复线隧道开挖爆破振动监测分析与振速预测

周建军

（中铁六局太原铁建，山西 太原 030001）

复线隧道开挖爆破振动监测分析与振速预测

周建军

（中铁六局太原铁建，山西 太原 030001）

复线隧道施工爆破振动对既有隧道会有较大的影响。文章根据新悬泉寺隧道开挖爆破施工实际情况，选择了合适的爆破监测方案。监测数据显示，平行既有线的隧道掘进爆破对既有线侧壁径向影响最大。结合现场监测数据，应用基于最小二乘法的回归分析得出了K、α值；采用经验公式线性回归法对爆破振动速度进行预测，依据预测结果实时调整施工爆破参数。

爆破振动；线性回归；预测分析

1 引言

随着国家交通基础建设事业的发展，新建复线工程越来越多，由于受各种条件的限制，新建复线隧道与既有隧道之间设计距离较近。复线隧道的施工爆破产生的振动对既有隧道的影响一般都比较大，有可能对邻近既有隧道造成损伤，特别是对于两隧道间距偏小的情况。因此，如何科学地根据现场隧道爆破振动监测的反馈信息，了解新建隧道的爆破对近距离既有隧道的影响，同时通过监测分析结果，预测前方隧道开挖爆破振动强度，对开挖隧道的爆破参数进行合理设计或优化，使爆破振动强度不至于危及既有隧道的安全具有重要的现实意义。文章结合实际工程对既有隧道振动强度进行现场监测，分析新建隧道爆破对既有隧道的影响，确定合理的爆破参数，确保新建隧道安全顺利施工及既有隧道的正常运营。

2 工程概况

新悬泉寺隧道位于山西省太原市剥蚀侵蚀中山区，隧道起止里程为DK20+494.77～DK21+378.00，为全长883.23 m的单线电气化铁路隧道。隧道最大埋深约190 m。隧道围岩类型DK20+493～DK20+508段为Ⅲ级；DK21+355～DK21+363段为Ⅲ级;DK20+508～DK21+363段为Ⅱ级；DK21+363～DK21+375段为Ⅳ级。该隧道与既有太（原）—岚（县）电气化铁路上的悬泉寺隧道并行，两线间距为30～40 m之间。为确保既有隧道及行车的安全，首先对开挖爆破进行振动监测，然后运用线性回归对爆破振动监测数据进行预测分析。

3 既有隧道爆破振动监测方案

3.1 测试设备选择

监测系统的好坏将直接影响测试结果的可靠性，甚至关系到测试的成败。因此在选择测试系统时，应根据预估被测信号的幅值范围和频率范围选择测试仪器。本次测试仪器选用UBOX-5016爆破振动智能检测仪及配套的水平、垂直速度传感器。该测试系统具有量程大、通频带范围广的特点，并且该仪器自带电池供电，不需外接电源，与传统的测试方法相比，避免了现场测量导线的铺设、检查、回收等大量工作，解决了现场测量对交流电的依赖问题，使现场测试更方便、高效；而且凭借计算机的强大功能，数据处理更加准确、方便，功能更完善，能极大地提高工作效率，该系统完全满足测试要求。

3.2 爆破监测内容

目前，国内外大都采用质点振动速度作为衡量隧道受爆破震动影响的主要物理量，关于爆破震动的研究也是以振动速度的测量和分析为依据。因此，本次测试采用地震波质点振动速度作为爆破地震波的测试量。每一测点测试3个分量，即一个竖直分量和两个水平分量。

3.3 爆破监测点布置

根据有关部门对新悬泉寺隧道开挖爆破进行全程监测的要求，为了准确评价爆破作业对既有隧道产生的影响,在既有隧道每间隔60 m布置一处测点（两个避人洞之间的距离）。每次监测新隧道开挖掌子面前后布置的两处测点，每处测点传感器分别布置在既有隧道衬砌迎爆侧边墙避人洞的墙中和墙下。每点布置水平、径向和垂直方向3个传感器，传感器布置具体情况见图1、图2，这样对开挖掌子面前后的振动都能进行监测。

图1 测点布置图

图2 隧道断面测点布置示意图

4 隧道爆破振动监测结果分析

4.1 隧道爆破振动检测典型波形图

隧道同处不同位置记录到的最大一次典型爆破振动原始信号波形图见图4、图5。图4为隧道墙中的震动测试波形图，图5为隧道墙下的震动测试波形图。测试中的切向方向为新开隧道掘进方向，径向方向为水平垂直新开隧道掘进方向。

4.2 振动测试数据的分析处理

从上述的测试图分析可得如下结论：

图3 既有线隧道墙中掘进方向震动波形图

图4 既有线隧道墙中竖直方向震动波形图

图5 既有线隧道墙中垂直掘进方向震动波形图

图6 既有线隧道墙下掘进方向震动波形图

图7 既有线隧道墙下竖直方向震动波形图

（1）隧道掘进爆破中，对相邻的既有线隧道产生的爆破震动与在露天爆破中产生的震动是不同的。三个方向中最大震动速度与隧道掘进方向垂直，最小震动速度与隧道掘进方向平行，垂直方向的爆破震动速度居中。

图8 既有线隧道墙下垂直掘进方向震动波形图

（2）在既有线隧道不同部位由于结构响应不同震动速度是不一样的。隧道墙体中部的爆破震动由于结构响应的放大作用一般在3个方向都大于相同距离处墙下位置的爆破震动，放大值一般介于10%～20%之间。

（3）不管是隧道墙中还是隧道墙下爆破震动最大值都是由掏槽眼起爆形成的，因此爆破减震首先应从优化掏槽方式入手。

4.3 隧道爆破振动预测

《爆破安全规程》中对爆破介质质点震动衰减规律的表达式是由统计方法导出的。其质点的最大振动速度V，可采用萨道夫斯基公式表达：

V=K（Q1/3/R）α

式中：V：爆破引起的质点最大振动速度；

Q：单段药量；

R：布点至爆点的距离；

K，α：反映爆破方式与地质条件等综合影响的回归待定统计系数。通常的做法是:根据爆破试验或生产爆破过程中测得的实际数据，以萨氏经验公式为基本形式，采用最小二乘法进行拟合求得相应爆破振动参数的衰减方程。

根据现场爆破震动实测数据，并结合实际爆破方案中掏槽眼的炸药量为32 kg，对测试数据中振幅最大的径向方向的震动速度按上述公式利用matlab进行数据拟合，得到的质点震动速度与爆源距离之间的拟合曲线见图9。同时，得到待定系数K值为 435，α为 1.3。

图9 质点震动速度与爆源距离之间的拟合曲线

利用得出的K、α值，并结合结构的抗震指标根据萨道夫斯基公式便可计算出实际应该采用的最大单响药量Qmax值。为了保证隧道爆破地震波影响范围内的建筑物的安全，必须把爆破单响药量控制在Qmax以下，同时利用该方程即可进行后续掘进爆破的振动速度预测。

5 结束语

通过对新悬泉寺隧道开挖爆破振动监测数据的分析，主要获得以下几点结论：

（1）爆破振动监测点布置位置合理，爆破监测设备选用及调试均符合工程测试要求，现场实测数据的可信度满足预测要求。

（2）迎爆侧水平径向的振速远大于垂直方向的振速，说明迎爆侧为应力波的直接入射破坏作用，以水平方向应力为主。

（3）爆破振动强度模型回归分析根据隧道爆破过程中测得的数据，应用基于Matlab的最小二乘法进行拟合求得相应爆破振动强度的衰减方程，得到K=435.0，α=1.3。系数K值比《爆破安全规程》（GB6722—2003）提供的选取表中相应数值要高。但规程中说明此系数可通过现场试验确定。根据日本矿业会爆破振动研究委员会和物理探矿技术协会土木探矿研究会提出的类似爆破振动计算公式：V=KW3/4*D-2，式中对坑道掘进掏槽爆破K值范围取450～900，说明该系数可以信任。

（4）根据生产爆破过程中测得的实际数据，采用最小二乘法进行拟合求得相应爆破振动参数的衰减方程，能够快速、方便地刻画质点振动速度峰值与药量、爆心距的关系，适合于爆破条件比较单一的场合。由于其形式简单、使用方便，因此在实际生产中得到广泛应用。

（5）实际施工爆破方案与理论爆破方案计算出的爆破振动速度有较大的差异。如何通过理论研究进一步验证该工程中实施的爆破方案是否为最优控制爆破方案，将是下一步继续研究的内容。

Monitoring and Forecasting of Blasting Vibration Velocity in Second Tunnel Excavation

Zhou Jianjun

The suitable blasting monitoring program is selected according to the actual condition of blasting excavation in second XuanQuanSi tunnel.Monitoring data shows that the biggest vibration is in radial direction of old tunnel during new tunnel blasting excavation.Based on the monitoring data，the blasting vibration velocity forecastinghas been done by regression analysis；According to forecasting vibration velocity，blasting parameters can be adjusted in time.

blasting vibration；linear regression；forecastinganalysis

U455.41+1

A

1000-8136(2011)08-0066-03