隧道分区爆破振动传播规律试验研究

孟海利

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

隧道分区爆破振动传播规律试验研究

孟海利

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

在重庆枢纽联络线隧道掘进过程中，将隧道掌子面划分为掏槽区、辅助区和周边区分别进行爆破，并对不同区域爆破开挖引起的振动进行了监测与分析。结果表明:隧道爆破的最大振动出现在掏槽部位，采用分部开挖方式和在掏槽区设置大直径空孔可有效降低爆破振动;隧道掌子面爆破区域不同，振动衰减参数也不同，振动衰减系数K随着开挖区域的增大而逐渐减小，振动衰减指数α由地质条件决定，基本保持不变，辅助区K为掏槽区的0.50～0.67倍，周边区K为掏槽区的0.25～0.33倍;重庆地区隧道分部开挖时，K可按掏槽区110～120、辅助区60～80、周边区30～40取值，α可按掏槽区1.5、辅助区和周边区1.6取值。

隧道 分区爆破 爆破振动 衰减规律

工程建设爆破施工处理不当会对周边环境产生较大危害［1］，其中爆破振动最为严重，因此，研究爆破振动传播规律进而采取有效措施加以控制一直是爆破研究领域的重要课题［2-3］。随着我国城区铁路的大量修建，隧道爆破面临的环境越来越复杂，一些岩石隧道埋深浅且周边有大量的建(构)筑物需要保护，降低爆破振动就成为这些隧道开挖的主要难题。

目前，在隧道爆破设计时，通常要对爆破振动预先估算，即选取一个相同的振动衰减系数K、衰减指数α值，根据萨道夫斯基公式计算［4-5］。当估算值超过控制指标时，一般采取降低爆破规模等方法对爆破振动进行控制。然而，隧道爆破时通过对雷管段别的设置使掌子面不同区域先后起爆，这就造成了不同区域的爆破振动衰减系数不同。在这种情况下，若采用统一的衰减系数对隧道爆破振动进行估算，将产生较大的误差，同时采取的爆破振动控制措施也没有针对性，有时会造成较大浪费，甚至延误工期。

掌子面各爆破区域的振动参数如何取值目前尚没有详细的研究。本文以重庆铁路枢纽联络线隧道爆破开挖为背景，采用现场测试和统计分析方法，研究隧道掌子面不同区域产生的爆破振动衰减规律，并给出了爆破振动的有效控制措施。

1 隧道爆破振动机理分析

1.1 隧道爆破振动的传播

炸药在岩石介质中爆炸，形成的爆炸荷载以冲击波的形式向外传播，其强度随传播距离的增加而减小，波的性质和形状也产生相应的变化。在离爆源约3～7倍药包半径的近距离内，冲击波的强度较大，波峰压力一般都大大超过岩石的动抗压强度，使岩石产生塑性变形或粉碎。在该过程中冲击波消耗大部分能量，急剧衰减，变成不具陡峭波峰的应力波［6-7］。应力波阵面上的状态参数变化得比较缓慢，波速接近或等于岩石中的声速。岩石的状态变化所需时间远小于恢复到静止状态所需时间。由于应力波的作用，岩石处于非弹性状态，产生变形，可导致其破坏和残余变形。该范围可达到120～150倍药包半径的距离。应力波通过该区后，波的强度进一步衰减，变为弹性波或地震波，波的传播速度等于岩石中的声速。这种作用只能引起岩石质点做弹性振动，而不能使岩石产生破坏［8-9］。

爆破地震波引起爆破地震效应，产生爆破振动。爆破振动的大小与炸药量、爆破形式、起爆方法、药包埋藏深度、介质的特性参数、传播途径、局部地质条件、爆心距等有关。根据国内外的研究成果，爆破振动传播与衰减规律一般采用下式进行回归计算。

式中:v为地面质点峰值振动速度，cm/s;Q为炸药量(齐爆时为总装药量，延迟爆破时为最大一段装药量)，kg;R为测点与爆心之间的距离，m;K为介质系数，是与爆破方法、爆破参数、地形及观测方法等有关的爆破场地系数;α为衰减指数，与岩土地质因素有关。

1.2 隧道掌子面爆破区域划分

根据位置和作用的不同，隧道掌子面的炮眼分为三类，即掏槽眼、辅助眼和周边眼［10］。掏槽眼的作用是在工作面上首先创造一个槽腔作为第2个自由面，为其它炮眼爆破创造有利条件;辅助眼的作用是扩大和延伸掏槽的范围;周边眼的作用是控制隧道断面规格和形状。根据不同类型炮眼所处的位置，将隧道掌子面爆破区域划分为掏槽区、辅助区和周边区，如图1所示。掘进爆破时采用毫秒延时起爆网路，使掏槽眼先起爆，辅助眼次之，最后是周边眼，即掏槽区先爆破，辅助区次之，最后是周边区。

图1 隧道爆破掌子面分区示意

1.3 掌子面各区域的振动关系描述

掏槽区、辅助区和周边区先后起爆，由于各区域所受夹制作用不同，爆破振动参数会产生较大的差别，选用统一的K，α值计算爆破振动峰值显然已不合适，应该按区域分别计算爆破振动峰值。为了研究不同爆破区域振动参数取值的关系，定义掏槽区的介质系数为K0，辅助区和周边区的介质系数与K0之间存在如下关系

式中:K为不同爆破区域的爆破振动峰值衰减系数;K0为掏槽区的爆破振动峰值衰减系数;K1为其它区域以K0为基数的变化系数。

同样以掏槽区的衰减指数α0为基数，定义辅助区和周边区的衰减指数与α0之间存在如下关系

式中:α为不同爆破区域的爆破振动峰值衰减指数;α0为掏槽区的爆破振动峰值衰减指数;α1为其它区域以α0为基数的变化系数。

引入K1，K0和α1，α0后，爆破振动计算公式变为

2 隧道爆破振动测试试验

试验地点选择在重庆枢纽北右联络线隧道，里程为K13+054处，重庆枢纽北右联络线隧道自成渝客专正线新中梁山右线隧道引出，里程CBLYDK0+ 000—CBLYDK2+313.5，全长2 313.5 m。该隧道与蔡东联络线双碑隧道并行1 065 m，最终接入双碑隧道。试验处的北右联络线隧道与双碑隧道之间的水平净距只有10 m(图2)，且双碑隧道正在营运，两隧道属于典型的紧邻运营线小净距隧道，爆破时要重点保证既有双碑隧道的运营安全。重庆北右联络线隧道待挖岩体为岩屑长石石英砂岩夹砂质泥页岩、炭质页岩，岩体较完整，浅灰和灰色，中粗粒结构，泥质、钙质胶结，厚层～巨厚层状，属于Ⅲ级围岩。

图2 重庆北右联络线隧道与蔡东线双碑隧道典型断面

2.1 爆破试验方案

为使测试结果更详尽，试验将隧道掌子面分成5部分，如图3所示，分别表示为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ部。Ⅰ部为掏槽区，Ⅱ部和Ⅲ部为辅助区，Ⅳ部和Ⅴ部为周边区。试验时由Ⅰ部至Ⅴ部分5步爆破，每部分单独起爆和测试，每次爆破进尺1.0 m。将掏槽孔布设在远离既有隧道的一侧，并在掏槽孔周边布设4个直径为90 mm的空孔，空孔内不装药，只起增加临空面的作用。爆破炮孔的直径为42 mm，装填直径32 mm的乳化炸药，孔口密实填塞，采用导爆管雷管毫秒延时起爆网路，每部分的炮孔位置和雷管段别布设参见图3。每部分的单孔装药量、总药量和最大单段药量见表1，装药时严格控制每孔装药量。

2.2 测试内容及测点布置

测试主要是获得重庆北右联络线隧道各区域爆破时既有双碑隧道处的爆破振动速度，进而分析隧道不同爆破区域的振动传播规律。采用TC-4850爆破测振仪和三向速度传感器测试。振动速度传感器安装在既有隧道迎爆侧的拱腰部位，高出隧道排水沟以上5 m，每次安装3个传感器，1#传感器与爆破掌子面平齐，2#与1#传感器相隔10 m，3#与2#传感器相隔15 m，如图4所示。

图3 炮孔布置及雷管段别设计示意

表1 炮孔装药参数

图4 传感器布设位置示意

2.3 测试结果

共进行3个循环进尺的重复试验，通过3次爆破得到的振动速度测试结果，见表2。测试的典型波形见图5。

表2 爆破振动速度测试结果

3 爆破振动传播规律

将表2中的矢量和振速按式(1)进行回归分析，得到隧道掌子面不同区域的爆破振动传播规律，如图6和表3所示。

从表3中可以看出，随着爆破由Ⅰ部到Ⅴ部的逐步进行，K值逐渐减小，掏槽区K值为110～120，辅助区为60～80，周边区为30～40，这说明随着爆破临空面的逐渐加大，药包爆炸受到的约束力逐渐减小，爆破振动逐渐降低。由于地质条件没有变化，α值基本不变，掏槽区α值为1.5，辅助区为1.5～1.6，周边区为1.6。

以爆破振动最大的情况考虑，掏槽区K0=120，α0=1.5，由此计算得到辅助区和周边区与掏槽区的振动关系，见表4。可以看出，辅助区的振动系数是掏槽区的0.50～0.67倍，周边区的振动系数是掏槽区的0.25～0.33倍，在采用萨道夫斯基公式进行爆破振动预估时，应按所处的区域分别选取各值。

图5 掏槽Ⅰ部爆破开挖典型振动波形

图6 掌子面各部分爆破振动衰减回归曲线

表3 振速衰减公式参数

表4 隧道掌子面各区域爆破振动参数的变化关系

4 降振分析及控制措施

从3次测试结果看，虽然最大单段爆破药量在Ⅲ部开挖区域，但最大爆破振动速度并未出现在该区域，而是出现在Ⅰ部掏槽部位。这主要是因为当Ⅰ，Ⅱ部开挖后，给Ⅲ部的开挖创造了充足的临空面，爆破能量在临空面得以充分释放。由此可见具有良好临空面是降低爆破振动的关键因素。

3次爆破试验的最大振动速度均出现在掏槽Ⅰ部，其中前两次数值已接近4.0 cm/s，最大为3.64 cm/s，因此，要降低爆破振动需降低掏槽区的爆破振动。在第3次爆破时，将Ⅰ部掏槽区的空孔增加到了6个，实测最大振速为2.85 cm/s，降幅明显，说明大直径空孔可以有效降低掏槽区的爆破振动。

由掏槽Ⅰ部爆破时测得的一组典型的振动波形(参见图5)可以比较清晰地分辨出各雷管段别的振动参数，从图中可以看出，在掏槽区布置多个空孔后，掏槽孔的振动速度峰值明显低于扩槽孔，同样说明布设空孔具有明显的减振作用。

由以上分析可以看出，采用分部开挖和在掏槽区设置空孔可使爆破振动得到有效降低。

5 结论

1)根据炮眼位置和作用的不同，将隧道掌子面划分为掏槽区、辅助区和周边区3个区域，爆破时由于起爆时差的不同，各区域产生的爆破振动衰减参数也不同，振动衰减系数K随着开挖区域的增大而逐渐减小，振动衰减指数α基本保持不变。辅助区的K为掏槽区的0.50～0.67倍，周边区的K为掏槽区的0.25～0.33倍。设计时应根据不同爆破区域选择不同的爆破振动参数。

2)重庆地区隧道爆破开挖时，振动衰减系数K可按掏槽区110～120、辅助区60～80、周边区30～40取值，振动衰减指数α可按掏槽区1.5、辅助区和周边区1.6取值。

3)隧道爆破的最大振动值会出现在掏槽部位，爆破时需重点控制掏槽区的爆破振动。采用分部开挖方式和在掏槽区设置大直径空孔可有效降低爆破振动，且空孔数量越多，减振效果越好。

［1］汪旭光．爆破手册［M］．北京:冶金工业出版社，2010．

［2］杨年华，张乐．爆破振动波叠加数值预测方法［J］．爆炸与冲击，2012，32(1):84-90．

［3］薛里，孙付峰，杨年华．地铁浅埋隧道爆破开挖振动控制研究［J］．地下空间与工程学报，2011(6):35-39．

［4］周春锋．城市浅埋隧道减震控制爆破技术［J］．工程爆破，2001，7(1):57-61．

［5］高同伟．建筑结构对隧道爆破的振动响应特性［D］．山东:山东科技大学，2011．

［6］杨珊，陈建宏，郭宏斌，等．基于回归分析的隧道爆破振动传播规律研究［J］．中国安全科学学报，2011，21(10):71-75．

［7］周清．小净距隧道开挖爆破振动数值模拟研究［J］．铁道建筑技术，2013(增1):56-58．

［8］王春梅．小间距隧道爆破对既有隧道振动影响分析［J］．爆破，2013，30(2):84-89．

［9］陈连进．小净距隧道爆破振动对邻近隧道影响测试研究［J］．爆破，2010，27(2):36-40．

［10］傅洪贤，赵勇，谢晋水，等．隧道爆破近区爆破振动测试研究［J］．岩石力学与工程学报，2011，30(2):335-340．

Experimental study on propagation law of tunnel blasting vibration

MENG Haili
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he tunnel face blasting was implemented by dividing the tunnel face into cutting area，auxiliary area and surrounding area separately during the tunnel excavation of Chongqing terminal connecting line and the different regional vibration caused by blasting excavation are monitored and analyzed．T he results indicated that the maximum vibration caused by tunnel blasting appears in cutting area，the vibration attenuation parameters are different with the different blasting zone of tunnel face，vibration attenuation coefficient K decreases gradually with excavation zone increasing，the vibration attenuation exponent α basically unchanged，which is determined by geological conditions，K value of auxiliary area is 0.50～0.67 times the value of cutting area，K value of surrounding area is 0.25～0.33 times the value of cutting area，K value should be 110～120，60～80，30～40 for cutting area，auxiliary area and surrounding area respectively during partial excavation of Chongqing tunnel，and α should be 1.5 for cutting area and 1.6 for both auxiliary area and surrounding area．

T unnel;Zoning blasting;Blasting vibration;Attenuation law

U455.41

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．14

1003-1995(2015)04-0050-05

(责任审编李付军)

2014-12-09;

2015-02-10

中国铁道科学研究院院基金(2013YJ030)

孟海利(1977—)，男，河北吴桥人，副研究员，博士。