引水隧洞工程下穿原有铁路隧道爆破施工监测研究

摘要：简述了爆破地震波传播原理和传播特性，以某新建引水隧洞下穿原有铁路隧道工程爆破施工为例，阐述了选定爆破方法、制定监测方案和配备监测系统等方面监测准备工作。通过实施监测结果可知，爆破振动监测数值符合相关规定，可有效控制爆破振动的影响力，爆破作业未影响原有隧道安全运行。

关键词：引水隧洞；下穿铁路隧道；爆破施工；监测

0 引言

新建隧道、隧洞爆破施工时产生的振动，极易破坏原有隧道结构，影响其安全运行。基于此，如何降低新建隧道爆破施工对原有隧道的影响，避免对原有隧道产生破坏，成为目前隧道施工的重点和难点。本文以某新建引水隧洞下穿原有铁路隧道工程爆破施工为例，阐述了选定爆破方法、制定监测方案和配备监测系统等方面监测准备工作。通过实施监测结果可知，爆破振动监测数值符合相关规定，可有效控制爆破振动的影响力，爆破作业未影响原有隧道安全运行。

1 爆破地震波传播原理和传播特性

1.1 传播原理

外荷载施加作用力在可变形固体的表层，可对部分介质质点直接产生力的作用，让介质质点在平衡区域形成位移。与相邻的质点比较，这些移动质点就形成相对变形，仍在平衡区域的质点会给临近的位移质点带去防止变形的作用力。平衡区域的质点接收到移动质点的反作用力，进而驱动临近介质的平衡质点脱离平衡位置形成位移。由于惯性作用，表层介质质点的位移将超前于临近介质质点的位移。依次类推，外荷载在表层上带来的运动就由此在介质之间从近到远进行运动传播[1]。

1.2 传播特性

爆破地震波能量只是炸药爆破所产生能量的一小部分，其随着地震波传播到远方。由于介质阻尼的吸收作用和波阵面的逐渐变大，爆破地震波带来的能量会逐渐减小，振幅也会随之下降。因为地震波频率的高低受介质阻尼作用的影响，且这种作用对高频振动的影响更大，所以距离爆破地震波越近，其高频成分越突出。

在距离爆破地震波较远的部位，它的高频成分已经被阻尼作用吸收，因此大都显示为低频振动。岩体和隧道的自振通常处于较低的频率。当较远区域的振动主频与岩体和隧道固有的频率接近时，若爆破地震波的能量还存在一部分，就会产生共振作用，从而造成隧道围岩发生剧烈振动，导致隧道衬砌和围岩产生损伤。

2 工程实例

2.1 原有隧道现状

某原有隧道总长559m，宽14.08m，高10.36m。隧道内围岩等级划分：自隧道入口起0～16m内为IV级围岩，16～529m为Ⅲ级围岩，剩余部分为IV级围岩。隧道初期支护采用厚度为8cm的C25喷射混凝土结构，二次衬砌采用厚度为35cm的C25混凝土结构，建于初期支护基础上。隧道底板为厚度30cm的钢筋混凝土底板，混凝土强度等级C30。

2.1 新建引水隧洞工程概况

该地政府批准在该原有隧道位置新建引水工程项目，旨在为城镇提供生活和生产用水。引水工程项目的4#隧洞与原隧道平面夹角约83.4°，几乎垂直交叉分布。4#隧洞顶部与原有隧道底板的交叉位置之间有14.4m的距离。新建4#隧洞与该原有隧道过于接近，因此在4#隧洞爆破施工期间会对原有隧道的运行产生较大影响。业主高度重视4#隧洞施工对原有铁路隧道的危害，要求施工单位采取科学可行的4#隧洞爆破方案，进行全流程监测和安全管控。

3 选定爆破方法

4#隧道与原隧道交叉点位上、下游各40m范围的爆破施工采用光面爆破法。掏槽孔间距150mm，采用大直径空孔桶形掏槽方法。导洞孔深和预留光面层四周孔深均为2.0m。爆破采用Ø32mm、Ø25mm两种规格的2#岩石乳化炸药或2#岩石膨化硝铵炸药，周边孔采用Ø25mm光爆小药卷。

在指定点位钻孔、清孔、装药，连接非电毫秒导爆雷管起爆系统和簇联网路，全面检查，疏导人员和无关机具远离爆破现场，确认安全后开始起爆。以爆破现场监测数据为准，及时调整爆破参数，实现安全爆破和高效爆破目标。

4 制定监测方案和配备监测系统

4.1 监测方案

在4#隧洞开展爆破作业期间，在原有隧道里面配置监测点，在隧道与隧洞交叉点相距120m处即可监测，根据监测数据判断4#隧洞爆破震动特征。爆破重点监测范围为交叉点前、后40m，对应桩号为1+594.964～1+674.964。隧道顶、底部相距约8m，道砟和钢轨已铺设到位，现场施工条件加大顶部传感器安装难度。

由于隧道下面即是振源，所以隧道的底板和隧道两侧的边缘受影响较大。因此，将监测点全都被安设在隧道下方。2台监测设备使用时，每次能对8处监测点进行监测。在监测时，可以按照现场状况来调整监测点总数，但应尽最大可能安设监测点。通过对隧道断面内各个区域的监测点进行监测并获取爆破振动数据后，就可以研究监测点的振动频率、速度和爆破数据之间的关系以及振动传播的递减规律[2]。

4.2 监测系统

选用2台3850USB型爆破测振仪，每台测振仪有4个通道，可同时安设8个监测点。爆破测振仪数据安排如下：采样率为5kHz，采样时长为2s，满量程为±2V，触发电平为0.1V。根据监测方案，在指定监测点位粘贴传感器，粘贴材料采用水和生石膏粉拌制的混合料，待10min浆液凝结后即可开展监测作业。

5 监测结果与分析

5.1 同次爆破在隧道不同位置的监测结果

按照选定的爆破方法、制定的监测方案，在原有隧道内布设配备好的监测系统，对4#隧洞爆破施工进行检测。通过监测发现，爆破点与监测点间距的变化为远→近→远，监测点质点峰值的振动速度相应地产生了小→大→小变化。与爆源的间距越远，隧道衬砌监测点的质点峰值振速越慢；与爆源的间距越近，隧道衬砌监测点的质点峰值振速越快。下面对铁路隧道内不同监测位置到达质点峰值的振动速度进行比较。

同次爆破在隧道不同位置的振动速度波形如图1所示。1#监测点位于隧道边墙处，由图1a可知，该监测点迎爆面的质点峰值振动速度呈现为波形，达到最大值，其质点峰值振速参数为0.6312cm/s；由图1b可知，5#监测点背爆面的质点峰值振动速度也呈现为波形，但数值较小，其质点峰值振速参数为0.3339cm/s[3]。

5.2 引水隧洞在爆破掘进时的监测结果

设置了9.95m、14.45m、18.96m和23.45m等4个监测点进行监测，获得了典型的4条竖向振动速度时程曲线。当掌子面与原有隧道距离越近时，获得的质点峰值振动速度的数值就越高；两者距离越远，质点峰值振动速度越低。无论掌子面远离或靠近原有隧道，振动速度均随间距加大而下降。

就各个位置的监测点来说，在与引水隧洞掌子面的距离保持一致的条件下，其靠近原隧道的爆破震动速度大于远离时。以距爆源15m的监测点为例，根据监测数据绘制掌子面靠近、远离原铁路隧道两种工况的实测振动波形图，分别如图2a、图2b所示，质点峰值振速分别为2.9924cm/s、2.6682cm/s。

5.3 保护原有隧道不受破坏的关键因素

掏槽孔爆破作业时的孔数较少，且在爆破期间各处sgMG7iTUeDIO1Hq99FWstgox4+LU6kdGkXP8Tj4IJPw=用药数量不是最多，但是掏槽孔爆破作业的部位是临空的掌子面，其掏槽爆破以强抛掷爆破形式为主，传播至岩体的爆炸能量高，振动力强，容易破坏岩体的完整性和稳定性。

相比掏槽孔爆破，周边孔爆破的振动作用小，原因有二：一是采用不耦合装药结构，装药量少，爆破结构形式和装药方式决定周边孔爆破震动作用较小的特点；二是此前辅助孔爆破作业时已经形成了条件良好的临空面。因此有效控制掏槽孔的爆破振动，是保护原有隧道不受破坏的关键。

5.4 爆破地震频谱分析

爆破地震波具有突变和短时特征，形状复杂。爆破地震频带宽度大，频率丰富，现场施工条件复杂，多种因素共同影响频率，例如爆破方式、用药数量、用药方式以及爆破地理条件等。

诸多研究证明，不仅质点峰值振动速度能对构筑物产生破坏作用，其主振频率也与此具有密切的关系。因此，对爆破振动的频谱组成、递减规律、爆破地理环境以及爆破条件之间的关系进行研究很有必要。在研究上百个监测结果的功率谱图之后得知以下结论：

爆破地震波频率成分丰富，各波段的占比各异。主振频率较稳定，保持在100～200Hz间，主频域则处于30～500Hz间。隧道自振频率属于低频带，由于频率差异，引水隧洞爆破施工期间原铁路隧道不会与之产生共振[4]。

在装药数量保持一致条件下，监测点与爆源的间距越大，其受到振动的频率越小。就高频与低频的能量递减程度来看，其能量递减程程度有所不同：高频成分的能量递减速度更快，低频成分的能量递减速度则更慢。

6 监测结论

6.1 爆破振动监测数值符合相关规定

爆破振动监测点的设置符合施工要求，选择和调整监测设施的过程符合施工标准，且监测垂直振动速度的科学性和可靠程度均符合相关需求，其垂直振动速度数值全部低于《爆破安全规程》（GB6722—2003）的规定振动速度。

6.2 可控制爆破振动影响力

单段爆破用药越少，其爆破振动的影响力就越弱。开展爆破作业遵循“导洞先行、预留光爆层”的光面爆破施工模式是可行的。在实地施工期间，须按照监测所反馈的消息来及时调节爆破数据。

通过研究监测数据可知，质点峰值振动速度随着爆点测点间距减小而提高，随间距增加而下降。质点峰值振动速度对间距改变的敏感度主要取决于间距大小，例如间距越小则越敏感，质点峰值振动速度变化大，反之敏感性下降。

就隧道边墙处的质点峰值振动速度而言，面对爆炸面数值最大，背对面数值更小。监测点与爆源的间距越大，这类差异越小。就作用炮孔所形成的爆破振动影响而言，掏槽孔影响最大，而周边孔则最低。

功率谱图显示振动能量以30～500Hz为主，主振频率以100～200Hz为主，根据频率关系可知，引水隧洞施工期间原铁路隧道不会与之发生共振。

6.3 爆破未影响原隧道运行安全

《爆破安全规程》（GB6722—2003）要求将振动速度设置在10～20cm/s，为避免对原有隧道的结构产生影响，在考虑多方面因素的前提条件下，将振动速度安全参数设定为5cm/s。在全部的监测参数内，数值在5cm/s以上的参数有3个，均未大于10cm/s安全参数规定的最低数值，相比原铁路隧道固有振动频率，引水隧洞爆破主频率（高于180Hz）明显更高。由于固有振动频率和爆破主频率的差异，4#隧洞开展爆破作业时产生的振动没有影响原有隧道安全运行。

7 结束语

综上所述，引水隧道下穿原铁路隧道施工条件复杂，要考虑引水隧道顺利建设性和既有隧道安全运行多方面要求。本文结合实例，以安全为前提，根据施工条件提出爆破方案，进行现场监测，通过监测数据评价引水隧洞爆破对原铁路隧道运行安全的影响，旨在解决爆破施工期间影响现有隧道的爆破振动问题。

监测结果表明，各项爆破测试均符合相关规定要求，各项检测数据均达到了预期数值，为新建引水隧洞下穿现有铁路隧道进行爆破施工提供了科学、合理的依据。

参考文献

[1] 唐先习，张春洋，王要武.爆破振动下隧道初支混凝土振速衰减规律[J].工程爆破，2022（6）：42-50.

[2] 黄强.隧道爆破振动场中断层对岩体远场振动特性影响研究[J].铁道建筑技术，2022（9）：55-59+80.

[3] 张业伟.隧道开挖施工的爆破振动监测与控制技术探讨[J].工程建设与设计，2022（9）：186-188.

[4] 胡晓雯，刘荣桂，唐鑫媛.基于爆破振动对隧道不同级别围岩松动大范围影响对比分析[J].工程建设与设计，2021（22）：29-33.