值的平均值作为最终值。即爆破振动安全允许距离的计算式为:

图6　萨道夫斯基公式回归Fig.6　Sadov's regression formula

表4　回归所得K和α

(2)

(3)

由此可以推算出药量与安全距离的关系如表5所列。

表5　振速、药量与安全距离的关系

由《爆破安全规程》(GB6722-2003)可知,主频为10～60 Hz时一般砖房控制安全振速为2.3～2.8 cm/s,土坯房为0.7～1.2 cm/s;由表5可知,此次监测过程中土坯房的安全距离为160 m,一般砖房的安全距离为60 m。

4　结论

通过对依托隧道的现场测试,给出了测试方法,测定了影响范围,可为类似工程提供借鉴与参考。现场测试结果表明:

(1)隧道临近建筑的垂直振速大于径向振速和切向振速,应以监测其垂直振速为主。

(2)测试所得主振频率为10～60 Hz,而一般房屋建筑的频率均小于10 Hz,说明爆破震动不能与房屋产生共振。

(3)依据爆破震动规范的安全振速标准,此次测试土坯房的安全距离为160 m,一般砖房的安全距离为60 m。

研究结果可为隧道爆破的设计与施工提供理论依据,为类似隧道的爆破工程及解决由爆破引起的纠纷提供借鉴。

References)

[1]吴德伦,叶晓明.工程爆破安全振动速度综合研究[J].岩石力学与工程学报,1997,16(3):267-274.

WU De-lun,YE Xiao-ming.A Comprehensive Review and Commendation of Blast Vibration Safety Velocity[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1997,16(3):267-274.(in Chinese)

[2]娄建武.普通民房爆破振动破坏分析[J].爆破,2000,17(4):8-13.LOU Jian-wu.Analysis on Vibration Response and Damage of Low-rise Residential House Caused by Blasting[J].Blasting,2000,17(4):8-13.(in Chinese)

[3]杨年华,林世雄.爆破振动测试技术探讨[J].爆破,2000,17(3):90-92.

YANG Nian-hua,LIN Shi-xiong.Investigation on Blasting Vibration Testing Technique[J].Blasting,2000,17(3):90-92.(in Chinese)

[4]言志信,王永和,江平,等.爆破地震测试及建筑结构安全标准研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(11):1907-1911.

YAN Zhi-xin,WANG Yong-he,JIANG Ping,et al.Study on Measurement of Blast-induced Seism and Building Safety Criteria[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(11):1907-1911.(in Chinese)

[5]高同伟.建筑结构对隧道爆破的振动响应特性[D].青岛:山东科技大学,2011.

GAO Tong-wei.Characteristics of Buildings Responding to Tunnel Blasting Vibration[D].Qingdao:Shandong University of Science and Technology,2011.(in Chinese)

[6]陈中学,胡百万,刘彦波.隧道爆破振动对周边建筑物振动影响及减振措施研究[J].工程抗震与加固改造,2012,34(4):73-75.CHEM Zhong-xue,HU Bai-wan,LIU Yan-bo.Research on Vibration and Antivibration Which Blasting Vibration Imposed on Building Near to Tunnel[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2012,34(4):73-75.(in Chinese)

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YU Jia-li.Research on Influence of City Tunnel Construction on Surface Buildings[D].Wuhan:Wuhan University,2012.(in Chinese)

[8]GB 6722-2003,爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社,2004:42-51.

GB 6722-2003,Safety Regulations for Blasting[S].Beijing:Standards Press of China,2004:42-51.(in Chinese)

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MA Hong-wang,WANG Lan-min,CHEN Long-zhu,et al.Numerical Simulation of Earthquake Damage in Rural Masonry Buildings[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(2):232-239.(in Chinese)

Experimental Analysis of Influence of Blasting Vibration in a Hydraulic Tunnel on Surrounding Buildings

QIAO Xiong1,2,CHEN Jian-xun1,WANG Meng-shu3,WANG Xiao-xing4

(1.School of Highway,Chang an University,Xi an 710064,Shaanxi,China;2.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu,China;3.School of Civil Engineering and Architecture,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;4.Quzhou City Highway Administration,Quzhou 324000,Zhejiang,China)

Buildings adjacent to a site are considerably influenced by blasting vibrations.However,limited research has been conducted in this respect.In this paper,therefore,a hydraulic tunnel project in Guyuan city,Ningxia province,is selected as the research site and particle blasting vibration frequency and vibration velocity are tested and analyzed using in-situ tests.Results show that the tested domain frequency of buildings is between 10～60 Hz,which is different from general housing construction with a 10 Hz domain frequency and thus shows that blasting vibrations do not cause resonance in the buildings tested.In addition,according to safe speed standards in blasting vibration specifications,a safe distance for adobe houses is 160 m and that of general brick houses is 60 m.These results provide a theoretical basis for tunnel blasting design and construction,and can also be used as a reference when resolving disputes caused by blasting in similar projects.

hydraulic tunnel; blasting vibration; blasting vibration velocity; in-situ test

2015-08-04

长江学者奖励计划项目(T2014214);国家自然科学基金项目(51278063);陕西省重点科技创新团队支持计划(2014KCT-29);陕西省交通厅建设科技项目(13-14K);交通运输部科技项目(2010 353 361 310)

乔雄(1980-)，男(汉族)，博士研究生，讲师，主要从事隧道与地下工程方面的教学与科研工作。E-mail:qiaoxionglut@163.com。

U451

A

1000-0844(2016)04-0504-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0504