隧道爆破自由面数量对地表振动影响研究

冀新宇，王海亮，高 尚，王万仁，刘光辉

(1.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；2.中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100043；3.中铁八局发展建设有限公司，山东 青岛 266000)

自由面的数量和种类以及自由面面积对爆破效果存在很大程度的影响。爆破工程中增加自由面数量不仅可以改善爆破效果，还能有效降低炸药消耗量，尤其对降低爆破振动起着显著的作用[1-8]。但研究中爆区多集中在地形平坦的土体或测点与炮孔同一水平的探洞中，尚无特大断面地铁隧道进行爆破时自由面数量对爆破振动的影响研究。

在研究自由面数量对隧道爆破振速的影响时，何闯等[9]、赖广文等[10]、季相臣等[11]通过现场试验研究了1～2个自由面条件下爆破区域的场地、衰减系数K、α的变化规律，总结了自由面对爆破振动的影响；但以上研究者均未进行2个以上自由面数量条件下的隧道爆破振动规律研究。《爆破安全规程》(GB6722-2014)中的爆破振动速度计算公式也未考虑自由面数量这一重要参数，已无法满足2个及2个以上自由面条件下的爆破振动速度计算。因此，探究特大断面隧道爆破中不同数量自由面下爆破振动速度衰减规律，具有一定的理论和现实意义。

1 工程概况

青岛地铁1号线贵州路站-西镇站区间(以下简称“贵-西区间”)隧道全长约546.9 m，里程为ZK31+869.2-ZK32+416.2，拱顶距地表16.9～28.7 m，区间隧道位于台西五路及部分居民小区正下方。

该区间隧道地表建筑物主要为多层砖混结构，要求振速控制在0.5～1.0 cm/s。因此隧道采用振动较小的TBM开挖方式进行掘进，2台TBM平行向前掘进过程中未进行管片安装作业，而后在已经形成的2个直径6.2 m的TBM导洞的基础上进行爆破扩挖，以便在西镇站站前设置双存车线，形成面积约214 m2的四线特大断面隧道。

贵西区间四线大断面隧道存在Ⅱ级和Ⅳ级围岩类型，TBM掘进后隧道现场断面如图1所示。

图1 隧道断面

2 爆破试验方案

为通过现场试验数据分析得出地表振动速度衰减规律，提出1个、2个及3个自由面条件下的爆破振动速度计算公式，计划在区间里程ZK32+172.2处开展3种不同自由面数量条件下的爆破试验。此处拱顶距离正上方地表最小距离为25 m。

试验现场使用的炸药与雷管为山东银光民爆器材有限公司生产的2号岩石乳化炸药与毫秒延期导爆管雷管，药卷直径32 mm，长度300 mm，药卷密度1.13 g·cm-3，单卷质量0.3 kg。钻孔机械为气腿式风动凿岩机，孔径42 mm，人工钻凿炮眼。

为便于理解，将试验条件下自由面数量以Ns表示。

2.1 1个自由面

试验位置选择在四线大断面隧道左线TBM导洞拱顶挑高段部位。炮孔方向与隧道方向垂直，竖直向上钻凿，将左线TBM导洞表面作为仅有的一个自由面进行爆破试验。本次试验炮孔深度1.5 m，炮孔直径42 mm，总装药量0.6 kg，装药结构采用反向不耦合装药，炮孔剩余长度使用水袋、炮泥等进行堵塞。Ns=1时炮孔位置关系如图2所示。

图2 1个自由面条件炮孔位置关系(单位:mm)

将毫秒5段导爆管雷管与炮孔内炸药相连，进行挑高段爆破。Ns=1的现场布置如图3所示。

图3 爆破现场布置

2.2 2个自由面

当隧道左线挑高段爆破完成后，即开挖出如图1所示的断面。当开挖隧道左线上台阶时，爆破的自由面数量为两个(左线TBM导洞面、工作面)。隧道左线上台阶开挖尺寸为10.8 m×6.7 m，共布置121个炮孔，所有炮孔均为沿隧道方向水平方向，炮孔直径42 mm，单段最大起爆药量为1.2 kg。Ns=2时炮孔布置如图4所示(炮孔之间的连接线表示使用同一段别雷管)。

图4 2个自由面条件炮孔布置(单位:mm)

开展2个自由面条件下的爆破试验，试验地点里程为ZK32+181.4。隧道左线上台阶爆破参数见表1。

表1 隧道左线上台阶爆破参数

合理的炮孔间排距可以有效地减少炸药单耗，获得更好地爆破效果。药卷采用反向连续不耦合装药，炮孔剩余长度使用水袋、炮泥进行堵塞，提高炸药能量的有效利用率。本次试验过程中炮孔间排距严格按照爆破设计方案进行钻凿，现场炮孔间距60 cm。

本次起爆方式采用毫秒延时起爆网路，孔外延期，起爆雷管与连接雷管均采用毫秒5段导爆管雷管。Ns=2时起爆网路如图5所示。

图5 2个自由面条件起爆网路

现场试验严格按照爆破设计方案执行。起爆前对爆破网路连接进行检查，以避免盲炮导致的二次起爆。Ns=2时爆破现场布置如图3所示。

2.3 3个自由面

当1个自由面条件的挑高段爆破结束后，2个自由面条件的隧道左线上台阶爆破也已超前开挖一段距离，则此时隧道右线上台阶区域进行开挖爆破时存在三个自由面条件，即左线隧道面、右线TBM导洞面及工作面。

隧道右线上台阶开挖尺寸为8.7 m×6.55 m，共布置84个炮孔，炮孔均为沿隧道水平方向，炮孔直径42 mm。其中辅助眼61个，孔深2.0 m，最小抵抗线为650 mm，排距650 mm，间距800 mm。周边眼23个，孔深2.0 m，间距500 mm。单段最大起爆药量为1.2 kg，Ns=3时炮孔布置如图6所示。

图6 3个自由面条件炮孔布置(单位:mm)

3个自由面条件下爆破振动试验的装药结构与2个自由面条件爆破试验相同。炮孔间排距严格按照爆破设计进行钻凿，四线大断面隧道右线上台阶爆破参数见表2。

表2 隧道右线上台阶爆破参数

起爆方式采用毫秒延时网路，孔外延期，连接雷管采用毫秒5段导爆管雷管。由于炮孔密集程度较大，起爆网路无法清晰表示。为了便于理解，在不影响文章表述前提下简化起爆网路设计图，Ns=3时起爆网路如图7所示，爆破现场布置如图3所示。

图7 3个自由面起爆网路

3 爆破振动监测

3.1 监测仪器

试验采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振仪(以下简称“测振仪”)进行振动数据收集。

3.2 测点布置

正式起爆前，将8台测振仪分别沿隧道轴线方向布置在工作面的前方，并提前进行校准设置。在测点布置过程中，1号测振仪布置在工作面正上方地表(测振仪与工作面水平距离为0 m)，2-8号测振仪分别与1号测振仪保持不同的水平间距，布置于工作面前方地表。监测点与爆源距离见表3。

表3 监测点与爆源距离

爆破测振仪触发模式设定为内触发。考虑到雷管延期时间、地震波传播时间及留有一定富余系数，因此采集时长设置为10 s。爆破测振仪的采样频率设置为振动信号频率的10～100倍。由于前期试炮得到爆破振动主频基本处在40～120 Hz范围内，故将仪器采样频率设置为8 kHz。记录精度设定为1‰，触发天平设定为0.01 cm·s-1。

3.3 监测数据

进行爆破振动监测时，因测点周围环境较为复杂，因此，在统计实测条件下的爆破振动信号时，应当先通过数据分析软件Blasting Vibration Analysis对采集到的振动数据进行滤波消噪[12]处理，保留0～500 Hz频率范围内的信号，剔除车辆、行人等产生的信号，从而得到真实的爆破振动信号。

2个及3个自由面条件下为单段最大药量为1.2 kg，1个自由面条件下单段最大药量为0.6 kg。为方便不同起爆药量条件下研究，提出比例药量Qb概念，即单位质量炸药与测点至药包中心之间距离的比值，单位为kg·m-1。由于不同自由面条件采用炸药量可能存在不同，所以当探究不同起爆药量和自由面数量条件下的爆破振动速度关系时，可以采用比例药量进行比较。

4 爆破振速衰减拟合与分析

4.1 场地、衰减系数拟合分析

利用所测振动数据，采用最小二乘法分别拟合不同自由面数量条件下的场地、衰减系数K、α，拟合参数见表4。比例药量Qb与振动速度V关系如图8、图9所示。

表4 不同自由面条件下的回归参数

图8 单个自由面条件比例药量Qb与振动速度V拟合关系

图9 不同自由面条件比例药量Qb与振动速度V拟合关系

实际工程应用中，如果爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件的变化不大，则K值、α值基本可以保持不变。根据爆破安全规程，在同一K、α值下，爆破振动主要受单段最大药量和爆心距影响。明确同一K、α值下振动随比例药量的规律，可以指导现场工程爆破施工。

由图8、图9可见，随比例药量的升高，爆破振动速度整体呈增大趋势，且增长速率逐渐趋缓。

对比表4中拟合参数可见，自由面数量不同时，场地系数K、衰减系数α的值也不同。场地系数K随自由面数量的增加而逐渐减小，Ns=1时K值最大，Ns=3时K值最小，减小速率分别为68.65%、95.31%。衰减系数α也随自由面的增加而逐渐减小，减小速率分别为24.23%、40.61%。可见K值较α值的衰减速率更为显著。且Ns=1、2时，拟合所得K值与α值均超出《爆破安全规程》(GB6722-2014)对于坚硬岩石K、α分别为50～150、1.3～1.5的取值范围。因此在进行爆破设计时，应将自由面数量作为一个重要参数加以考虑。

4.2 爆破振速衰减规律探究

理论研究和工程实践表明，单段最大起爆药量保持一致时，振速峰值随爆心距的增大整体呈现减小的趋势。但通过现场试验得出，不同自由面条件下，爆破振动速度峰值的出现位置均不在工作面正上方，而是在爆源水平距离4～7 m处。为探究振动速度V与爆源水平距离Rb的关系，绘制振动速度V与爆源水平距离Rb的关系曲线，如图10、图11所示。

图10 单个自由面条件振动速度V与爆源水平距离Rb关系

图11 不同自由面数量条件下振动速度V与爆源水平距离Rb关系

由图10～图11可见，隧道爆破产生的振动，其峰值不在工作面正上方，而是在爆源水平距离4～7 m处。不同自由面条件下，爆破振动速度均随爆源水平距离的增加整体呈现先迅速增大后缓慢减小的趋势。在爆源水平距离4～7 m处，爆破振动速度达到峰值，振动速度的增长速率随自由面增加而逐渐减小。振动速度达到峰值后便开始衰减，且衰减速率随水平距离的增大而逐渐减小。

同一试验条件下，所测得数据的主频和峰值振速存在一定误差，分析认为可能是现场实测时的条件差异导致的。试验过程中监测点布置在由步道砖铺成的人行道上，在雨水、行人踩踏等多种原因综合作用下，砖的下部可能存在空洞。在空洞的作用下，爆破振速出现了放大现象。试验时采用的雷管为导爆管雷管，雷管延期时间不如数码电子雷管精确，可能出现延期时间短于设计时间的现象。延期时间过短，波形也会产生重叠放大现象。

由图11可见，在单段最大起爆药量、爆心距等参数一致时，Ns=2时的地表振动速度几乎全部大于Ns=3时相同位置测点的地表振动速度。当单段最大起爆药量为1.2 kg、爆心距相同时，Ns=3条件下爆破峰值振动速度约为Ns=2条件下峰值振动速度的60.5%。

在单段最大起爆药量、爆心距等参数一致时，随着自由面数量的增加，爆破振动速度V整体呈现减小的趋势，峰值振动速度呈现非线性降低的趋势。3个自由面条件下所测两组数据，振速由峰值衰减到最小值，衰减率分别为55.618%、66.610%，平均衰减率为61.114%。2个自由面条件下所测3组数据，振速由峰值衰减到最小值的衰减率分别为79.655%、75.594%、63.703%，平均衰减率为72.984%。由此可见自由面数量越多，爆破振动速度的衰减速率越小。

5 结论

在贵西区间隧道分别开展单个、2个及3个自由面条件下的爆破试验，通过研究爆破振动速度与爆心距、比例药量的关系，主要得到以下结论：

(1)自由面数量不同时，场地系数K、衰减系数α的值也不同。场地系数K、衰减系数α随自由面数量的增加而逐渐减小，K值较α值的衰减速率更为显著。

(2)振动速度V随比例药量Qb的增加而呈现逐渐增大的趋势，且增长速率逐渐趋缓。

(3)爆破振动速度峰值的出现位置不在工作面正上方，而是在爆源水平距离4～7 m处。不同自由面条件下，随爆源水平距离的增加，爆破振动速度均呈现先迅速增大后缓慢减小的趋势。振动速度的增长速率随自由面增加而逐渐减小。振动速度达到峰值后便开始衰减，且衰减速率随爆源水平距离的增大而逐渐减小。

(4)在单段最大起爆药量、爆心距相同的条件下，随着自由面数量的增加，爆破振动速度V整体呈现出减小的趋势。峰值振动速度随自由面数量的增加呈现非线性降低的趋势，且自由面数量越多，爆破振动速度的衰减速率越小。