爆破振速自动化监测在地铁保护区的应用

李永闯，刘海泉，康松，宗英杰，安庆军，王军

(1.青岛国信海天中心建设有限公司，山东 青岛 266071； 2.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033)

爆破振速自动化监测在地铁保护区的应用

李永闯1*，刘海泉1，康松1，宗英杰1，安庆军2，王军2

(1.青岛国信海天中心建设有限公司，山东 青岛 266071； 2.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033)

随着国内自动化监测探索的不断发展，研究基坑爆破开挖所产生的爆破振速对周边环境及构(建)筑物造成的影响，也可采用自动化振速采集的方式。本文结合青岛地铁某线某区间隧道保护区自动化监测工程，阐述爆破振速自动化监测在地铁保护区的应用。在基坑项目影响范围内的地铁隧道内，按断面布置监测点，测试现场采用WiFi无线通信技术实现数据的无线传输，基于TCP/IP网络和云计算技术，配套相应的网络设备和专用监测软件等，搭建整个爆破振动在线监测平台，由自动监测控制中心数据处理分析，实现测点状态、数据的实时在线发布、管理及超限报警功能，为前期试爆阶段调整爆破参数提供依据，为后期爆破对临近的地铁隧道的振动影响，提供了分析依据。

爆破振速；自动化监测；装药量；地铁保护区

1 引 言

近多年来，城市地铁建设如火如荼地进行，全国拥有地铁的城市也在逐步增加，城市建设中，邻近地铁隧道的基坑爆破施工时，应严格控制爆破振速，减少基坑爆破施工对地铁结构的影响，因此对于地铁保护区内爆破振速的监测显得尤为重要。

随着国内自动化监测探索的不断发展，研究基坑爆破开挖所产生的爆破振速对周边环境及构(建)筑物造成的影响，也可采用自动化振速采集的方式。本文结合青岛地铁某线某区间隧道保护区自动化监测工程，阐述爆破振速自动化监测在地铁保护区的应用。

2 工程概况

2.1 工程简介

青岛市某基坑工程开挖深度约 22 m～28 m，基坑周长约 800 m。工程北侧紧邻地铁某区间，其地下室外墙线与地铁某区间右线距离 14 m～21 m；基底标高约 -16.68 m；紧邻的地铁某区间隧道拱底标高为 -20.5 m～-23 m，拱顶标高为 -12 m～-16.9 m；基坑在施工过程中需用到爆破施工，可能引起地铁区间隧道结构变形，从而影响地铁区间结构安全。地铁隧道内径约 5.2 m，高 5.3 m。

2.2 工程地质条件

根据工程地质报告，工程场区第四系主要由全新统人工填土组成，局部见洪冲积层成因的黏性土及含黏性土粗砾砂，场区基岩主要由燕山晚期粗粒花岗岩及后期侵入的细粒花岗岩、花岗斑岩、煌斑岩脉组成，局部受构造影响形成挤压破碎带。地铁隧道拱顶标高以上土层主要为素填土、黏土、强风化带、中风化带，围岩基本质量级别为V级。地铁隧道拱顶标高以下土层主要为微风化岩层，岩体基本质量等级Ⅱ级～Ⅲ级。

3 监测点布设

根据本工程特点及地铁公司的相关要求，在基坑项目影响范围内的地铁隧道内，每 20 m设置一个断面，共设置13个断面，每断面布设爆破振动监测点—TP3V-4.5三向振动速度传感器2点，一点选在靠近基坑侧的侧墙上，另一点选取在拱顶以下，向靠近基坑一侧偏移，避开施工单位的供电电路等设施的位置，如图1、图2所示。每个监测点需提供垂向、径向及切向振动监测数据，共计布设爆破振动监测点26点，如图3所示。

图1 爆破振动监测点断面图 图2 爆破振动监测点断面影像

图3 爆破振动监测点平面示意图

4 爆破自动化监测系统

4.1 爆破振动监测系统概述

爆破振动采集仪采用UBOX-6016型振动测试仪和TP3V-4.5三向振动速度传感器，测试现场采用WiFi无线通信技术实现数据的无线传输，基于TCP/IP网络和云计算技术，配套相应的网络设备和专用监测软件等，搭建整个爆破振动在线监测平台，实现测点状态、数据的实时在线发布、管理及超限报警功能，系统结构示意图如图4所示。

图4 爆破振动监测系统示意图

如图4所示，本系统是由振动测试仪、两台无线数据基站、WiFi中继设备以及相应的传感器、光纤通讯设备等构成。

本工程共设置爆破振动监测点13个断面26点，每点均进行X、Y、Z三向振动速度的监测，需安装26台动测试仪和26个三向振动速度传感器，通过WiFi中继设备等组成无线分布式测量网络，这个分布式测量网络由一台无线数据基站统一管理，并通过光纤联接竖井口外的另一台无线数据基站，该基站通过 3G/4G网络联接TopCloud云端数据中心，将相关数据和设备信息上传到TopCloud供用户查询；同时，远程控制中心通过TCP/IP网络与TopCloud云端数据中心通信，完成远程读数、参数设置等工作。

4.2 爆破振动监测系统工作原理

(1)振动测试仪布置

本系统共配置了26台UBOX-6016型振动测试仪，装在壁挂式仪器箱中，平均分布安放在隧道壁上。每台联接1个TP3V-4.5三向振动速度传感器。每个采集通道的采样率可同时达到250 KSps，具有16 Bit的分辨率和8 M字节的板载缓存，完全满足爆破测振的测试需求。

TP3V-4.5三向振动速度传感器是专用于爆破振动测量的磁电式传感器，能够同时测量垂向、径向及切向的振动速度，采用传感器壁装支架固定在隧道断面测点上(高度2 m)，通过多芯信号线缆联接至PCI-25016振动信号测试仪的输入通道。PCI-25016振动信号测试仪如图5所示。

图5 PCI-25016振动信号测试仪

UBOX-6016型振动测试仪内置无线WiFi功能，可无线传输振动数据至隧道内的ABOX5450无线数据基站，考虑到WiFi传输距离限制，本系统又配置了WiFi中继设备，保证隧道内的无线数据可靠传输。

测试时，TP3V-4.5三向振动速度传感器感应到爆破振动信号，振动测试仪自动触发记录。采集过程结束后，自动通过WiFi无线网络传输至隧道内的ABOX5450无线数据基站，再通过光纤传输到竖井口外的另一台无线数据基站，该基站通过3G/4G网络将数据上传至TopCloud云端数据中心。建设单位可在现场隧道内的ABOX5450无线数据基站上随时查看各测点振动数据，也可在远程(如控制中心、办公室、家中等)运行客户端软件，通过用户名、密码访问云端服务器，实时查看振动数据，也可远程遥控现场的测试设备。

(2)无线数据基站布置

本系统共配置了两台ABOX5450无线数据基站，装在壁挂式仪器箱中。其中一台布置在隧道内离竖井出口最近的监测位置，用于接收隧道内的三台PCI-25016振动信号测试仪的无线数据；另一台布置在竖井出口外，用于通过3G/4G网络将数据上传至TopCloud云端数据中心。

两台ABOX5450无线数据基站通过UT2601MM光纤转换器及光纤线缆实现联接。UT2601MM光纤转换器是100M-1光1电以太网交换机，配置1根 320 m的工程级多模光纤线缆，用于隧道内与竖井出口两台ABOX5450无线数据基站之间的数据联接及通讯转换。

(3)自动监测控制中心数据处理分析

分析振动信号的最大振速：软件自动计算振动速度的最大值。

分析振动信号的主振频率：软件对采集的振动数据进行FFT幅度谱分析，找出振幅最大点对应的频率值并自动显示。

V-ρ图分析：根据萨道夫斯基公式，在前期监测数据结果的基础上计算出α值及k值，得到振速、装药量和距离比值之间的线性关系度，此图越接近直线说明测试的数据越准确。

振速预测：根据萨道夫斯基公式，在前期监测数据结果的基础上以图形形式预测在不同的装药量和距离下，爆破冲击产生的振动速度。

安全距离预测：根据萨道夫斯基公式，在前期监测数据结果的基础上以图形的形式预测在确定的安全振速下不同的装药量要求的安全距离。

装药量预测：根据萨道夫斯基公式，在前期监测数据结果的基础上以图形的形式预测在确定的安全振速和距离下的最大装药量。

远程控制中心数据显示与查询

显示每个测点的振动信号波形图。

显示每个测点振动信号的最大振速和主振频率。

显示各个爆破测振仪的状态(是否在线工作)。

查询每个测点的当前数据及历史数据。

(4)控制及报警

点对点地对各个测点的测试设备进行采集参数设置。

若测试分析结果超过警戒值，系统自动报警，控制警铃及指示灯发出警报。

5 爆破参数的确定

岩石越硬，围岩中引起的峰值振速越小，爆破地震波作用下其允许的峰值质点振速也越大，《爆破安全规程》中关于爆破振速的要求，交通隧道允许振速为V<10 cm/s～20 cm/s，青岛地铁公司对地铁保护区的安全爆破振速定为V<2 cm/s。因此本工程按照隧道允许振速V<2 cm/s控制。

爆破地震波最大振速绝大多数出现在垂直方向上，因此采用垂向振速代替三矢量振速，简化控制标准，会使结果偏安全，是科学可行的。根据公式可预测指定药量下各质点的最大振速，或通过控制质点振速反算可以采用的最大药量，指导隧道的爆破设计与施工。

V=K(Q1/3/R)α

式中：

K—场地系数；

α—衰减系数；

Q—单段最大装药量，kg；

R—测点与爆破位置距离，m。

解区不同岩性的K、a值 表1

群药包爆破，各药包至保护目标的距离差值超过平均距离的10%时，用等效距离R，和等效药量q分别代替R和Q值。Rc和Qe的计算采用加权平均值法。

6 结 语

为了不影响地铁正常的和运营，还要实现每炮必测的目标，本工程采用了自动化采集，自动化传输，远程控制，无人值守的监测方式。作为一次爆破振速自动化监测在青岛地区的具有现实意义的首次工程实践，能够达到工程预期的目标，能够为指导爆破施工提供准确、及时的数据支持，为前期试爆阶段调整爆破参数提供依据，为后期爆破对临近的地铁隧道的振动影响，提供了分析依据。很大程度上减少了人力的投入，为研究爆破振速在青岛地区岩石地基中传播规律提供了宝贵资料。

[1] GB6722-2003. 爆破安全规程[S].

[2] 易长平，卢文波，张建华. 爆破振动作用下地下洞室临界振速的研究[J]. 北京：中国学术期刊电子出版社，2005：4～7.

[3] 叶金汉. 岩石力学参数手册[M]. 北京：水利电力出版社，1991.

[4] 邓涛，李先章，黄明. 基于爆破振速的隧道围岩力学参数反演[J]. 地下空间与工程学，2013(9)：291～296.

[5] 盛同春，刘新波. 爆炸数学模型浅析[J]. 爆破，1999，9(3)：45-48.

[6] Kusmaul.J.S.Anew constitutive Model for Frentation of Rock Under Dynamic Landing[J]. By Blasting，1987：450～470.

[7] 崔积宏. 隧道掘进爆破振动的数值模拟研究[D]. 济南：山东科技大学，2005.

Application of Automatic Monitoring of Blasting Vibration in Subway Protective Area

Li Yongchuang1，Liu Haiquan1，Kang Song1，Zong Yingjie1，An Qingjun2，Wang Jun2

(1.Qingdao Conson HaiTian Centre Co.，Ltd. Qingdao 266071，China； 2.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266000，China)

With the continuous development of the domestic automatic monitoring and exploration，to study the influence of the blasting vibration velocity caused by the foundation pit excavation on the surrounding environment and the structure. The Method of automatic vibration speed acquisition can also be used. Based on the automatic monitoring project of a certain interval tunnel of Qingdao Subway Protective Area，Application of automatic monitoring of blasting vibration velocity is described in the paper. The monitoring points are arranged according to the section for the metro tunnel affected in the excavation projects. The test site uses WiFi wireless communication technology to realize wireless transmission of data. Supporting the network equipment and special monitoring software，we build the whole blasting vibration monitoring platform based on the TCP/IP network and cloud computing technology. The centre data's analysis is controlled by the automatic monitoring to achieve the real-time online publishing of the measuring points' status and data. With the help of the measuring points' management and alarm function when it overruns，lots of evidences are provided for the advance test-blasting to adjust blasting parameters. It also provides basis of numerical analysis for the adjacent metro tunnel's vibration effects by the later explosion.

blasting vibration velocity；automatic monitoring；charge quantity；subway protective area

1672-8262(2017)02-155-04

P633.2,TU751.6

B

2016—11—16

李永闯(1980—)，男，工程师，主要从事大型城市综合体工程项目的建设管理工作。