隧道爆破振动控制关键技术与进展

郝瑞军　郝永明

摘  要：为了研究隧道开挖中爆破振动的传播规律，使振动控制效果降低更加明显。首先，文章总结了隧道爆破振动速度衰减规律及预测方法，并分析了爆破振动速度的影响因素，然后总结了爆破振动频率与能量分布规律，最后从爆破振动监测、爆破合理时差、炮孔布置形式和增设减震孔方面总结了隧道爆破振动控制技术。可见，振动速度衰减与爆心距、爆腔大小、岩体纵波速度及品质因子有关;振动频率与能量分布之间存在密切关系;隧道爆破振动控制只有将现场实时监测、多种有效减振措施相结合才会达到更好的效果。在隧道爆破开挖和结构物保护方面起到了重要的安全指导作用。

关键词：隧道工程;爆破振动控制;振动速度;能量分布;振动监测;研究进展

中图分类号：U455.6        文献标志码：A        文章编号：2095-2945（2019）29-0159-04

Abstract： In order to study the attenuation law of blasting vibration in tunnel excavation， the effect of vibration control is reduced more obviously. First of all， this paper summarizes the attenuation law and prediction method of tunnel blasting vibration velocity， analyzes the influence factors of blasting vibration velocity， and then summarizes the law of blasting vibration frequency and energy distribution. Finally， the blasting vibration control technology of tunnel is summarized from the aspects of blasting vibration monitoring： reasonable time difference of blasting， hole layout and adding damping hole. It can be seen that the attenuation of vibration velocity is related to the distance of explosion center， the size of explosion cavity， longitudinal wave velocity and quality factor of rock mass， and there is a close relationship between vibration frequency and energy distribution. Tunnel blasting vibration control can achieve better results only by combining on-site real-time monitoring and a variety of effective vibration reduction measures， thus playing an important safety guiding role in tunnel blasting excavation and structure protection.

Keywords： tunnel engineering; blasting vibration control; vibration velocity; energy distribution; vibration monitoring; research progress

前言

隨着我国公路交通事业飞速发展，隧道爆破施工是隧道建设中十分重要的环节，由于直接关系到隧道能否顺利施工[1]。在隧道附近常常会存在一些建筑物或者正在施工的隧道，爆破过程中炸药产生的冲击波经过岩层土体传播至建筑物基础上，造成地基沉降和建筑物开裂破坏倒塌，引起不必要的人员伤亡和财产损失[2-4]。研究隧道爆破振动控制技术，能够有效保证周围结构物的安全，同时可为隧道爆破施工提供一定的参考价值。

从目前国内外研究现状来看，隧道爆破振动控制技术主要基于现场爆破振动监测数据及相关工程经验，在隧道爆破振动传播规律及对周边建筑物的破坏机理方面研究体系不够完善，缺乏一定的理论指导，爆破预期的控制精度并不高。例如高文学等分别分析了地表爆破振动速度及振动波传播规律和哪些因素有关，提出掏槽孔是降低振害的关键，并全面监控隧道爆破振动效应[5]。袁绍国等总结了控制爆破需要从爆破体的破碎程度、破坏范围、坍塌方向和危害作用出发，并介绍了控制爆破的五种不同原理[6]。Crandle研究了爆破振动波的传播特性以及爆破振动的规律[7]。

通过总结和分析当前的隧道爆破振动控制技术研究成果，本文认为目前隧道爆破振动控制主要不足的地方有以下几点：（1）隧道爆破振动衰减快慢与哪些爆破参数有

关;（2）各种爆破控制技术怎么样组合才能达到最佳效果;（3）隧道爆破振动强度的预测。

1 爆破振动传播规律

研究隧道爆破振动规律是实现有效振动控制的重要前提。一般地，爆破振动与爆心距、高程差、地质条件等有一定的联系。许多研究人员对爆破振动频率衰减规律作了深入的探讨，研究发现，爆炸腔大小、爆心距以及波在岩体中传播速度决定了隧道爆破振动频率的衰减[8-10]。爆破振动规律从能量分布特征的角度分析是一种有效的手段。例如，中国生等[11]、凌同华等[12-13]、石长岩等[14]采用小波包分析技术对不同爆炸参量下产生的爆破振动信号进行小波包能量谱分析，获得了爆破振动信号不同频带的能量分布图。隧道爆破振动能量分布与爆破孔中药量多少有关系，当最大段药量比较少时，爆破振动能量主要分布在中高频带附近，而且能量相对分布比较宽，当最大段药量逐渐增加时，爆破振动能量主要分布在中低频带附近，并且能量分布比较集中，由表1所示。

毕卫国等比较了各种拟合公式并讨论了爆破振动速度衰减公式的优选，经过各个公式的误差分析，提出应该解除萨式公式中一次起爆药量和爆心距的比例关系，采用优化后的指数模拟[15]。吕涛等根据线性回归法和非线性回归法提出了求解爆破振动速度衰减公式参数的非线性回归法[16]。如图1所示，现场实测数据、线性回归法拟合的萨道夫斯基公式和非线性回归法拟合的萨道夫斯基公式的对比分析，由此可知，振幅越大，非线性回归法得到的公式更加接近实测值。一般地，隧道远处的围岩振动规律不适用近处隧道爆破围岩振动，监测隧道爆破近区围岩和掌子面附近围岩的振动规律是隧道钻爆施工安全的重要保证[17]。肖文芳等[18]、张勤彬等[19]、程康等[20]、赵华兵等[21]分别对爆破振动速度预测方法作了深入研究。由此可见，爆破振动速度在介质中具有一定的传播规律和可预测性。

通过以上文献分析，隧道爆破振动速度的衰减与爆心距、爆腔大小、岩体纵波速度及品质因子等有关;分析爆破振动规律可以从能量和振动频率的关系入手，即振动频率与能量分布之间存在密切关系。

2 爆破振动控制方法研究

2.1 隧道爆破振动监测

隧道爆破振动监测是为了实时监测某位置处质点的振动响应，分析爆破地震波在介质中能量分布规律，防止和减小爆破振动对周边结构的破坏[22]。陈庆等利用测试系统中的拾振器1，2，3分别测量振动速度的水平径向分量Vr、水平切向分量Vτ和垂直分量Vz[23]。于建新等采用TC-4850爆破测振仪监测爆破振动速度，振动传感器应垂直于隧道竖直方向，平行于隧道轴线方向且垂直于隧道墙壁[24]。娄建武等研究了爆破振动速度、频率、地基土壤性质等方面对结构物破坏的影响，并提出结构物的安全阈值应取易破坏的部位数据为准[25]。

龚建伍等监测并分析了小净距隧道中间岩墙在爆破作用下的动力响应[26]。陈连进研究了小净距隧道中间岩柱在爆破荷载下的动力响应和损伤累计，并拟合了中间岩柱中的地震波衰减公式[27]。林从谋等研究了中间岩柱的损伤效应，并分析了掌子面位置、爆破次数的影响规律[28]。可见，对于小净距隧道爆破监测并研究中间岩柱墙的振动响应非常关键。

2.2 爆破合理的时差

在短进尺的隧道爆破中，振动速度峰值一般出现在掏糟爆破施工，对于低段位，各排炮孔之间应有合理的时差间隔[29]。合理的毫秒延时间隔有利于降低爆破振动响应[30-32]。薛里等采用波动理论分析了爆破振动波叠加减振的条件，并研究了毫秒延时爆破振动波形叠加干扰减振时间间隔时差计算方法[33]。

2.3 炮孔布置形式

薛里等通过增加中心炮孔并优化掏槽方案、药量和起爆时差，最大程度地减少振动响应，为了减少掏槽挟制和振动作用，在楔形掏槽孔中心增加直眼浅炮孔[34]。王仁涛等采用大直径中空直眼掏槽和减小单段最大起爆药量，合理布置炮孔间排距、优化爆破网路，对振动速度进行控制[35]。

2.4 增设减震孔

刘新荣等分别分析了单段装药量、布置减震孔和装药结构对隧道爆破振动控制的影响[36]。如图2所示。隧道开挖炮眼布置图如图3所示。李立功等在隧道爆破面增加减震孔的数量或者爆破眼的直径，并利用水压爆破的优点，结合信息化监测技术手段，达到爆破振动的控制[37]。

总结以上方面，隧道爆破振动控制在现场监测的前提下，将多种爆破减振手段相结合，才能达到减振和降低对结构物的破坏。

3 结束语

（1）总结大量关于隧道爆破振动速度衰减规律的研究成果可以发现，振动速度的衰减与爆心距、爆腔大小、岩体纵波速度及品质因子有关;振动频率与能量分布之间存在密切關系。

（2）总结大量文献，隧道爆破施工振动控制只有通过现场实时监测、多种有效减振措施相结合才会达到更好的效果。

参考文献：

[1]翟渊博.隧道爆破震动对民房的危害及安全评价[D].西安：西安建筑科技大学，2008.

[2]魏海霞.爆破地震波作用下建筑结构的动力响应及安全判据研究[D].济南：山东科技大学，2010.

[3]侯爱军.地铁隧道开挖爆破对地表建筑物的振动影响[J].四川建筑科学研究，2010，36（3）：160-163.

[4]林凡涛.隧道开挖爆破震动对地表建筑物影响[D].北京：北京交通大学，2015.

[5]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，2011，30（S2）：787-791.

[6]李付胜.城市隧道掘进爆破数值模拟及震动效应控制研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[7]Crandle FJ.Ground vibration due to blasting and its effect upon structures[J].Journal of the Boston society of civil engineering，1949，36（2）：222-245.

[8]周俊汝，卢文波，张乐，等.爆破地震波传播过程的振动频率衰减规律研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（11）：16-23.

[9]卢文波，张乐，周俊汝，等.爆破振动频率衰减机制和衰减规律的理论分析[J].爆破，2013，30（2）：7-12，17.