邻近隧道管片结构对基岩和孤石爆破的振动响应特征研究

褚晓宏，黄勐，黄林冲，梁禹



邻近隧道管片结构对基岩和孤石爆破的振动响应特征研究

褚晓宏1，黄勐1，黄林冲2，梁禹2

(1. 中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000； 2. 中山大学 工学院，广东 广州 510000)

华南沿海地区盾构隧道施工时，经常会遇到球状风化岩体和基岩侵入隧道开挖断面的情况。在盾构直接掘进前，可采用水下钻孔爆破的方法对侵入基岩和孤石进行预处理。然而，这种无自由面爆破产生的振动效应及其对邻近结构物的影响不可忽视。基于某海底取水隧洞工程，重点研究邻近已建隧洞管片结构对基岩和孤石爆破的振动响应特征，对监测数据进行对比分析，得出不同衬砌结构、测点位置及岩性条件下地震波衰减参数，并对现行爆破振动控制标准进行讨论。研究结果表明：地震波传播到管片壁内表面时，会发生突变放大效应，爆破振动对隧洞迎爆侧的影响要大于背爆侧，相对于其他爆破工程，无自由面条件海底孤石爆破产生的爆破振动更大。结构物的振动破坏不仅取决于地震波的质点振动速度，还与地震波的幅值、频谱、结构自身的动态特性、爆破自由面和爆破持续时间等诸多因素有关。

基岩爆破；孤石爆破；振动监测；结构响应；安全控制标准

盾构法具有施工速度快、施工安全性好、对地层扰动小等诸多优点。然而，相对于陆上盾构隧道，跨海盾构隧道遭遇的地质条件更为复杂。如华南沿海典型的岩浆岩侵入地层，当盾构在这种地层中掘进时，就会不同程度地遭遇球状风化岩体和基岩局部侵入隧道开挖断面的情况[1]。在盾构直接掘进前，可采用水下钻孔爆破的方法对侵入基岩和孤石进行预处理，使岩石破碎成设计块度，减小盾构刀盘磨损[2]。然而爆破产生的振动效应及其对邻近已建结构物的影响却不可忽视。相比陆域爆破[3]或存在自由面的水下爆破[4]，无自由面条件下岩体爆破及其振动响应特征如何，国内外研究较少。日本最早进行了无自由面岩体爆破的工程实践，但对爆破参数的选取和振动分析未考虑无自由面的特殊性[5]。国内，王伟[6]和张庆彬[7]进行了无自由面条件下岩体爆破的模型试验；路耀邦[8]、温智捷[9]和刘洪震[2]对无自由面条件岩体爆破振动进行了现场测试，但对该条件下爆破振动响应特征的分析较少，受传统爆破振动公式的限制，无法有效指导现场爆破药量的控制及爆破参数的优化。本文基于某海底取水隧洞无自由面基岩突起及孤石控制爆破工程，通过现场实测与理论分析，研究了邻近海底盾构隧道结构爆破振动响应特征，得出在该地区不同地层条件下的地震波衰减参数，并对现行爆破振动控制标准进行讨论。

1 工程概况

某取水隧洞位于大陆与海岛之间的海域中，隧洞全长4 330.6 m，为双洞双线取水方式(下文简称1号隧洞和2号隧洞)，开挖洞径为9.03 m，隧洞埋深11~29 m，两洞中线间距为29.2 m，主要采用大断面泥水盾构施工。如图1所示。

1号隧洞全线先期施工完成后，2号隧洞陆域侧盾构开始始发。在2号隧洞盾构始发段前方150 m，地层覆盖介质主要为强风化花岗岩、风化残留体及部分基岩侵入体，地层变化较大。洞身周围存在多处基岩突起和孤石，且基岩和孤石的强度较高，平均强度高于120 MPa，个别地段岩石单轴抗压强度甚至达到220 MPa；孤石被包裹在粉质黏土和风化残留体中不易固定，若直接用盾构机掘进开挖，将对盾构机的刀盘及刀具产生严重磨损。因此，在泥水盾构掘进前，计划对盾构始发段前方基岩突起段和孤石段区间进行水下钻孔爆破，爆破后形成30 cm块径大小的碎块，以利于后续盾构掘进。2号隧洞前方孤石群分布物探成果如图2所示。

图1 取水隧洞工程示意图

图2 2号隧洞前方孤石群分布物探成果图

2 控制爆破及其监测方案

2.1 无自由面基岩突起、孤石爆破施工方案

自由面是爆破设计中重要的爆源参数之一，自由面的数量对爆破振动有着显著的影响[10]。传统爆破工程至少存在1个自由面(隧道掌子面爆破、矿山台阶爆破等)，本工程水下钻孔爆破是在地表下完全封闭的环境中进行的，属无自由面爆破。现场2号隧洞前方基岩突起、孤石爆破装药结构如图3和图4所示。

爆破区域投入3台跟管潜孔钻机和15台地质钻机。爆破钻孔直径为89 mm，采用垂直钻孔形式，孔内雷管选用毫秒导爆管雷管，起爆雷管选用瞬发电雷管，炸药选用乳化炸药，标准直径为Φ60 mm，炮孔采用正向装药起爆，起爆选用电与非电2种方式联合起爆，采用两发瞬发电雷管，且分别属于2个电爆网路，2套网路并联后起爆。爆破后对爆破区域采用袖阀管注浆加固。

图3 孤石爆破装药结构图

图4 基岩爆破装药结构图

2.2 基岩突起、孤石控制爆破监测方案

由于爆源离邻近1号隧洞较近(直线距离最近23.75 m)，且属于无自由面爆破，爆破时能量无法从自由面逸出导致爆破振动较大，爆破振动对邻近隧洞管片结构是否造成影响，是本文研究的重点。 本工程实施了7次爆破，共进行了7次爆破振动监测。每次爆破，分别在1号隧洞不同位置共布置6台仪器。根据监测目的不同，进行多次布点。测点布置如图5所示，分别分析了爆破振动对衬砌结构分界面(初衬与管片)(图5(a))、不同侧(迎爆侧与背爆侧)管片结构(图5(b))、同侧管片结构(基岩段与孤石段爆破)(图5(c))的影响。监测主要以质点的振动速度作为衡量爆破地震效应强度的判据。

(a) 不同衬砌结构分界面爆破振动监测；(b) 不同侧管片衬砌结构爆破振动监测；(c) 不同爆破类型管片衬砌结构爆破振动监测

3 监测结果分析

由于现场每次爆破各爆孔的爆源位置和装药量大小不尽相同，因此爆破振动监测所得的数据应分别加以分析。基于每次的监测目的不同，其测试结果按以下3种情况进行分析。

3.1 隧洞不同衬砌结构振速对比分析

为对比分析不同衬砌结构对爆破振速的影响，如图5(a)所示，2号隧洞前方基岩突起和孤石进行控制爆破时，将1号监测点安装在隧洞钻爆段−混凝土衬砌结构上，2号测点安装在隧洞盾构管片结构上。两监测点最近纵向距离不到3 m。分别对2次爆破振动的监测数据进行分析，如表1所示。

表1 初衬与管片侧振速对比分析

从表1可知，尽管1和2号测点相隔较近，但管片侧测得的振动速度要大于初衬侧。从而证明，由于管片结构特殊的圆柱形构造，振动波传播到管片壁内表面时，会发生突变放大效应，现场测得的资料不能完全反应出真实的振动波形，需要对实测数据信号进行频率分析和滤波处理。

3.2 隧洞迎爆侧与背爆侧振速对比分析

2号隧洞前方基岩突起和孤石进行控制爆破时，在1号隧洞离爆源最近的衬砌管片迎爆侧和背爆侧拱腰位置分别安装了监测仪器进行测试。实测数据显示，迎爆侧比背爆侧的振动速度明显要大。测试结果如表2所示。

表2 迎爆侧和背爆侧峰值振速对比分析

由表2数据可知：隧道迎爆侧拱腰位置的最大振动速度均要大于同里程背爆侧拱腰位置的最大振动速度3~5倍；迎爆侧监测点测得的方向的振速要远大于和方向的振速，即垂直方向振动速度要大于水平方向振动速度；背爆侧则相反，背爆侧监测点测得的方向的振速要大于和方向的振速，即水平方向的振动速度要大于垂直方向的振动速度。说明迎爆侧为应力波的直接入射破坏作用，以垂直方向应力为主，背爆侧由于应力波的绕射作用，以水平方向应力为主。

3.3 基岩突起段与孤石段振速对比分析

2号隧洞前方150 m内基岩突起爆破段大部位于大陆一侧，隧洞上部主要为粉质黏土，下部为大量基岩，岩石强度大；孤石爆破段大部位于海域段，该段地层变化较大，主要为强风化花岗岩、风化残留体及淤泥粉砂质黏土，地质条件较差。

由于爆破振动对邻近既有隧洞迎爆侧边墙衬砌影响最大，因此监测时把测点主要布置在隧洞迎爆侧拱腰处。多次测试显示，在基岩突起段和孤石段爆破时，测得数据相差较大，其结果如表3所示。

表3 基岩段和孤石段峰值振速对比分析

由表3数据可知：即使基岩段所用药量比孤石段大得多的情况下，孤石段所测得的振速仍要比基岩段的大一个数量级，已超过《中华人民共和国爆破安全规程(GB6722—2014)》[11](下文简称《安全规程》)规定的水工隧洞的允许安全振速(10~15 cm/s)；在基岩段测得的最大振速，要远小于在孤石段测得的最大振速，符合《安全规程》规定的允许值。分析其原因主要有以下几点：

1) 根据前期地质勘查，陆域侧基岩突起段存在多条断层，断层在动应力作用时的“结构面动态效应”，消耗了大量能量，而具有隔震效应；

2) 地震波在岩土介质中传播，其地震效应受爆破本身性质影响外，还取决于岩土介质本身的振动周期。有研究表明[12]，相同条件下，在软弱的岩石中地震效应要更强烈，在坚硬的未被破坏的岩石中，其地震强度要比软弱地层中低10~20倍左右。

3) 本项目爆破属于地下条形药包爆炸，地下条形药包爆炸的主要作用是冲击波压力作用。冲击波优势能量耗损在粉碎岩石上，在基岩中冲击波衰减很快。因此，爆破对基岩段的影响较小。

3.4 基岩突起段与孤石段地震波衰减参数分析

我国《安全规程》规定爆破振动传播与衰减规律普遍采用萨道夫斯基的经验公式：

式中：为地震安全速度，cm/s；为最大段装药量，kg；为与地质条件有关的系数；为与岩性、地形地质因素相关的衰减系数。

由于每次爆破其爆源位置和地层条件不同，因此每次爆破得到的现场实测数据不能统一进行回归分析。从总体来看，可将整个爆破段和值回归分析分为基岩段和孤石段：

通过埋设在基岩段1号隧洞迎爆侧的测振仪测得的不同段药量爆破(群药包微差爆破)最大振速进行回归分析，分析数据如下表4示。

将表4数据代入萨道夫斯基的经验公式进行回归分析，得出在本次爆破区域(基岩段)垂直方向的和值。经计算，=37.21；=1.31。按《安全规程》的规定属于“坚硬岩石”。这与现场基岩突起段岩性为坚硬花岗岩是一致的。

2) 孤石段和值回归分析

由于孤石段孤石分布不均匀，地层变化大，局部风化带等缺陷介质发育，不同次孤石爆破其地震波衰减规律不同。在此，我们以其中2次数据分别进行回归分析，初步得出孤石段爆破地震波的衰减规律。爆破数据如表5所示。

表4 基岩段爆破参数表

表5 孤石段爆破参数表(数据1)

孤石段爆破参数表(数据2)

将上表数据代入萨道夫斯基公式，可初步回归分析孤石段和值。经计算和值如表6所示。《安全规程》给出的，值与地层岩性的关系如表7所示。

表6 孤石段K和α值计算表

表7 K，α值与地层岩性关系

从表6和表7可知，通过回归分析得到的场地系数值较大，表明爆区岩性整体较软，这与现场孤石被软黏土层包覆的特性是一致的；值是爆破地震波随距离衰减的系数，由于孤石与基岩爆破所在位置离测点距离相近，因此回归得到的值也 相近。

经外周静脉置入中心静脉导管（PICC）是临床实践中比较常见的一种静脉置管技术，具有操作简单、安全性较高、成本较低的特点，被广泛应用在各种恶性肿瘤患者化疗治疗过程中，能够有效地提升患者治疗效果[1-3]。白血病患者由于其身体免疫力比较低下，血液处于高凝状态，使得其运用PICC置管的时候会有大量的并发症发生。集束化护理作为一种系统性的护理手段，应用在白血病PICC置管患者中，可以有效的改善患者的化疗效果，促进患者身心健康[4-6]。

4 对爆破振动速度控制标准的讨论

目前，爆破振动对建筑物的破坏程度通常以振动速度为衡量标准。按《安全规程》规定，水工隧道允许的振动速度为小于7~15 cm /s，才能满足一般建筑物爆破地震安全要求。然而，从本工程的实际情况来看，在孤石段爆破时，在距离其最近的1号隧洞迎爆侧管片上测得的数值，一般要大于《安全规程》规定的最大振动速度，测得的最大振速为36.26 cm/s。《安全规程》中规定的以质点振动速度峰值作为判定水工隧洞结构安全性的唯一指标值，是否适合所有爆破情况，值得进行讨论。

1) 自由面对爆破振速的影响

一般隧道爆破，往往是在其掌子面进行开挖爆破，掌子面具有较好的自由面条件，爆破时地震波能量有一部分逸散在自由面的空间中；而本工程孤石段钻孔爆破是在水下几乎完全封闭的环境中进行的，没有自由面条件，且存在高水压夹制，要达到同样的爆破效果，其炸药单耗是常规公式计算值的3倍以上[7]。因此在相同情况下孤石爆破测得的振速要比隧洞掌子面爆破的振速大。

2) 地层条件对爆破振速的影响

基岩突起爆破段大部位于陆域段，隧洞上部主要为粉质黏土，下部为大量基岩，岩石强度大；孤石爆破段大部位于海域段，该段地层变化较大，主要为强风化花岗岩、风化残留体及淤泥粉砂质黏土，地质条件较差。而本工程属于地下条形药包爆炸，地下条形药包爆炸的主要作用是冲击波压力作用，冲击波优势能量耗损在粉碎岩石上，在基岩中冲击波衰减很快，在软性地层中衰减较慢。因此在孤石段测得的爆破振动速度要远大于基岩段，而《安全规程》中并未对此有所区分。

3) 管片结构对爆破振速的影响

当地震波波阵面到达隧洞管片衬砌时，由于管片本身的结构特性(圆筒形中空构造、自振周期、阻尼特性、质量和刚度等)与围岩的差异性，波阵面波头压力将升高，因此在爆破瞬间，管片衬砌的震速将上升到一个较大的值[13−14]。文献[7]经过数值计算得出在迎爆侧，管片振动速度是临近围岩振动速度的1.45~2.1倍，而在背爆侧，这种放大效应则不 明显。

4)振动频率对爆破振速的影响

此外，由于现场施工环境的复杂性和冲击波在洞内的来回反射与共振，现场测得的数据不能完全反应出真实的振动波形，需要对现场实测数据信号进行频率分析和滤波处理，过滤掉其他干扰因素的影响。作者基于快速傅里叶变换(FFT)方法，对本工程总共64组有效监测数据进行了主频分析和滤波处理，得出实际爆破能量分布在75~1 000 Hz的频率带区间，滤波后的最大振速从36.25 cm/s降到了8.51 cm/s，要小于《安全规程》中给出的参考值。如图6所示。

图6 滤波前后波形示意图

5) 其他爆破特性参数的影响

建筑物的振动破坏不仅取决于地震波的质点振动速度，还与地震波的幅值、频谱和爆破持续时间等因素有关[15]。本工程全程采用毫秒微差雷管群药包分段爆破，爆破持续时间较长，且随着传播距离的增大，爆破地震波的主频率降低、振动波型的持续时间变长，增加了爆源中远区的爆破振动叠加的可能性。本工程爆源距离已建隧道最近直线距离23.75 m，爆破振动存在波形叠加的情况，增大了振速幅值。

6) 萨道夫斯基公式的适用性

萨道夫斯基公式受爆破场地的地质条件影响很大，特别是在无自由面条件的孤石爆破时，能否用单一的质点最大振速作为安全判据去评价结构的安全性值得商榷。有文献对萨氏公式进行了修正，如考虑了爆破自由面[16]、装药结构[9]、岩性参数[17]、振动波衰减[18]、相对高程[4]和爆破方式[19]的影响。但上述修正公式也是基于特定工程监测数据得出的经验公式，无法适应所有工况。对于爆破振动安全控制标准的研究还需进一步深入。

爆破后立即对1号隧洞距爆源最近的衬砌管片处进行监控量测，肉眼观测管片完好，并无裂纹或裂缝，拱顶沉降及水平收敛量测值也在安全范围内。但由于孤石段的地层环境复杂，要达到安全施工的目的，仍需重点控制孤石段爆破，采取有针对性的爆破减震措施，如爆破药量控制、优化爆破参数与布孔起爆方式等，同时加强爆破监控量测。

5 结论

1) 相对于其他爆破工程，无自由面水下钻孔爆破，特别是海底孤石钻孔爆破产生的爆破振动更大，进行爆破设计与施工时应充分考虑无自由面的影响。

2) 相对于山岭隧道普通衬砌，由于盾构管片结构特殊的圆柱形构造，振动波传播到管片壁内表面时，会发生突变放大效应，现场测得的数据不能完全反应出真实的振动波形，需要对现场实测数据信号进行频率分析和滤波处理。爆破振动对邻近隧洞迎爆侧的影响要大于背爆侧，隧洞迎爆侧受垂直方向应力波影响较大，背爆侧由于应力波的绕射作用，以水平方向的应力为主。

3) 基岩突起段与孤石段爆破时其爆破振动速度相差极大，说明岩性和地层条件是耗损爆炸能量的重要因素，孤石段爆破荷载对于邻近隧洞的影响要比基岩段爆破大。因此，应重点控制好孤石段的爆破，采取相应减震措施，减小爆破地震效应。

4) 结构物的振动破坏不仅取决于地震波的质点振动速度，而且还与地震波的幅值、频谱、结构自身的动态特性、爆破自由面和爆破持续时间等诸多因素有关，对于是否能以单一的质点振动速度作为水工隧洞安全标准，值得进一步讨论与研究。

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(编辑 蒋学东)

The vibration response characteristics of the adjacent tunnel segmentsduring bedrock and boulder blasting

CHU Xiaohong1, HUANG Meng1, HUANG Linchong2, LIANG Yu2

(1. China Railway 14th Bureau Co., Ltd, Jinan 250000, China; 2. School of Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510000, China)

Shield tunnel construction usually encounters spherical weathering rock mass and bedrock intrude into the excavation section in coastal areas of south China. Prior to the shield tunneling, the method of underwater drilling and blasting can be used to pre-treat the bedrock and boulder. However, the vibration effect produced by this type of blasting with no free surface and its impact on adjacent structures cannot be ignored. Based on an undersea intake tunnel project, this paper focused on studying the vibration response characteristics of bedrock and boulder blasting of the pipeline segment adjacent to the built tunnel, making comparative analysis of the monitoring data, obtaining seismic wave attenuation parameters under different lining structures, measuring point position and lithological characteristics, and discussing the current standards of blasting vibration control. According to the study, the abrupt amplification effect occurs when the seismic wave propagates to the inner surface of the segment, and the impact of blasting vibration on the blasting side of the tunnel is greater than that of the back blasting side. Compared with other blasting engineering applications, the blasting vibration generated by sealed solitary rock blasting under the condition of no free surface is greater. The vibration damage of structure not only depends on the particle vibration of seismic wave, but is also related to the amplitude, spectrum, dynamic characteristic of the structure itself, and the blasting free surface and duration time of blasting.

Bedrock blasting；boulder blasting；vibration monitoring; structural response; safety control standard

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.09.018

TU44

A

1672 − 7029(2018)09 − 2308 − 08

2017−06−21

国家自然科学基金资助项目(51678578，51708564)；广东省自然科学基金资助项目(2016A030313233)；中国博士后科学基金面上资助项目(2018M633223)；广东省交通运输厅科技资助项目(2016-02-026)；广州市科技计划资助项目(201704020139，201804010107)

梁禹(1986−)，男，湖南长沙人，副研究员，从事地下工程与隧道结构安全控制的科研工作；E−mail：liangyu25@mail.sysu.edu.cn