浅埋隧道下穿高速公路地表震动监测研究

张雯超， 汤金华， 吴志强， 李瑞红

(南通职业大学 建筑工程学院， 江苏 南通 226000)

浅埋隧道下穿高速公路地表震动监测研究

张雯超， 汤金华， 吴志强， 李瑞红

(南通职业大学 建筑工程学院， 江苏 南通 226000)

以大顶山隧道下穿沈丹高速公路工程为背景，对现场爆破试验进行震动监测，分析现场爆破试验实测振动数据，研究浅埋隧道掘进爆破时三向震动特性；利用最小二乘法对实测数据进行回归分析，拟合数据确定大顶山隧道地震波衰减参数k，α值，得出下穿地段隧道开挖爆破地震波传播规律；并对实测数据FFT分析，得出下穿地段隧道开挖爆破地震波的波谱特性。

浅埋隧道； 钻爆法; 爆破震动； 震动监测； 下穿高速公路

0 引言

随着我国高铁事业的高速发展和基础交通设施的不断完善，线路相互交错的情况不可避免。为控制爆破震害，工程上对隧道爆破开挖引起地表振动效应进行监测试验研究，分析爆破地震引起地表震动特性[1-4]。限制最大单段装药量的短进尺微差爆破技术措施[5，6]。然而，过小的单循环进尺又会降低施工效率，影响工程进度，使工程成本增大。因此，如何正确处理爆破震害的控制与工程效率之间的矛盾，已成为浅埋隧道爆破施工的关键问题之一[7]。

本文结合沈-丹客运专线大顶山隧道下穿沈丹高速段工程，采用现场监测的手段，对采用钻爆法开挖时爆破波对地表的震动特性以及地表振速的衰减规律进行研究。

1 爆破施工方案

为控制爆破震动对高速公路地表的危害，探索浅埋隧道施工中爆破震动控制技术。该段隧道采用微振控制爆破技术。根据本工程地质情况及开挖施工方法，采用“短进尺、多钻孔、少药量、弱(不)爆破”技术进行开挖施工。并对控制效果进行现场监测。

本工程决定采用微震光面爆破作为工程的爆破

方案。拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破技术，以尽可能减轻对围岩的扰动，维护围岩自身的稳定性，达到良好的轮廓成型。分部单独爆破进行设计，第1、3部开挖每循环进尺严格控制在一榀钢拱架，第2、4、5、6部开挖每循环进尺可适当调整，但不得超过2榀钢拱架，严格控制装药量，以尽可能减轻对围岩的扰动，维护围岩自身的稳定性；减轻对既有公路及新建隧道的振动影响。具体的装药量及循环进尺以现场监测结果为准进行调整。炮眼布置图见图1。

图1 炮眼布置图

2 震动监测系统

2.1 震动监测点布置

现场监测时测点位置固定，根据掌子面推进与测点位置的变化，监测并分析爆破应力波传播规律，并且可以为及时调整隧道开挖施工方案和爆破设计参数提供依据。沿隧道轴线方向布置在隧道正上方地表，分为A1、B1、C1；A2、B2、C2两组，每个测点上一个传感器(标准三向传感器)，布置位置见图2、图3。提前在高速公路地表将传感器用石膏固定，在放炮前10 min左右将振动拾振仪开机进行数据采集。

a) 平面布置

b) 纵向布置

a) 平面布置

b) 纵向布置

2.2 震动监测设备

针对大顶山隧道下穿沈丹高速公路段隧道施工过程对高速公路地表震动效应，采用加拿大Instantel公司设计的Minimate Plus振动和过压监测仪，该仪器是一台功能最为全面的振动监测仪，是工程承包商、咨询顾问、工程师和爆破人员的最爱。

爆破振动监测系统由爆破振动智能监测仪的速度传感器、数据线、计算机及配套软件组成。测量仪器传感器(标准三向传感器)、拾振仪见图4。

a) 传感器b) 拾振仪

3 结果与讨论

3.1 振动速度波形分析

浅埋隧道爆破时地面监测点其复杂的振动信号由不同频率的地震波及其反射波等叠加而成。在对时域内实测爆破振动数据进行研究时，主要分析最大振速、振动速度随时间的变化以及频谱。分别选取掌子面至DK77+715、DK77+711.5，两次爆破施工过程典型地表实测振速波形如图5、图6。从图5、图6，可以看出，为了提高施工效率，上导与中导共同微差爆破两者的掏槽孔、辅助孔和周边孔爆破形成的地震波基本没有产生叠加，能判断出各段装药爆破所对应的地表振动速度幅值，其余各测点的波形与此相似；对比3个方向的振动效应，可以发现垂向振速要明显大于其他方向的振速；掏槽孔较周边孔、辅助孔爆破产生的地震效应最强烈，这是由于掏槽孔的轴线与爆破自由面的夹角较大，受到较大的夹制作用，因而爆破震动强烈，这表明浅埋隧道掘进中不同类型炮孔的自由面条件对地表震动效应影响差异较大，因此，在分析钻孔爆破的震动效应时，不能仅以单段装药量的大小来判断震动的强弱，也必须考虑爆破方式和自由面条件；爆破振动持续时间也是研究浅埋隧道爆破地震的一个重要指标，爆破振动持续时间越长，对地面结构物的危害程度越大，从2次监测数据中得到第1次上中导共同爆破开挖震动持续时间略长为430 ms，第2次上导单独微差爆破震动持续时间在380 ms以内，可见爆破振动持续时间与爆破方案有直接关系。

图5 第1次爆破中C1测点实测振动速度波形

图6 第2次爆破中A2测点实测振动速度波形

3.2 爆破振动频谱分析(FFT)

震动的频率与结构物的固有频率相近时会引起共振，《爆破安全规程》(GB6722-2003)在规定爆破振动的安全标准时充分考虑了爆破地震波的频率的作用。利用频谱分析(FFT)对大顶山隧道爆破施工中地表监测震动进行数据频谱分析，爆破地震波含有频率成分丰富，而且各种波的含量的差别较大，通过频谱分析可以展示各频率震动波的能量，确定能量相对集中的频带和主振频率。见图7、图8。

1) 不同区域、不同方向频谱差别较大，掌子面后方A1的垂直方向上的主振频率24 Hz要小于水平径向的值32.3 Hz与水平轴向的值24.5 Hz；掌子面正上方B2的垂直方向上的主振频率51 Hz要大于水平径向的值37 Hz与水平轴向47.5 Hz。而与岩体自振频率较接近的频率波段衰减较慢且对隧道周围产生的影响也最大，其主震频率范围为20～50 Hz之间。因此，考虑爆破地震波的垂直方向分量的影响同时不能忽视爆破地震波的水平方向分量的影响，这正是浅埋堆到爆破引起的地面爆破振动的特征之一。

图7 第1次爆破中A1测点爆破地震波的频谱

图8 第2次爆破中B2测点爆破地震波频谱

2) 对比2次不同单段最大起爆药量，发现第2次上导单独微差爆破药量较大时，炮轰气体膨胀做功能量较大，爆源激发的地震波频率较低。虽然振速峰值未超限，但频率过低会引起共振效应，应该严格控制单段最大起爆药量。

3.3 振动速度分析

表1列出了2次爆破试验地表各测点振动速度幅值、加速幅值、位移幅值、频谱特性和测点与爆源的距离、起爆药量的关系。

综上所述波形分析知，掏槽孔爆破的震动效应对浅埋隧道爆破震害最大，因此研究其震动的变化特征尤为重要。表1列出了2次爆破监测掏槽孔爆破引起的地表各方向振动速度幅值、各方向位移幅值、各方向振动加速度幅值、各方向主振频率以及其相应最大单段装药量和测点至爆源的距离。对比表中掌子面前后各测点的地表振动速度发现，在2次爆破试验中，各方向振速随距离掌子面距离增加而减小。同时，对比表中位移幅值发现由爆破振动引起的位移量较小，一般在1 mm以内，这也说明围岩与地表沉降并非由爆破引起，而是由随后开挖岩体引起。

从表中可以看出掌子面前后地表振动速度的变化特征有明显的差异。图9绘出了2次爆破试验掌子面前后各测点各方向振动速度的变化特征。从图中可以发现：以掌子面正上方地表测点为转折点沿隧道轴线衰减，沿隧道掘进前方的各测点地表振动速度衰减速度远大于已开挖区上部对应测点的地表振动速度。这表明隧道开挖区形成的空腔已改变了隧道上方浅层岩体的完整结构，出现“空洞效应”[8]，即距离爆源(掌子面)相同距离的已开挖区上部地表振动速度大于未开挖部分地表振动速度的现象。

表1 地表质点振动数据统计表测点距爆心的高差H/m距爆心的水平距离L/m爆破参数/kg质点震动速度/(mm·s-1)质点震动位移/mm总装药量单段最大装药量Q最大水平径向分量最大垂直分量最大水平纵向分量最大水平径向分量A213.216.5B213.20C213.22.52#岩石炸药6kg乳化炸药6kg上导单独爆破8.5kg4.77.249.780.02349.7867.119.80.08518.2527.312.60.0155A113.213.1B113.23.5C113.262#岩石炸药6kg;乳化炸药9kg上导与中导共同爆破6kg2.676.63.560.008684.1926.510.70.0173.1719.811.20.0093质点震动位移/mm质点震动加速度频谱特性/Hz最大垂直分量最大水平纵向分量最大水平径向分量最大垂直分量最大水平纵向分量最大水平径向分量最大垂直分量最大水平纵向分量0.0450.05890.212g0.239g0.212g32.32424.50.2560.05610.636g3.05g1.17g253.347.50.0650.0270.477g1.09g0.504g74.374.574.50.0450.02140.133g0.265g0.133g24.523.523.50.1170.03320.239g1.09g0.504g375147.50.0480.02350.186g0.716g0.557g35.55774.8

图9 2次爆破中各测点振速特征曲线

3.4 爆破地震波振动数据回归分析

《爆破安全规程》采用国内外较公认的预测爆破地震动强度的经验公式——萨道夫斯基的经验公式进行爆破振动安全距离与质点振动计算，故利用最小二乘法对萨道夫斯基经验公式进行数据拟合，其公式的具体形式是：

(1)

对该公式两边同取以10为底的自然对数：

(2)

得到：Y=Ax+B

(3)

用origin8.0中对所测得的数据进行线性回归分析，建立振速与爆心距之间的线性关系。由于浅埋隧道掘进爆破引起的地表震动存在区域特点，因而，以爆破掌子面前后的地表振动速度实测数据为基础，采用最小二乘法对萨道夫斯基经验公式进行回归分析的，分别计算确定相应的地震波衰减参数。回归方程为Y=Ax+B，回归直线见图10。

图10 掌子面前、后方爆破振速参数线性回归图

求得掌子面前方振速衰减参数：B=lgK=2.585，A=α=1.16，进一步得到K=384.5，α=1.16；同理对掌子面后方已成型隧道上方地表进行线性回归得到：B=3.41，A=2.37，进一步得到K=2 570.4，α=2.37。显然，掘进后方的爆破地震波不符合萨道夫斯基公式给出的衰减规律，这正是由于“空洞效应”[8]影响所致。而在掘进前方的震动效应可用萨道夫斯基公式预测，并以此作为控制单段最大装药量的基础。

4 结论

本文通过对大顶山隧道下穿沈丹高速合同段地表沉降监测，分析比较监测数据，并且对爆破振动数据进行线性回归得到以下结论：

1) 无论是采用上导单独爆破还是上导与中导共同微差爆破，两者的掏槽孔、辅助孔和周边孔爆破形成的地震波基本没有产生叠加，其中掏槽孔爆破产生的地震效应最强烈，所以能判断出各段装药爆破所对应的地表振动速度幅值。对比3个方向的振动效应，垂向振速要明显大于其他方向的振速。

2) 频谱分析爆破震动频率主要集中在20～80 Hz之间，不同区域、不同方向频谱差别也较大，这正是浅埋隧道爆破引起的地面爆破振动不同的特征之一。对比2次不同单段最大起爆药量，发现第2次上导单独微差爆破药量较大时，炮轰气体膨胀做功能量较大，使爆源激发的地震波频率较低，危害较大，应该严格控制单段最大起爆药量。

3) 地表振速具有区域性，通过最小二乘法对掌子面前后区域分别进行线性回归得到掌子面前方振速衰减参数K=384.5，α=1.16；而掌子面后方已成型隧道正上方地表K=2 570.4，α=2.37，不符合萨道夫斯基公式。掘进前方的震动效应可用萨道夫斯基公式预测。通过控制单段最大装药量，合理的装药结构，上部增设减震孔等可以有效地控制爆破震动效应。为该地区相似工程提供参考。

[1] 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.

[2] 高文学，颜鹏程，李志星，等.浅埋隧道爆破开挖及其振动效应研究[J].岩石力学与工程学报，2011(S2)：4153-4157.

[3] KleinbergR L，Chow E Y，PlonaTJ，et al.Sensitivity and reliability of two fracture detection techniques for borehole application[J].Journal of Petroleum Technology，1984，36(4)：657-663.

[4] 曹孝君，张继春，吕和林，等.浅埋隧道掘进爆破地表震动效应数值模拟[J].西南交通大学学报.2006，41(6)：680-683.

[5] 周春锋.城市浅埋隧道开挖减震控制爆破技术[J].工程爆破，2001，7(1)：57-61.

[6] 郗庆桃.隧道爆破震动控制技术[J].爆破，1998，15(4)：83-87.

[7] 郭陕云.隧道掘进钻爆法施工技术的进步和发展[J].铁道工程学报，2007(9)：67-74.

[8] 张继春，曹孝君，郑爽英，等.浅埋隧道掘进爆破的地表震动效应试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(22)：4158-4263.

2016-09-01

张雯超( 1988-) ，男，硕士，现从事隧道与地下工程设计、施工、科研及教学工作。

1008-844X(2017)01-0156-05

U 455.41

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