隧道掘进爆破振动对地表建(构)筑物的影响

贾宏宇

(阜新市产业技术创新推广中心(阜新市产业技术研究院)，辽宁 阜新 123000)

随着我国交通事业的蓬勃发展，穿越农村和市区的隧道工程将会越来越多[1]，由于隧道掘进主要采用爆破方式进行，不可避免的产生的爆破振动会成为隧道掘进的主要危害，影响临近、地表的建(构)筑物[2]。国内外学者对此进行了大量研究[3-4]，王波等[5]通过隧道爆破工程现场振动测试，获得了多组隧道爆破时地表振动强度数据，分析了爆破振速的傅里叶幅值谱；朱浩杰等[6]依托厦门石堀山隧道工程对爆破开挖引起的振动进行了长期监测，研究结果表明：垂向振速不一定总是最大；邓涛等[7]对隧道爆破期间房屋裂缝成因进行了系统分析和讨论；缪宏兵等[8]研究了隧道爆破施工对地表框架结构的影响；闫鸿浩等[9]研究了隧道下穿砖混结构房屋爆破振动控制研究，给出了人性化的爆破振动速度控制指标：配置大孔径减振孔并通过预裂爆破形成两道隔振带，采用上下台阶法开挖，掏槽部位尽量下移，增加起爆点与建筑物的距离，降低掏槽引起的爆破振动；孔大庆等[10]以成渝高铁新红岩隧道工程为例，测试采用非电雷管和电子雷管爆破时的振动波并对比分析爆破地震波特性，选择一栋二层砌体房屋，建立砌体结构有限元模型，分析不同峰值振速下结构的位移、砌体不同局部构件上的主拉应力特征。

1 工程概况

某隧道全长9 490延米，设置2座斜井及进出口6个作业面，境内广布低山丘陵，与河谷盆地相间排列，具有平行岭谷地貌特征，地势由西向东倾斜，中部略呈隆起。隧道地区春季少雨干燥，每年都有不同程度的春旱发生;夏季高温多雨，间有局地暴雨，山洪发生;秋季风和日丽;冬季寒冷干燥漫长，多偏北风。不良地质为岩溶，岩溶发育强度为弱发育。

隧道地质情况为凝灰岩，褐黄色、褐灰色，弱风化，细粒结构，薄层状构造，节理裂隙较发育，岩体较完整；局部夹杂凝灰质砂岩、砾岩等，产状273°∠13°。水文情况为含有少量基岩裂隙水，雨季水量较大，正常涌水量为2 300 m3/d，最大涌水量为4 200 m3/d。隧道所处地区气候属于北温带大陆性季风气候区，东南部受海洋暖湿气影响，北部蒙古高原的干燥冷空气经常侵入，形成了半干燥半湿润易干燥地区，风向有明显的季节变化。

隧道DK320+000～DK320+600段下穿大蔡家沟村，DK322+200～K323+000段下穿大梁下村，两区段隧道掘进均采用爆破方式，具有一定的施工安全隐患；为了保证村庄房屋建筑结构的稳定，减少不必要的民事纠纷，同时为了保证隧道施工的安全，特对隧道爆破掘进进行振动监测。

其中隧道1号斜井(大菜沟村)地段埋深在50 m～60 m，围岩等级多为Ⅲ级，采用光面爆破方式进行断面掘进，该区段下穿房屋较为密集，且房屋建筑结构离隧道水平距离相对较近，建筑群房屋为土坯房、毛石房和一般砖混房屋，是隧道爆破施工安全首要考虑的隧道区段，因此爆破振动监测选取在隧道1号斜井(大菜沟村)区段进行。

2 监测方案及爆破参数

为了更好的研究隧道掘进爆破振动对地表建(构)筑物影响的规律，根据现场施工情况以及掌子面位置制定具有针对性的监测方案。建筑物的爆破振动主频相对较低，掌子面上方刚好处于山区村庄，房屋布置较为复杂，并且房屋质量相对老旧，抗震性能相对较差，所以具体监测点的布置要求如下：

1)尽可能选择地表相对平坦的地带进行布点，由此尽量避免由于高程、高差的因素对监测结果一般性与普遍适用性的影响。

2)由于岩层中的断层、裂隙以及沟槽对波动的传播影响较大，所以监测段尽量取岩层、岩性比较均匀的地段，尽量避免岩层中具有较大的断层、裂隙以及沟槽，以保证所测得的爆破振动具有普遍适用性。

3)在爆破掘进施工过程中要求爆破施工工艺、方案保持相同，例如所用爆破器材(炸药、雷管)性能，每次爆破所用总药量以及单段最大药量等尽量保持一致，以便使得各次所测振动具有比较价值。

4)各方案监测布点应尽量兼顾对振动传播的规律分析以及对周边房屋安全性监测；各仪器的安放位置应在保证对振动的分析基础上尽量处于一个和周边建(构)筑物合理的距离区间以内。

2.1 方案一设计

在方案一中共布置5个监测点，分别定为A，B，C，D和E，为研究爆破掘进地震波沿隧道掘进方向传播以及衰减规律，将5个监测点分别布置于隧道的中心线上，相邻两台仪器的间隔距离为10 m。方案一的监测点布置位置关系如图1所示。

2.2 方案二设计

方案二共布置5个监测点，分别定为A，B，C，D和E，方案二与方案一不同之处在于，为了研究地震波沿径向传播以及衰减规律，在保证C，D和E监测点依旧在隧道中心线上，另外A和B点布置在E点旁并且垂直于隧道中心线，各监测点之间间距同样为10 m。方案二的监测点布置位置关系如图2所示。

2.3 爆破参数

方案一和方案二的监测试验中，隧道掘进均使用2号岩石乳化炸药，毫秒导爆管雷管，其余爆破参数也相同，如表1所示。

表1 爆破参数

3 监测结果及分析

3.1 方案一结果

监测方案一中A，B，C，D和E 5个监测点处的振速时程曲线和频谱分布曲线如图3～图6所示。

A测点至爆源的轴向距离为44.288 m，径向距离为4.278 m，A测点处垂向质点振速峰值为0.928 40 cm/s，轴向质点振速峰值为0.901 58 cm/s，切向质点振速峰值为0.975 10 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图3所示，主频约为62.500 Hz。

B测点至爆源的轴向距离为34.338 m，径向距离为3.301 m，B测点处垂向质点振速峰值为2.665 49 cm/s，轴向质点振速峰值为2.867 90 cm/s，切向质点振速峰值为3.360 84 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图4所示，主频约为100.000 Hz。

C测点由于测振仪布置原因未获得监测数据。

D测点至爆源的轴向距离为14.495 m，径向距离为1.375 m，D测点处垂向质点振速峰值为1.439 70 cm/s，轴向质点振速峰值为1.885 00 cm/s，切向质点振速峰值为5.312 40 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图5所示，主频约为76.923 Hz。

E测点至爆源的轴向距离为4.483 m，径向距离为0.425 m，E测点处垂向质点振速峰值为3.178 60 cm/s，轴向质点振速峰值为2.375 90 cm/s，切向质点振速峰值为3.944 20 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图6所示，主频约为76.923 Hz。

3.2 方案二结果

监测方案二中A，B，C，D和E 5个监测点处的振速时程曲线和频谱分布曲线如图7～图11所示。

A测点至爆源的轴向距离为-2.186 m，径向距离为20.208 m，A测点处垂向质点振速峰值为0.495 40 cm/s，轴向质点振速峰值为0.507 29 cm/s，切向质点振速峰值为0.509 50 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图7所示，主频约为28.571 Hz。

B测点至爆源的轴向距离为-2.186 m，径向距离为10.208 m，B测点处垂向质点振速峰值为0.589 27 cm/s，轴向质点振速峰值为0.601 00 cm/s，切向质点振速峰值为0.691 74 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图8所示，主频约为90.909 Hz。

C测点至爆源的轴向距离为17.718 m，径向距离为1.700 m，C测点处垂向质点振速峰值为1.059 27 cm/s，轴向质点振速峰值为1.030 20 cm/s，切向质点振速峰值为1.548 80 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图9所示，主频约为90.909 Hz。

D测点至爆源的轴向距离为7.826 m，径向距离为0.742 m，D测点处垂向质点振速峰值为0.814 20 cm/s，轴向质点振速峰值为0.573 50 cm/s，切向质点振速峰值为1.701 80 cm/s，由于篇幅有限，仅给出了切向振速时程曲线，如图10所示，主频约为100.000 Hz。

E测点至爆源的轴向距离为-2.186 m，径向距离为0.208 m，E测点处垂向质点振速峰值为1.523 50 cm/s，轴向质点振速峰值为1.177 20 cm/s，切向质点振速峰值为1.247 60 cm/s，此处给出了垂向振速时程曲线，如图11所示，主频约为100.000 Hz。

4 结语

1)通过方案一和方案二的监测结果可知：隧道掘进爆破振动的质点振速峰值主要出现在水平切向方向上，且主频较低，均小于100.000 Hz，为了保证地表建(构)筑物的稳定，应该加强基础建设。

2)隧道掘进爆破振动3个方向的质点振速峰值随爆心距的增加整体呈现非线性的衰减规律，当测点均位于掌子面上方时，质点振速峰值有可能出现在垂直方向上，由此当建筑结构与爆源垂直时，应该进行房屋加固处理。