近距爆破施工对既有隧道振动影响分析

2015-03-24叶建龙姜正晖杜飞天肖清华

四川建筑 2015年6期

关键词：炮眼新建测点

叶建龙, 姜正晖, 杜飞天, 肖清华, 俞涛

(1. 浙江省交通规划设计研究院, 浙江杭州 310006； 2. 西南交通大学, 四川成都 610031)

近距爆破施工对既有隧道振动影响分析

叶建龙1, 姜正晖1, 杜飞天1, 肖清华2, 俞涛1

(1. 浙江省交通规划设计研究院, 浙江杭州 310006； 2. 西南交通大学, 四川成都 610031)

以杭金衢高速公路段的新岭隧道为背景，研究分析新建隧道爆破施工对邻近既有隧道的振动影响。运用理论分析及现场监测等方法，在充分分析现场施工状况的基础上，根据测点布置原理，对隧道爆破开挖进行了合理的测点布置和监测。结果表明：(1)爆破施工对既有隧道水平径向峰值振速最大；(2)测点随距爆破振源距离增加峰值振速减小；(3)合理炮孔布置及爆破参数的能够减小爆破振动对既有隧道的影响。该爆破方案可以保证邻近既有隧道的的安全，可为后续类似近距离隧道施工提供依据和借鉴。

爆破工程; 振动影响; 既有隧道; 监测

杭金衢高速公路是沪昆高速浙江境内的重要路段，新岭隧道路段拓宽工程为整个杭金衢高速公路拓宽工程的一部分，也是目前拥堵情况最为严重的一段。隧道工程穿过大平岗-马楼岭山脉，地形起伏较大，丘陵区顶部高程约273.3m，植被茂盛。隧道围岩以寒武系炭质页岩、泥质灰岩、震旦系粉砂岩地层为主，岩体理节裂隙发育，较破碎，质较坚硬～坚硬。地下水主要为基岩裂隙水，主要接受大气降水补给，水文地质条件较简单。进出洞口处于冲沟下部，进口段洞顶浅部残坡积层厚度较大，坡缓，有利于地表水汇集入渗。既有新岭隧道设计采用双向四车道的标准设计，左洞长1 413m，右洞长1 432.5m，单洞行车道宽度2×3.75m，单个隧道宽度10.75m，净高5.0m，隧道轴线走向160°，隧道最大埋深156m，设计行车速度120km/h。新岭隧道为上、下行独立分离式隧道，两隧道轴线间距为41.3m，隧道洞门杭州端为倒削竹式洞门，衢州端为端墙式，于2003年建成通车。

新建新岭隧道左洞起止桩号为AZK46+580～AZK47+950，长1 370m；右洞起止桩号为AYK46+606～AYK48+065，长1 459m。新建隧道左侧进洞口距离原左侧隧道最近距离27.29m，出洞口距离原左侧隧道最近距离35.62m；新建隧道右侧进洞口距离原右侧隧道最近距离23.08m，新建隧道右侧出洞口距离原右侧隧道最近距离28.16m。

工程环境较为复杂，新建隧道右洞进洞口位于新岭脚村，出口位于宣家坞村附近，该两处区域民房、地方道路以及电力通讯线路密集；左侧洞口位于新岭脚村附近，处于丘陵斜坡，进洞口处植被茂密，出洞口位于黄老山山脚，该处有地方机耕路，有少量民房，并有电力线横穿新建隧道设计路线。

杭金衢高速公路新岭隧道扩建工程，采用现在山岭隧道主流施工方法即爆破施工，必然会对邻近既有隧道产生振动影响，如果爆破设计不合理势必对既有隧道后期正常运营产生巨大损害，甚至破坏。为保证既有隧道稳定与安全，为此，在新建隧道爆破开挖过程中对既有隧道进行监测，通过记录分析爆破地震波的峰值速度、主频等参数，研究近距离爆破施工对下方邻近既有隧道的振动影响。

1 新建隧道爆破方案

为能较好地控制新建隧道对既有高速公路隧道的振动影响，必须确定合理的新建隧道爆破方案。在此仅对隧道围岩条件稍好且振动影响较大的Ⅳ级围岩爆破开挖方案进行分析说明，其他不做赘述。

1.1 爆破施工总体设计

采用全断面开挖法进行隧道施工，爆破开挖利用YT-28型风钻成孔，人工装药，毫秒非电雷管起爆，2#岩石乳化炸药爆破，每循环2.0m，爆破、清运及安全处理后，及时喷射砼封闭围岩，制安锚杆，保证爆破围岩的稳定。

1.2 爆破参数与炮孔布置

采用楔形掏槽，掏槽眼比其他炮眼深0.25m，周边眼光面爆破，Ⅳ级围岩炮眼布置见图1和图2所示，孔网参数列于表1。

2 爆破振动测试方案

2.1 监测原理与测试方法

山岭隧道开挖通常采用的是爆破方式，爆破产生的能量会以地震波的方式向外传播，当传播遇到建(构)筑物时，建筑物就会随之产生振动，振动幅值过大时就会造成建(构)筑物的破坏。所以，重要的工程项目采用爆破施工时，必须进行爆破振动监测。

根据新建隧道的爆破断面位置，初步估计对既有隧道的爆破影响范围，并在对应断面边墙处安设专用的爆破振动测试仪器，一般情况下采用多台(3～5台)等间距布置，这样可以得到衬砌爆破振动运动速度值，同时还可以确定影响范围。观测时将仪器调整到采集状态，起爆时产生的地震波由起爆点向四周传播，这时在衬砌边墙上安置的爆破振动仪就会将振动波记录下来。振动波在传播时由于地层的滤波作用高频部分很快就会被吸收掉，低频部分则会传播到很远处。当地震波传播到衬砌边墙时，其破坏性最大的是剪切波(也称横波或S波)，其振动形式呈水平振动，而纵波由于能量小通常情况下不须考虑。利用记录到的横波最大振幅则可计算出爆破引起的振动速度最大值，此值是考虑破坏作用的重要技术指标，根据规范和招投标文件指标进行对比既可分析出其影响作用。在已知装药量和爆破距离及多次测试得到的多组振速值的情况下，按照萨道夫斯基公式通过最小二乘法进行回归分析，可以得到爆破振动影响的大致规律。

图1 Ⅳ级围岩炮眼布置(单位:m)

表1 爆破参数设计

部位编号炮眼名称眼深/m最小抵抗线/m炮眼间距/m眼数/个段别钻孔角度/°每孔装药量/kg段药量/kg备注全断面1#掏槽眼1.9581631.4511.62#掏槽眼2.4103691.919.03#辅助眼2.065901.7510.54#辅助眼2.0166901.7510.55#辅助眼2.00.70.88147901.7524.56#辅助眼2.00.70.84178901.7529.757#辅助眼2.00.70.87199901.7533.258#辅助眼2.00.70.842110901.7536.259#辅助眼2.00.70.861111901.7519.2510#辅助眼2.00.70.861112901.7519.2511#辅助眼2.00.40.841313901.7522.7512#辅助眼2.00.70.841314901.7522.7513#周边眼2.00.70.462615900.615.614#周边眼2.00.70.462616900.615.615#辅助眼2.00.830.82117901.7536.7516#辅助眼2.00.830.772118901.7536.7517#底眼2.00.830.812219901.7538.518#辅助眼2.00.70.46820900.64.8总计2736916.151.钻孔时控制周边眼外插角3°,底眼下插角4°2.个别炮眼根据炮眼间距适当调整装药量3.线装药药长度1.0kg/m,剩余为堵塞长度

说明：Ⅳ级围岩断面面积118.6m2，炮眼孔径40mm，药卷直径φ32 mm，每循环进尺2.0 m，采用楔形掏槽，最大单响药量为36.75 kg，单耗1.7 kg/m3。

图2 Ⅳ级围岩掏槽眼布置(单位:cm)

2.2 监测点布设

按照在爆破掌子面对应既有新岭隧道断面前后共3～5个断面进行监测的要求，测振仪布置情况如图3和图4。

图3 TC-4850N无线测振仪系统布设

图4 测振仪测试位置

参考爆破振动测试方法[1-2]，测点位置的确定需要考虑爆区位置和现场地质地形条件，从地震波的传播规律可知，离爆源较近的地方，爆破振动普遍较大，因而进行爆破振动测试时，应综合考虑这几个方面的因素。

2.3 爆破振动测试参数

我国的《爆破安全规程》GB 6722—2014对该问题未有明确的规定，只限制地表的质点振动速度峰值。为了准确评价工程结构在爆破地震作用下的安全性，振动监测时以水平向爆破振动速度监测为主。

3 爆破振动测试结果及其分析

结合爆破振动理论[3-4]，对测试结果进行分析。由于篇幅有限，在此仅对现场采集的较为典型的数据结果进行分析。3个测点典型波形如图5～图7所示，其X、Y、Z三个方向的振动幅值见表2。

图5 1#测点X方向振速波形

图6 1#测点Y方向振速波形

图7 1#测点Z方向振速波形

测点编号水平径向(x)幅值/(cm·s-1)主频/Hz水平径向(y)幅值/(cm·s-1)主频/Hz垂直向(z)幅值/(cm·s-1)主频/Hz测点距爆源的距离/m14.232001.522002.5825045.424.142002.682502.4333347.0732.252000.981002.0233347.79

从图5～图7和表2中可知，新建隧道爆破施工过程中，X方向即水平垂直于既有隧道轴线方向峰值振动速度最大，明显高于水平Y向和竖向Z向，说明爆破开挖施工对既有隧道的稳定性产生的很大影响，同时随着测点与爆源的距离的增加，峰值振速有减小趋势，也即说明了新建隧道与既有隧道净距起到控制作用。但是测点测得的爆破振动速度并未超过允许振动速度值5cm/s，说明此Ⅳ级围岩条件下，采用上述炮孔布置及爆破设计参数，难满足施工要求。