相邻隧道爆破震动波的传播规律研究

丛树翠，王海亮

(1.山东科技大学，山东青岛 266590;2.烟台金邦冶金工程咨询有限公司，山东烟台 264000)

0 引言

青岛胶州湾海底隧道位于胶州湾湾口，为双向6车道，是我国目前最长的海底隧道。该海底隧道接线工程(即匝道)需要在主体隧道完工后再施工，新建隧道施工时爆破开挖可能会引起邻近主隧道的损伤破坏，从而会影响主隧道的稳定性和安全性。新建隧道爆破施工面临的主要问题是如何把近距离条件下爆破施工对邻近建筑的负面影响降低到最低限度，研究新建隧道爆破施工震动波对相邻隧道的影响不但具有重要的理论和现实意义，而且具有显著的社会和经济效益。

目前，国内外学者对爆破震动的相互影响、传播规律等做了大量的研究工作。文献［1－3］主要通过运用数值模拟、回归分析等数学方法研究震动波对邻近隧道的影响，研究震动波的衰减规律，指导现场施工;文献［4－5］主要论述了小间距隧道在施工工程中，存在受力偏差、爆破损伤、衬砌裂缝等问题;文献［6］研究了青岛海底隧道对周围环境的影响，为相邻隧道施工现场监测提供了经验;文献［7］研究得出了相邻导流洞内的爆破质点振动速度传播具有放大效应等结论。本文在前人研究的基础上，针对施工过程中出现的振动影响，研究相邻隧道的震动波传播规律。

1 工程概况

胶州湾海底隧道青岛端接线工程，南起胶州湾湾口海底隧道青岛端终点，以上下行分离式双洞隧道形式分别沿四川路、云南路向北。团岛二路出口匝道自AK0+098.9与云南路主隧道分流，以半径为320 m的圆弧曲线右转，沿团岛二路中心线向东敷设，隧道洞口位于AK0+583，匝道接地点位于AK0+750。

2 爆破施工方案

在爆破振动监测的区域内，匝道采用台阶爆破法开挖，上台阶先超前下台阶开挖，下断面再分左右台阶交替开挖［8］。上断面开挖高度为6 m，下断面开挖高度为3.5 m。开挖采用斜眼掏槽，光面爆破，循环进尺约1.8 m。上导洞爆破分3次起爆，其总装药量约94.8 kg，掏槽药量为7.2 kg，第1炮最大单段起爆药量为19.2 kg，第2炮最大单段起爆药量为4.8 kg，第3炮最大单段起爆药量为18 kg。本文仅对第1炮爆破振动数据进行分析。图1为匝道上导炮眼布置图。

图1 匝道上导炮眼布置(单位:mm)Fig.1 Layout of blasting holes(mm)

表1为对应图1爆破方案中的第1炮炮眼参数。炸药的性能、药量、装药结构、微差时间和炮孔直径等都会影响爆破波的振动强度［9］。

表1 第1炮炮眼参数Table 1 Blasting parameters of No.1 blasting

3 爆破振动监测

爆破振动监测采用的测振仪器为UBOX－5016爆破振动智能监测仪。该仪器有3个通道，每个通道可连接1个传感器，各通道均可连接垂直和水平传感器。本次爆破振动监测系统由9台爆破振动智能监测仪(可同时布置27个传感器)、配套的速度传感器、软件和笔记本电脑等组成。

爆破监测的目的是研究匝道施工爆破对邻近主隧道的振动影响规律。本次监测时，主隧道已经完成开挖，二次衬砌施工已完成，正在进行装修。测点布置方案为:在主隧道内，沿主隧道轴线方向在靠近匝道一侧，以主隧道对应匝道工作面为基点O，分别向前后两侧布置传感器。匝道和主隧道的空间位置视图如图2所示。

此次对水平径向、水平切向和垂直振速进行监测，有3个监测方案。1)水平径向振速监测。沿主隧道的轴向在主隧道内靠近匝道一侧布置传感器，该方案共布置6台测振仪，每台仪器的3个通道各连接1个水平传感器，共18个测点，每台仪器同时监测3个测点的水平径向振速。2)水平切向振速监测。方案同水平径向振速的监测，传感器方向为切向。该方案共布置9台记录仪，共27个测点。3)垂直振速监测。监测方案同上，每台仪器3个通道各连接1个垂直传感器。主隧道内传感器布置示意图如图3所示。

4 监测数据分析

对主隧道进行连续6次监测，监测时各个测点随着匝道开挖的前进同步向前推移，得到6组爆破振动速度数据。方案1)测得2组水平径向振速数据，方案2)测得2组水平切向振速数据，方案3)测得2组垂直振速数据。根据得到的数据，按照监测的先后顺序分析匝道爆破开挖对主隧道的影响。在此定义，如果测点振速大于基点处振速，并且大于邻近区域内距基点更近的测点的振速，则称为产生振速放大效应;如果测点振速小于基点处振速，并且小于邻近区域内距基点更近的测点的振速，则称为产生振速衰减效应。

4.1 水平径向振速

匝道开挖分3次起爆，每次监测有3组数据。本文研究各组中第1炮产生的振动速度，根据第1炮产生的振速数据绘制曲线得到爆破振动曲线规律。以主隧道内对应匝道工作面的点为基准O点，对各点的振速与测点距O点的水平距离变化趋势绘图。图4是2010年8月11日和12日测得2次水平径向振速随测点距工作面距离的变化曲线。

图4 水平径向振速随距离的变化Fig.4 Relationship between horizontal radial vibration velocity and distance between monitoring point and working face

从图4可以看出:1)以主隧道对应匝道工作面为分界点，工作面振速约为0.53 cm/s。2)在匝道工作面后方距工作面0～10 m内，存在振速峰值。其中，第1次监测在距工作面4 m和6 m处出现2次振速峰值，振速峰值为工作面振速的408%和417%;第2次监测距工作面7 m处出现振速峰值，振速为工作面振速的238%，工作面后方振速较大，振动剧烈。3)在匝道工作面前方的0～30 m内，振速衰减较慢，振速峰值为工作面振速的121%，最小值为工作面振速的68%。

由以上分析可知:已开挖区对水平径向振速有放大效应，在一定范围内放大振速;在未开挖区对水平径向振速影响较小，有轻微衰减效应。

4.2 水平切向振速

2010年8月13日和14日在主隧道内对水平切向振速进行2次监测，通过第1炮监测数据研究匝道爆破施工对主隧道水平切向振速的振动影响。图5是第1炮水平切向振速随距离的变化曲线。

图5 水平切向振速随距离的变化Fig.5 Relationship between horizontal tangential vibration velocity and distance between monitoring point and working face

从图5可以看出:1)主隧道内对应匝道工作面爆破振速约为1.28 cm/s。2)工作面后方出现2次峰值。在工作面后方距工作面10 m处出现峰值是工作面振速的192%;距工作面5 m及15 m处，出现振速最小值，为工作面振速的78%。3)在工作面前方0～30 m内振速差值较小，基本稳定，稳定振速为工作面振速的39%。

由以上分析可知:工作面前方振速小于工作面后方振速，已开挖区对水平切向振速具有放大效应，将振速放大;在未开挖区对水平切向振速影响较小，有衰减效应。

4.3 垂直振速

对垂直振速进行监测，2010年8月15日和16日测得的第1炮垂直振速随距离的变化曲线见图6。

图6 垂直振速随距离的变化Fig.6 Relationship between vertical vibration velocity and distance between monitoring point and working face

从图6可以看出:1)工作面后方垂直振速在距工作面4 m和15 m处存在2次峰值，并且波动较大，振动剧烈。2)工作面振速约为0.59 cm/s，2次峰值的振速分别为工作面振速的153%和195%。3)从工作面后方2 m到工作面前方2 m垂直振速出现骤降的趋势，是由于已开挖区为空管道，对振速影响较大，具有放大效应。4)工作面前方垂直振速峰值为工作面振速的96%，最小值为工作面振速的49%，振速差值小，但振速不稳，变化波动较大。

由以上分析可知:已开挖区对垂直振速有放大效应;未开挖区对垂直振速影响较小，有衰减效应。

在本次实验监测中，通过对水平径向、水平切向、垂直振速数据以及曲线的分析，可以得出:在已开挖区，隧道爆破施工对邻近隧道震动波影响有明显的放大效应;在未开挖区，震动波影响较小，基本符合爆破理论。每次监测时，采用相同的爆破施工方法和监测方法，均产生相同的结果，可以排除是由施工方法和测点布置方法的不同产生的。分析其原因为:在已开挖区，隧道内形成一个较大的空腔，在一定区域内为空气介质，此空腔对震动波有放大效应;在未开挖区没有较大的空腔，震动波的传播符合爆破理论，在一定范围内，速度随爆心到测点的距离变大逐渐减小。

5 结论与讨论

此次监测工作主要对匝道爆破振动速度在主隧道内的分布进行监测，利用实际采集的数据绘成曲线。综合分析得到如下结论:

1)同次监测，主隧道对应匝道工作面后方出现峰值，工作面后方较大峰值为工作面振速的150% ～410%，工作面前方爆破振速峰值为工作面振速的100% ～150%。

2)在隧道已开挖区爆破振速最小值为工作面振速的90%～120%，最小值与工作面后方峰值差较大，相邻隧道爆破施工对隧道已开挖区振动影响较大;在隧道未开挖区速度最小值为工作面振速的40%～60%，最小值与工作面前方峰值差较小，相邻爆破施工对隧道未开挖区振动影响较小，振速在一定范围内较稳定。已开挖区对振速具有放大效应，未开挖区对振速有轻微衰减效应。

3)以主隧道对应匝道工作面为分界，在工作面后方2 m至工作面前方2 m爆破振速出现突然减小的现象。

本文是针对相邻隧道施工震动波的传播规律研究，仅研究了振速的传播规律，频率传播规律还需要进一步研究。本次实验是在沟槽盖板上进行监测，今后应在隧道的其他构造处进行监测，比较各处监测的震动波传播规律的不同，更好地指导工程实践。

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