隧道爆破施工引起邻近既有洞室振动响应的测试与分析

2013-09-05梁师俊朱海东

铁道建筑 2013年4期

关键词：防空洞洞室峰值

梁师俊，朱海东，赵波

(1．浙江建设职业技术学院城市建设工程系，浙江杭州 311231;2．上海华铁工程咨询有限公司，上海 200071)

隧道爆破施工引起邻近既有洞室振动响应的测试与分析

梁师俊1，朱海东1，赵波2

(1．浙江建设职业技术学院城市建设工程系，浙江杭州 311231;2．上海华铁工程咨询有限公司，上海 200071)

新建隧道在与上方防空洞洞室间距比较小的情况下进行爆破开挖，产生的爆破波会对已有洞室围岩及衬砌结构的安全与稳定性造成影响。结合杭州萧山永久路北干山隧道工程，测试了隧道上方防空洞洞室的爆破振动强度，分析了洞室爆破振动衰减规律，根据洞室底部振动速度和振动加速度的安全允许值，得出了施工爆破不同距离处的最大段装药量，实现了通过测试结果反馈优化隧道爆破方案。

隧道工程爆破振动监测洞室

随着城市化进程的加快，城市地下交通工程建设大规模发展，越来越多的新建隧道、地铁需下穿既有地下空间工程。虽然城市地下隧道开挖方式日渐趋于多样化，但是从技术和资金等方面考虑，钻爆法仍是硬岩地区城市浅埋隧道工程开挖方法中较为经济、合理的施工方法。新建隧道工程的爆破开挖施工必将影响到临近地下空间工程，施工中如何控制爆破对围岩的破坏、保持邻近地下空间工程的安全具有重要的现实意义。这当中爆破振动实测是掌握现场爆破环境和施工条件下爆破地震波变化规律最为有效的手段。通过爆破振动测试，可以了解爆破地震波的振动规律、对周围环境的影响和破坏机制，以便对爆破振动效应进行有效控制。

目前，国内外众多专家学者对隧道工程爆破振动效应的研究主要集中在既有隧道、连拱隧道等地下结构爆破开挖引起邻近隧道的振动动力响应分析，以及隧道周边围岩振动速度场和应力场的分布特征，但很少涉及浅埋隧道爆破开挖对既有地下洞室群产生的振动效应［1-3］。

本文以杭州萧山永久路北干山隧道工程为个例，通过现场监测分析了不同爆源距、不同装药量条件下上覆洞室群的振动响应规律，并根据监测数据对爆破方案进行了优化。

1 工程概况

永久路北干山隧道工程呈南北向，地处扬子准地台和华南褶皱的过渡带，位于江山—绍兴深断裂北西侧，区域构造线主要呈北东向展布。拟建线路北侧分布有一条区域性断裂带，走向为北偏东45°。山体南北两侧山前平原区分布第四系全新统滨海组(Q4m

a+al)、冲积层(Q3al)，由浅部灰色淤泥质土、粉土和深部灰黄色粉质黏土、灰黄色圆砾层组成，第四系为海陆交叉相沉积，海侵频繁，隧道上方有防空洞室分布。

隧道与洞室平面交叉于K0+837—K1+035，长度约200 m，位于隧道正上方的洞室面积(含洞室及通道)约2 150 m2，共涉及 8 个洞室(50#，49#，52#，53#，54#，56#，55#，9#)，其中 50#，52#，53#，55#，9#5 个洞室全部位于隧道顶部，其余3个为局部穿过。洞室南出口位于隧道中线偏右侧，对隧道施工影响最大的是50#洞室，位置正好处于隧道的K0+840—K0+890桩号之间，呈小角30°大角150°斜相交，洞室与洞室之间8～12 m不等，洞室内净空最大宽度为9.2 m，长42 m，高约8 m。隧道与洞室群相交平面见图1。

图1 隧道与洞室相对位置平面布置

将实测洞室群底板高程与隧道的顶部开挖设计高程相对比，在K0+837处的高差为7.07 m(最小)，在K1+035处的高差为10.38 m(最大)。洞室高差分别为50#7.14 m，49#7.87 m，52#8.66 m，53#8.38 m，54#8.54 m，55#9.09 m，56#8.99 m，9#10.38 m。在50#洞室底板上钻孔得知，洞室毛洞底部离隧道毛洞开挖顶部最近处距离只有5 m。

50#洞室毛洞宽11.7 m，最宽处13 m，净宽9.5 m。衬砌采用素混凝土，边墙厚20 cm，拱顶厚10 cm，拱脚部位厚30 cm，洞室高度2～3 m。初期支护采用锚喷支护，锚杆设计长2.5 m，间距1.5 m，喷混凝土设计厚10 cm;实际施工时，锚杆长度、间距、喷混凝土厚度均未达到设计要求。

2 爆破与监测

2.1 爆破方案

隧道爆破施工首先选定爆破方案，顾及到隧道周围地形、地质情况，考虑两种爆破方案，分别为预留核心土法和上下台阶法。炮孔布置如图2所示。

图2 炮孔布置

在离爆点距离30 m的50#洞室底部测得的垂直方向典型振动波形如图3及图4。从图中可以看出预留核心土法爆破时的反射波波动相当大，对上方洞室的危害也较大，而上下台阶法对上方洞室的影响相较预留核心土法有明显的下降。

图3 预留核心土法振动波形

图4 上下台阶法振动波形

考虑到原有防空洞洞室底与隧道顶最小高差只有5 m，上下台阶法更适合于该隧道在洞室群段的施工;因此，初始拟定隧道在该段爆破施工采用台阶法开挖，微差爆破，选用低爆速和小直径炸药，周边设空眼减振(见图2(b))进行开挖掘进。

2.2 爆破振动监测

在防空洞洞室底布置拾振器进行测量，每个测点布置垂直方向、水平径向、水平切向三个方向的传感器，振动测试采用北京东方振动与噪声研究所INV306智能信号采集处理分析系统和国家地震局891-2型拾振器，爆破振动测试结果如表1。

表1 爆破振动测试结果

3 监测结果与分析

3.1 振动峰值速度、加速度分析

据相关研究，地面质点振动峰值速度和振动峰值加速度之间存在较好的相关性，可表示为正比例关系［4］。

通过国内外大量实测结果表明，反映爆破振动强度的物理量与炸药量、爆心距、岩土性质及场地条件等因素密切相关。虽然各个国家试验条件各不相同，但前苏联萨道夫斯基的爆破振动公式，一直被广泛采用，我国在爆破质点振动速度和爆破振动安全允许距离［5］计算方面也推荐采用该式

式中:A为反映爆破振动强度的物理量(振动速度或加速度);Q为炸药量，kg;R为爆心距，m;，K，α为与爆破点至保护对象间的地形、场地条件有关的系数和衰减指数。

根据最小二乘法，将表1各监测点的质点振动速度值V及炸药量Q、爆心距R分别代入式(1)，进行回归分析计算，得出K=252.04，α=1.976 7，回归公式

式(2)即为隧道爆破时防空洞振动峰值速度衰减变化的回归计算公式，其相关系数r=0.980 8。回归结果如图5。

图5 近间距洞室振动峰值速度与比例距离的关系

同理，将各监测点的振动加速度值及炸药量 Q、爆心距R分别代入式(1)，进行回归分析计算，得出K=265.68，α =1.951 6，回归公式为

式(3)即为隧道爆破时防空洞振动峰值加速度衰减变化的回归计算公式，其相关系数r=0.937 7。回归结果如图6。

从图5与图6可知，振动峰值加速度相对峰值速度离散性高，如相关文献，爆破振动安全评判用振动峰值速度更为合理。

图6 近间距洞室振动峰值加速度与比例距离的关系

3.2 振动主频分析

质点振动峰值对应的频率即为主频频率。当爆破地震波的频率等于或接近建筑结构的自振频率时，会产生共振现象导致振动成倍增强，因此从振动响应方面分析，振动响应应包括频率参数［6-7］。在确定爆破振动效应安全判据时，应综合考虑爆破地震波的强度、频谱、持时的影响，建立以质点振动速度峰值为主、频谱和持时为辅的多参数安全判据［8-9］。

从表1可以看出，隧道爆破施工引起防空洞洞室振动的主频在100 Hz左右。

依据《爆破安全规程》(GB 6722—2011)可知，地震波频率高，爆破振动允许安全速度限值也跟着提高，说明爆破振动对建(构)筑物的振动危害就越小，对振动频率＞50 Hz的矿山巷道安全允许振速为20～30 cm/s［10］，出于安全考虑，取安全允许振速为 20 cm/s，设计验算确定安全允许振动加速度为0.02g，分别代入式(2)～式(3)计算出防空洞洞室安全允许振动强度下不同距离处同段最大起爆药量，如表2。

表2 不同距离处的安全同段最大起爆药量

从表2可以看出，以振动峰值加速度控制的爆破装药量与以峰值振动速度控制的最大装药量接近，但略低。

4 爆破方案优化

通过北干山隧道工程防空洞洞室的爆破振动监测及分析，对隧道爆破开挖方案作如下优化。

1)控制最大段炸药量。以洞室毛洞底部离隧道毛洞开挖顶部最近处距离5 m为安全控制半径，以安全允许振速为20 cm/s、安全允许振动加速度为0.02g为控制标准，通过式(2)～式(3)反算出各开挖距离允许的最大段炸药量。严格控制掏槽孔最大起爆药量不超过2.5 kg。炮孔按浅、密原则布置，控制单孔药量，使一次爆破的药量均匀地分布在被爆岩体中，同时采用毫秒雷管进行微差爆破，以减小爆破地震动强度。孔深5 m，孔径 φ42 mm，多排布孔，炮孔间距 a=1.5 m，排距 b=0.75 m，装药长度 2.0 m，孔口堵塞长度3.0 m。

2)确定合理的开挖方案。洞室群下方设双层超前小导管掘进支护，上下台阶预裂爆破开挖。

3)优化火工品分级分段装填。降低预裂爆破点，增加减振孔、辅助孔减振，同时把掏槽孔下压60 cm;严格控制开挖进尺，严禁超过1.0 m;严格控制爆破次序，先掏槽爆破，其次上部由内向外依次起爆，然后是下部由上向下依次爆破，最后是周边眼爆破。

4)选择合理的段间隔时差。实测振动数据表明，振动频率一般在100 Hz左右，为避免振动强度的叠加作用，低段(1～7段)雷管跳段使用。

优化后隧道爆破对上方洞室群振动影响不管是峰值速度还是峰值加速度都在规范、设计安全范围以内。优化后洞室内底板位移、围岩压力观测结果如表3。