玉象隧道爆破振动监测与分析

江 杰，蒲 鸥，刘刚伯，欧孝夺,2，谢规球

(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004；2.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室， 广西南宁530004；3.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室， 广西桂林5410044.中交第四公路工程局有限公司， 北京100022)

玉象隧道爆破振动监测与分析

江 杰1,2,3，蒲 鸥1，刘刚伯1，欧孝夺1,2，谢规球4

(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004；2.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室， 广西南宁530004；3.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室， 广西桂林5410044.中交第四公路工程局有限公司， 北京100022)

现行公路隧道受到偏压和浅埋的影响较大，在围岩稳定性不高的情况下，其爆破施工会对隧道产生一定影响。广西玉象隧道围岩级别为V级，从洞口延伸至洞内120 m都属于偏压浅埋段，文中通过对该隧道浅埋段衬砌结构振速进行监测，并根据监测数据进行回归分析得到拟合公式，给出测试条件下的爆破参数建议值，同时，通过拟合公式预测距离掌子面较近衬砌结构的振速，并根据结果对爆破方案进行动态调整，以保障施工的安全。研究方法和结果可对类似工程提供参考。

隧道爆破；爆破振动监测；偏压浅埋隧道；回归分析

0 引 言

近年来，我国公路隧道日益增多，许多隧道在其洞口段常常受到偏压、浅埋的影响，在施工过程中会面临围岩不稳定、岩层压力复杂等问题，当隧道进行爆破开挖时，洞口的偏压浅埋段需要谨慎处理才能避免造成工程事故的发生。在爆破施工过程中，应当采取合理的监测方案以及数据分析方法，对爆破方案进行实时调整，以有效地减少因爆破而产生的不利影响。

近年来，国内外学者针对隧道爆破振速监控分析开展了相关研究。孙西濛等[1]对隧道进行了地表爆破振动控制研究，通过对爆破开挖全面监控和数据分析，对爆破方案参数进行了实时的调整和优化；陶铁军等[2]针对爆破三向地震波的传播进行研究，通过对现场振速监测数据的回归分析，总结了采矿场三向地震波的传播规律；刘玉山等[3]根据小净距隧道的特点对现场爆破振速监测数据进行分析，研究小净距隧道之间在爆破施工时需要关注的振速控制关键因素，并总结了对应围岩条件的地震波衰减规律。然而，许多公路隧道因爆破施工使其衬砌结构受到各种形式的破坏[4-9]，特别是在隧道的洞口段，在偏压浅埋影响较大的情况下，因围岩不稳定、岩层压力复杂等使得衬砌结构稳定性降低，因此，有必要对偏压、浅埋隧道开展衬砌结构的爆破振动控制研究。

本研究以广西南宁玉象隧道工程为背景，通过对该隧道浅埋段衬砌结构的振速进行监测，根据监测数据进行回归分析得到拟合公式，给出测试条件下的爆破参数建议值，同时，预测距离掌子面较近衬砌结构的振速并根据结果对爆破方案进行动态调整，以保障施工的安全。

1 工程概况

广西玉象隧道为4车道小净距公路隧道，长度440～540 m。穿越的山型高低起伏，场地高程约105.27～210.58 m，相对高差约105.31 m，边坡陡峭，坡度一般28～40°，局部45～55°。隧道有很大一部分位于偏压浅埋区，其岩土层主要为表土、第四系残积相的碎石土以及古近系泥岩、砂岩、泥盆系硅质砂岩等，为角砾质黏性土硬塑状态，厚约0.80～6.30 m；下层砂岩结构大部份被破坏，矿物成份变化显著，风化裂隙很发育，岩体破碎，碎裂状结构。围岩被判定为V级，稳定性较差。

隧道截面设计采用四心圆断面，初期支护的主要构件由锚杆、喷射混凝土、钢支撑、钢筋网组成。爆破在隧道内进行，隧道口周边200 m范围内无需保护建筑，非机动车道、机动车道分别采用上下台阶法、双侧壁导坑法施工。为了控制爆破振动，采用松动控制爆破方式，爆破方案中周边孔、辅助孔和掏槽孔的单孔孔深分别为1.5 m、1.5 m和1.8 m，其单孔最大装药量分别为0.3 kg、0.6 kg和0.8 kg。

2 监测设备及监测内容

2.1 监测设备

监测设备采用成都中科测控公司(中国科学院成都分院)的TC-4850新型测振仪，微弱振动即可触发仪器测量，仪器携带、操作方便，可精确地记录振动时间、振动数值等相关参数。

2.2 爆破振动监测内容

文献[10]指出，爆破引起的振动强度可以用质点的速度、加速度和位移等作为衡量值。国内外学者通过大量实践得出结论：振动速度能够比较直观地反映爆破地震波的破坏程度。因此，本研究通过监测质点振动速度，结合规范[12]判断爆破地震波对隧道衬砌结构的影响程度。布置测点时，用米尺量测掌子面到测点的距离，把传感器平放到测点位置并使其垂直地面，并涂抹石膏，使传感器能够固定在测点位置上，现场测点布置图见图1。

图1 传感器和仪器布点Fig.1 Sensor and instrument layout

2.3 爆破振动监测点布置

玉象隧道的主要特点是偏压和浅埋，因此，爆破振动监测主要集中在隧道偏压浅埋段，其测点布置在距爆破开挖掌子面一定距离的衬砌结构上。

3 数据处理与分析

3.1 爆破监测数据处理

2016年3～4月，对玉象隧道右机动车道的中导洞掌子面K2+615、K2+610、K2+605，左导洞掌子面K2+500、K2+495、K2+490和右导洞掌子面K2+510、K2+505、K2+500进行了共26次振速监测，其中有效数据23个。通过对该隧道所有的监测数据分析发现，其垂直振速均比水平振速和径向振速大，因此，选取振速最大的垂直振速进行数据分析。鉴于篇幅关系，选取6个代表性数据(表1)进行分析，振速波形图见图2。

图2 仰拱爆破传感器A点振动波形图Fig.2 A point vibration waveform of inverted arch blasting sensor

表1为隧道爆破振动监测结果。考虑现场环境及条件较复杂，并根据规范[11]中振动速度要求，确定以下振速峰值作为安全判据：

①对新浇大体积混凝土，龄期3～7 d，取5 cm/s；龄期7～28 d，取10 cm/s。

②对交通隧道，取15 cm/s。

因此，根据混凝土体积龄期的不同，距离掌子面35 m以内衬砌的新浇混凝土取值为5 cm/s，35 m以外取值10 cm/s。现场监测所有测点振动速度峰值均满足以上要求。

表1 爆破振动监测数据
Tab.1 Monitoring Results of Blasting Vibration

位置测试目标爆心距R/m炸药量Q/kg振速v/(cm·s-1)中导洞K2+615初衬2548113中导洞K2+615初衬4048085左导洞K2+500初衬40721132左导洞K2+500初衬1872209左导洞K2+500初衬2372153右导洞K2+510初衬2572196

3.2 回归分析

在实际工程中，最大装药量和爆源至测点的距离是影响爆破质点振速最主要的原因，据此，许多学者采用萨道夫斯基公式进行隧道爆破振速回归分析。许海亮等[12-14]根据相关的现场实测数据发现在钻孔爆破中自由面面积对振速影响也比较大，因此，以萨道夫斯基公式作为基础[15-16]，把掌子面自由面面积引进计算公式，据此研究并提出了修正的萨道夫斯基公式：

式中，v为爆破振动速度(cm/s)；Q为同段起爆的最大装药量(kg)；R为爆源至测点之间的距离(m)；A为爆破的自由面面积(m2)；k、α为爆破相关系数；β为自由面面积系数，理论上为负值。

根据初衬监测数据，用回归分析的方法拟合出系数k、α、β值，得到玉象隧道在V级围岩进出口偏压浅埋段的爆破振动衰减规律公式中k=271.5，α=0.835 45，β=-1.064 96。因此，在该段围岩下爆破开挖引起的垂直振动速度可表示为：

上式拟合相关系数R2=0.846 88，说明回归的相关性良好。

因此，在该段围岩状况下，在测量出爆心至测点距离、爆破自由面面积以及查阅规范中要求的安全振速后，可根据回归公式反算出该次爆破所允许的最大装药量，进而对爆破方案的相关参数进行实时调整，以保证施工过程的安全。

3.3 公式验证与预测

为了验证该拟合公式的准确性，运用实际监测数据与计算数据进行对比验证的方法，即在公式拟合完成后对左导洞掌子面K2+485和掌子面右导洞K2+495的初衬进行爆破振速的监测数据采集，并将实际监测的振速与相应的拟合公式计算振速进行对比和验证，具体数据见表2。

表2 实际监测值与公式计算值对比
Tab.2 Comparison of actual value and formula calculation

位置测试目标方法振速v/(cm·s-1)爆心距R/m装药量Q/kg左导洞K2+485初衬实际监测1282572公式拟合120右导洞K2+495初衬实际监测1113072公式拟合101

由表2可知，左导洞掌子面K2+485和掌子面右导洞K2+495的实际监测振速值与其拟合公式计算值分别相差6.25%和9%，由此验证该隧道爆破振速的拟合公式是比较准确的。可以在每次爆破施工之前先按照公式进行预测，以保障每次爆破施工的安全。

在现场爆破施工中，出于对仪器的安全考虑，没有把仪器安置在距离掌子面比较近的区域，因此，在对此区域进行爆破振速安全评估时，可以根据拟合出的修正萨道夫斯基公式计算出相应的振速。如在计算距离右导洞K2+490掌子面5 m的初衬振速时，可以根据Q=72 kg，R=5 m，A=30 m2，最终计算得出v=6.22 cm/s，该振速不满足规范要求(小于5 cm/s)，因此需要对爆破方案进行调整。根据规范要求的最大振速，通过公式反算出最大爆破药量Q=32.82 kg≈33 kg，经与施工方讨论，提出该条件下爆破方案药量应调整为33 kg以下，以保障衬砌结构的安全。

施工时，可根据此方法预测距离掌子面较近区域的振速，验证并实时调整爆破方案，保障爆破施工的安全。

4 结 语

本研究通过对玉象隧道的偏压浅埋段进行爆破振动监测与分析，从距离掌子面18～40 m的衬砌结构采集了26次爆破振动数据，研究该隧道地震波传播和衰减规律，并应用于指导爆破施工。

通过对实际监测数据进行回归分析，拟合出修正的萨道夫斯基公式，参数建议值为k=271.5，α=0.835 45，β=-1.064 96，并根据拟合公式预测右导洞K2+490距掌子面5 m初衬的振速。预测结果表明，按爆破方案进行施工并不安全，最终根据规范要求，通过公式进行反算得到此爆破条件下的装药量应不大于33 kg，进而对爆破方案进行实时调整，以保障隧道爆破施工安全。研究方法和结果对类似工程可提供参考。

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(责任编辑 唐汉民 裴润梅)

Monitoring and analysis of blasting vibration of Yuxiang tunnel

JIANG Jie1,2,3, PU Ou1, LIU Gang-bo1, OU Xiao-duo1，2, XIE Gui-qiu4

(1.College of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University， Nanning 530004，China;2.Key Laboratory of Ministry of Education of Egineering Disaster Prevention and Structural Safety, Guangxi University， Nanning 530004; 3. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology，Guilin 541004, China; 4.CCCC Fourth Highway Engineering Bureau Ltd，Beijing 100022)

At present, highway tunnels always experience a gradual influence from the surrounding rock due to unsymmetrical pressure and shallow buried-depth. Under the situation of low stability of surrounding rock, the influence cannot be ignored if the tunnels need to be constructed with the method of blasting. The analysis of blasting vibration is based on Guangxi Yu-Xiang tunnel’s monitoring data. The tunnel’s surrounding rock level is V, and the 120 m section from entrance to interior of the tunnel is shallow buried and under unsymmetrical pressure. By monitoring the vibration velocity of lining structure of the section, a formula is fitted from the monitoring data, which gives recommended value for blasting in the tunnel. According to the regression formula, the peak vibration velocity of the lining structure close to the tunnel face is predicted, and whether the velocity is in a safe range is assessed. With the method, the blasting construction program is put into dynamic adjustment. This method gives a reference for the scheme adjustment of the tunnel excavation and optimization of blasting design parameters.

tunnel blasting; blasting vibration monitoring; tunnel being shallow buried and under unsymmetrical pressure; regression analysis

2016-08-14；

2016-09-26

国家自然科学基金资助项目 (51568006，41372361)；广西重点实验室系统研究项目(2016ZDX11)；广西岩土力学与工程重点实验室资助课题(14-KF-03)

江 杰(1979—)，男，湖北麻城人，广西大学研究员，博士；E-mail：jie_jiang001@126.com。

江杰，蒲鸥，刘刚伯,等.玉象隧道爆破振动监测与分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(6)：1751-1755.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1751

U452

A

1001-7445(2016)06-1751-05