隧道爆破施工对近接既有隧道的影响分析

叶云斌　方继伟

(1.宁波市交通工程质量安全监督站　宁波　315040；　2.宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司　宁波　315113)

隧道爆破施工对近接既有隧道的影响分析

叶云斌1方继伟2

(1.宁波市交通工程质量安全监督站宁波315040；2.宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司宁波315113)

摘要新建隧道爆破施工对既有隧道影响严重，为了对影响规律进行分析，对既有隧道进行爆破振动监测。通过对监测爆破振动数据进行统计分析，得出爆破振动振速传播规律，归纳分析得到爆破振动传播规律的萨氏公式，并得到振动速度与爆心距和最大段装药量的关系，为有效地减小爆破振速提供理论依据。

关键词爆破振动振动速度爆心距最大段装药量

随着山区高速公路快速发展，为适应山区地形和减少占用耕地，隧道成为很重要的一种公路结构形式。隧道开挖施工需要解决的一个重要问题是：最大限度地降低爆破振动，减少对隧道围岩和支护体系的振动，减少隧道爆破对地表及附近民房和农用构筑物的影响。本文通过对爆破振动进行监测，对影响爆破振速的因素进行研究分析。

1爆破对临近结构影响

在爆破振动作用下，建筑物受到振动加速度的作用，产生惯性力，可能引发结构和非结构破坏[1]。对于爆破振动的危害，主要应研究地振波的加速度和造成结构动力响应的荷载。

当爆破地振波投射入土层后，由于地表的多次反射和岩土界面的反射和透射，与土层频率接近的振波将被放大，其他频率的振波在传播中快速衰减。土层对于爆破振动的放大效应，使主振相的前振段振幅急剧增大，而后振段振幅快速衰减。高频振波的前振段引起建筑物的反应，会干扰最大振幅引起结构物的响应[2]。

2既有隧道爆破振动监测及安全性评估

本文基于新建隧道爆破施工对既有隧道影响规律进行分析，对既有隧道进行爆破振动监测，以确保既有隧道安全运营。

2.1　爆破振动监测仪器及测点布置及测试方法

选用爆破振动智能监测仪采集到的爆破现场振动数据，之后对其进行分析预测(v-ρ分析、振速预测、安全距离预测和安全装药量预测)和管理。

(1) 测点布置原则。为了研究爆破对近接隧道的影响，测点布置在掘进隧道掌子面和相邻隧道对应桩号的断面后面，具体的位置是隧道迎爆侧边墙附近，如有需要也可以在衬砌病害严重断面或背爆侧。

(2) 爆破振动测试方法。在条件允许的情况下同一测点同时布置竖向和水平向传感器。爆破前30 min布置测点，采用石膏将传感器固定到地面或者侧墙上，涂抹在传感器上的石膏要薄而结合紧密，必要时需要用石膏对安装部位进行平整修补[3]。测试过程中仪器及测点布置示意见图1。

图1　仪器现场安装图

2.2　爆破振动安全标准

我国《爆破安全规程》(GB6722-2003)所规定的爆破振动安全标准是以质点振动速度或振动速度结合振动频率为判据，该标准根据所保护对象结构物的重要程度和类型提出了相应的控制标准，见表1。

表1　爆破振动安全允许标准

注：表列频率为主振频率，系指最大振幅所对应波的频率。

既有隧道安全振速控制标准以国标规定的交通隧道为参考和主要依据，通过调查发现既有隧道有多处渗漏水、裂缝等隧道病害，结合类似隧道施工监测中的经验，按国标规定安全振速下限为10 cm/s。

2.3　爆破振动监测数据分析

(1) 爆破施工报警值。根据工程实际情况及既有工程经验，为了评估爆破振动的影响，采用4个分区：振速小于5 cm/s时(理想区)，可认为新建隧道爆破施工对既有隧道基本没有影响；振速大于5 cm/s而小于8 cm/s时(安全区)，可认为新建隧道爆破施工对既有隧道有一定影响，但不危害既有隧道的安全运营；振速大于8 cm/s而小于10 cm/s时(黄色警报区)，新建隧道爆破施工对既有隧道影响较大，对于隧道结构安全存在隐患，需要进行预警及各方重视；振速大于10 cm/s时(红色警报区)，新建隧道爆破施工对既有隧道运营及结构安全有非常大的影响，施工单位必须采取相关控制措施，同时交管部门也需要采取一定限行措施。

(2) 爆破振动传播规律分析。振动速度实测数据分析表明，影响爆破振动强度的主要因素有装药量和爆破介质临空面的条件、爆心距、地质条件和迎爆面[4]。

高差变化对振动速度衰减规律有一定影响，爆破振动数据的分析方法因高差不同而不同。在不考虑高差的情况下，垂直振速经验公式为

式中：v为爆破振动峰值垂直振速，cm/s；ρ为比例药量；Q为爆破最大段药量，kg；R为爆心距，m；k为场地条件系数；α为爆破振动衰减指数。

在比例药量ρ已知情况下，把该式两边取对数，即可对监测爆破振动数据进行一元线性回归得到k，α值，从而得到爆破振动峰值垂直振速衰减方程。

根据上述理论，对现场测得的数据可以做出lgρ-lgv曲线，见图2。

图2　史家山隧道爆破振动数据拟合图

2.4　爆破振动分段装药量与爆心距影响分级

当分段最大装药量和爆心距不同时，对爆破振速的影响不同，并建立爆心距与分段最大装药量影响分级。根据隧道安全状况和以往研究成果，将爆破振动对隧道衬砌的影响根据爆破振速分为如下4级。

①爆破振速为v<5cm/s时，爆破振动对衬砌结构基本无影响，无需采取措施。

②爆破振速为5cm/s

③爆破振速为8cm/s

④爆破振速满足v>10cm/s时，爆破振动对衬砌结构有安全性影响，需采取减振措施。除了调整施工工法，爆破中可采用增加雷管的段别，减少同段雷管起爆药量来减少爆破地震强度，设计爆破网格为孔内微差，孔外同段的非电微差起爆技术。导爆管一般跳段使用，使段间间隔时间大于50ms，防止地震波相互叠加产生较大振动。

(1) 最大段药量分析。考虑分段最大装药量影响时，假定爆心距分段最大装药量从2~20kg变化，则可得到爆破峰值振速与分段装药量的关系，见图3。

图3　隧道爆破振速与最大段炸药关系曲线图

可见，随着分段装药量的增加，振速与之成指数形式增长，表达式为：v=1.653Q0.635，在爆心距确定的情况下，可以通过增加分段数或者减少分段炸药量的方式减小对既有结构的振动。比如，在爆心距为20m时，如果分段装药量为20kg，则最大振速达到11.1cm/s；如果分段装药量减小到12kg，最大振速可以降低到8cm/s，可以满足既有隧道安全性要求。

采用回归分析研究隧道掘进爆破振动传播规律，同时可以推导保证隧道结构安全的最大段药量的控制，公式如下：

对于隧道净距R=15.8 m和25 m时，分别将振速[v]=5 cm/s，[v]=8 cm/s和[v]=10 cm/s代入上式算出最大段药量分区，见表2。

表2　分段最大装药量与爆破影响分级

可见不同的振速或者爆心距，最大段药量的影响均较大，在爆破施工分段设计时，需要综合考虑临近结构位置及地层状态。

(2) 爆心距影响分级。考虑爆心距对最大振速影响时，假定分段最大装药量Q=12 kg，爆心距则从5 m到100 m变化，则可得到爆破峰值振速与爆心距的关系，见图4。

图4　隧道爆破振速与爆心距关系曲线图

随着爆心距的增加，振速与之呈指数形式减小，表达式为：v=2 420R-1.906。

可见，在分段最大装药量确定的情况下，爆心距越大，对于既有结构安全影响越小。当爆心距小于20 m时，振动速度大于10 cm/s，因此为了保证既有结构的安全需要采取措施；当爆心距大于30 m时，最大振速会降低到5 cm/s以下，对于既有结构基本没有影响；尤其当爆心距大于50 m时，可以忽略爆破振动的影响。因此在隧道选线过程中，需要考虑洞口附近建筑及既有隧道影响，由于条件限制无法避免时还需要采取别的措施降低爆破振动对于既有结构的影响[6]。

3结语

隧道施工过程中，监测新建隧道爆破振动对既有隧道的影响，并根据既有隧道衬砌特征和安全状况，提出安全振动速度控制标准，将爆破振动影响分为4级，即无影响、有一定影响，有较大影响和安全性影响。同时，通过对监测爆破振动数据进行统计分析，得出爆破振动振速传播规律，归纳分析得到爆破振动传播规律的萨氏公式，得到振动速度与爆心距和最大段装药量的关系。依据监测数据和理论研究，及时向施工单位反馈，并提出有效的施工措施减小爆破振速。

参考文献

[1]雷明峰,张运良,彭立敏.城市小间距交通隧道爆破安全监测及结果分析[J].现代隧道技术,2007,44(1)：61-64.

[2]李云鹏,艾传志,韩常领,等.小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究[J].爆炸与冲击,2007,27(1)：75-80.

[3]姜德义，陈玉，任松,等.超小净距交叉隧道的爆破振动监测与控制技术[J].西部探矿工程,2008(10)：188-191.

[4]李利平,李术才,张庆松,等.小间距隧道爆破动力响应分析[J].公路交通科技,2008(7):100-106.

[5]史秀志,田建军,王怀勇.冬瓜山矿爆破振动测试数据回归与时频分析[J].爆破,2008(2)：77-81.

[6]杨光.隧道爆破施工对邻近既有隧道结构安全的影响分析与控制研究[D].长沙：中南大学，2011.

Influence Analysis of the Blasting Construction of New Tunnel on Existing Tunnel

YeYunbin1,FangJiwei2

(1.Ningbo Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Station, Ningbo 315040, China;

2.Ningbo Traffic Construction Experiment and Detection Co., Ltd., Ningbo 315113, China)

Abstract：The new tunnel blasting has serious influence on existing tunnel. In order to analyze the influence regularity, the blasting vibration of old tunnel was monitored. The velocity propagation law and the relationship of vibration speed with blast center distance and charge weight in larger segment are got by analyzing the monitoring data of blasting vibration, which can provide theoretical basis for reducing blasting vibration velocity effectively.

Key words:blasting vibration; vibration velocity; blast center distance; charge weight in larger segment

收稿日期：2015-03-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.041