爆破振动监测在立体交叉隧道工程的应用

张 如，范占超，王宇轩，左 旭

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

爆破振动监测在立体交叉隧道工程的应用

张 如，范占超，王宇轩，左 旭

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

某市政隧道上跨既有高铁隧道，最小净距7.4 m，所穿越围岩为含泥质石灰岩，采用钻爆法进行开挖。为保证隧道安全高效穿越交叉段，进行了爆破振动监测，并依此对爆破方案进行动态调整。结果表明，爆破振动监测指导爆破方案动态调整的方法可以满足施工要求，在实践中可行。此外，对监测数据进行了统计，并从峰值振速和主震频率两方面进行了分析。

交叉隧道；爆破振动；振动监测；数据分析

进入新世纪，我国交通建设规模不断发展壮大。高速公路网的密布，高铁线路的不断增多，城市主干道的逐渐完善，这些因素促成了路网的交织。在多山地区，交叉隧道工程越来越多。钻爆法因其自身快速便捷的特点，被人们广泛采用，它是隧道施工常用的开挖方法。爆破产生的振动效应难免会对周围已有建(构)筑物产生影响。因此，对爆破施工的振动效应进行信息化监测是非常有必要的，爆破监测可以指导后续的爆破设计和施工。

国内外众多学者采用现场监测的方法对爆破振动进行研究。Nakano[1]对日本某小净距双洞隧道爆破施工进行研究，分析了后开挖隧洞对先行洞的影响，认为衬砌振速超过70 cm/s时，要对既有隧道衬砌进行现场监测。于建新、陈卫忠[2]以新建走马岗隧道上穿走马岗引水隧洞工程为背景，对现场实测数据进行回归分析，并依据分析结果制定了爆破方案，采用数值模拟方法对方案进行了验证。最后，对交叉段实际爆破结果与方案预测进行了对比。徐顺香[3]针对泉州大坪山非机动车及人行隧道下穿村庄、既有公路隧道施工，提出了下导坑领先再分3步全断面扩大的爆破开挖方法，并通过现场监测验证了方案的可行性。罗浩[4]以杭州市某公路改建工程中的闵林连拱隧道为工程背景，对现场爆破监测数据进行回归分析，得到了此地段爆破振动波的传播规律，为后续施工提供了依据。本文以国内某交叉隧道工程为背景，对爆破振动现场监测数据进行分析。

1 工程概况

某市政隧道为城市Ⅰ级主干道双向6车道独立双洞隧道，其左右洞与既有高铁隧道分别上跨交叉，最小净厚度分别为7.422 m、7.682 m。根据地质勘探资料，并结合下方既有隧道的地质情况，交叉点前后约200 m范围内的围岩情况基本一致，岩性为含泥质石灰岩，较破碎，极弱富水，弱透水，围岩级别为Ⅳ级。

2 爆破应力波理论

图1 岩石中爆破应力波的演变

爆破应力波是分析岩体内应力应变状态变化的一种方法。岩体装药爆破时，随着爆心距的逐渐增大，爆破应力波的主要演变过程为[5]：冲击波，非稳态冲击波，弹塑性波，弹性应力波，爆炸地震波。然而，大多数岩石在冲击荷载的作用下，未进入流体状态前呈脆性，且应力和应变关系遵循虎克定律，所以爆破应力波主要是：冲击波，(弹性)应力波，爆破地震波。爆破应力波如图1所示，图中R0为爆心半径。

大多数的现场监测位置均位于爆破远区，波已经衰减成为弹性应力波或爆破地震波，它们均属于弹性波。根据弹性波的波动方程推导结果可知，弹性固体内部的波形式有两种：纵波和横波。球状装药只激起纵波，柱状装药主要激起纵波，纵波波速大于横波，基于以上3个因素，弹性应力波主要是纵波。

因此，所监测的振动主要是应力波中的纵波所引起的目标监测点的振动情况。

3 爆破振动监测及爆破方案

3.1 测振仪原理

一般情况下，爆破测振仪为压电式，其内部有石英晶体和人工极化陶瓷，利用两者的压电效应设计而成。当两者之一受到应力作用时，其表面将产生的电荷，电荷数量与应力大小呈线性关系，且与应力加速度值成正比。测振仪按测量参数类型可分为两种，即测振仪压电加速度计和测振仪压电速度计，后者在前者的基础上加了一个积分电路，通过将加速度信号积分得到振动速度值。[6]

图2 爆破振动监测工作流程示意图

3.2 测振仪选择

本次现场爆破振动监测采用了某交博科技有限公司生产的L20型爆破测振仪，该测振仪为速度型。拾振器为3向振动速度拾振器，尺寸大小为64 mm×64 mm×64 mm。分析软件采用L20(速度)型爆破测振仪配套的分析软件——BVA-L20。BVA-L20可以运行于Windows XP/7/8/10操作系统平台，符合国家《爆破安全规程》的行业规范要求。具体爆破监测流程如图2所示。

3.3 测点的布置

测点布置在下方隧道交叉点处迎爆侧边墙，对应左右洞穿越交叉点前后共有4个监测点。安装前，注意用砂纸将衬砌表面打磨清理干净，再用生石膏将传感器按固定的方向安装在衬砌上。拾振器各方向所对应方位为：X方向对应垂直衬砌表面的方向(指向爆源)，Y方向对应隧道纵向，Z方向对应垂向。

隧道主要采用上下台阶方式进行开挖，上台阶爆破时临空面较小，因此，爆破振动监测只针对上台阶爆破。

3.4 爆破方案

隧道爆破方案要点：炸药采用2号岩石乳化炸药，雷管采用普通非电毫秒延期雷管，采用楔形掏槽，进尺、单段最大药量随着接近交叉点程度逐渐调整，进尺由最初的4 m参照爆破监测结果逐渐较小，单段最大药量由最初的48 kg逐渐减小。

4 监测结果分析

监测所得数据中，X方向峰值速度最大，也最能表示既有隧道衬砌结构的振动情况，因此，仅分析X方向监测数据。根据《爆破安全规程》[7]及专家论证结果，下方高铁隧道的振速限值为5 cm/s。现场共进行了42次爆破振动监测，峰值振速及主震频率监测结果统计结果如表1、表2所示。

表1 峰值振速数据统计

表2 主震频率数据统计

监测结果表明，爆破振速多数情况都满足方案要求的5 cm/s，有的甚至小于3 cm/s，个别数据值超过5 cm/s，但均没有超过6 cm/s，这说明爆破方案的动态调整能满足要求。

对比右洞穿越交叉点前后的振速统计结果可以发现：穿越交叉点后的振速偏小。这是由隧道已开挖部分导致的，已开挖部分对爆破应力波影响可以理解为“空洞效应”。对比左右洞穿越交叉点前的振速统计结果，可以发现：左洞穿越交叉点前的振速偏小。这是因为右洞为先行洞，同样可以用“空洞效应”解释。

振动频率同振速一样，也是一个非常重要的监测指标。振动频率与结构固有频率越接近，则结构越容易发生破坏。表2中的监测结果表明，隧道衬砌的振动频率多集中在90 Hz～150 Hz，大于150 Hz的一般不会超过180 Hz，小于90 Hz的一般不会小于60 Hz，均大于混凝土建(构)筑物的固有频率。因此，隧道衬砌不会发生共振破坏。

对比所有振速与频率统计结果可以发现：振速越高，频率也越大。所以，在降低振速的同时，一定要保证振动频率不能太低。

5 结 语

爆破振动现场监测方法是信息化施工必不可少的方法，结合实测数据，可以对爆破方案进行动态调整，保证了隧道安全高效施工。从本隧道的监测情况来看，监测数值基本能满足要求的限值。

隧道已开挖部分会改变爆破应力波的传播途径，从而降低需要保护建(构)筑物的振速。隧道衬砌的自振频率一般都小于爆破振动频率。但在降低振速的同时，也要兼顾保证振动频率不能太低，以免发生共振破坏。

[1] Nakano k I,Okada S,Furukawa K,et al.Vibration and Cracking of Tunnel Lining Due to Adjacent BIasting[J].Doboku Gakkai Rombun-Hokokushu Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers,1993:53-62.

[2] 于建新,陈卫忠,杨建平,等.上下交叉隧道爆破振动控制技术研究[J].岩土力学,2014(S2):453-460.

[3] 徐顺香.超小净距交叉隧道爆破与安全技术[J].工业安全与环保,2010(12):40-41.

[4] 罗浩.软弱围岩浅埋连拱隧道爆破振动影响效应研究[D].西安：长安大学,2013:83-84.

[5] 王文龙.钻眼爆破[M].北京:煤炭工业出版社,1984:165-168.

[6] 蔡路军.爆破安全与测试技术[M].北京:科学出版社,2014:111-112.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB6722-2014爆破安全规程[S].2014: 42-43.

Application for Blasting Vibration Monitoring of Crisscrossed Tunnels

ZHANG Ru， FAN Zhanchao， WANG Yuxuan， ZUO Xu

(Chang′an University, Xi′an 710064, China)

A municipal tunnel crisscrossed a lower high-speed railway tunnel. The net distance between the two tunnel is only 7.4 meters. The surrounding rock was argillaceous limestone. borehole-blasting method was used in the project. To ensure the construction safe and efficiency, blasting vibration was monitored. Blasting scheme was improved continuously according to the monitoring results. The results show that improving the blasting scheme continuously according to the monitoring results was a good method. Besides that, the peak vibration velocity and the main blasting frequency are analyzed.

crisscrossed tunnels; blasting vibration; vibration monitoring; data analysis

2017-03-10

张 如(1991-)，男，山西大同人，在读硕士研究生，主要从事隧道与地下工程方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.011

U451

A

1674-5403(2017)02-0039-03