浅埋隧道掘进爆破空洞效应研究
2017-10-23刘光汉周建敏余红兵
刘光汉，周建敏，余红兵
(贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵州 贵阳 550002)
浅埋隧道掘进爆破空洞效应研究
刘光汉，周建敏，余红兵
(贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵州 贵阳 550002)
为分析浅埋隧道爆破的 “空洞效应”，研究爆破区域上方两侧相同距离条件下的地表振动变化规律，以贵州某隧道爆破工程为背景，在现场进行爆破振动试验。现场试验结果表明：(1)浅埋隧道掘进爆破产生的爆破振动存在“空洞效应”，使得成洞区上部地表振动速度大于非成洞区上部地表振动速度；(2)当采用16.8 kg药量爆破时，测点4的放大系数为1.19，测点3的放大系数为1.32，测点2的放大系数为1.23，测点1的放大系数为1.18，说明随着爆心距的变化,测点振动速度放大系数呈先增大后减小的趋势；(3)对于浅埋隧道施工爆破，为保护隧道上方建(构)筑物的安全，应以成洞区上部地表振动监测为重点。
浅埋隧道; 掘进爆破; 空洞效应; 放大系数
随着城市地下工程建设的增多，隧道爆破开挖引起的振动效应愈来愈受到人们的关注和重视。目前国内外学者对隧道爆破的震动效应以及其对支护和相邻隧道的稳定性影响做了大量研究[1-6]，而对于隧道掘进爆破空洞效应对地表建构筑物的影响研究较少。空洞效应是指在隧道掘进爆破中已开挖区存在的空洞导致其上部地表振动速度大于未开挖区地表振动速度的现象[7-10]。因此，研究隧道爆破空洞效应，对于保护地表建、构筑物的安全稳定及爆破振动的准确预测具有重要意义。本文以贵阳市某隧道爆破施工为背景，通过对现场爆破试验实测震动数据的分析，对浅埋隧道掘进爆破空洞效应及其振速变化规律进行研究。
1 现场爆破振动试验方案
现场试验选择在贵阳市某隧道爆破施工现场进行，该隧道全长4368 m，隧道埋深为11～18 m。隧道岩石的普氏系数f为6～10，岩性以泥质砂岩为主。隧道开挖断面高9 m，宽6 m。
隧道掘进采用台阶法进行爆破施工，为减小爆破振动对围岩的扰动及形成良好的断面轮廓，现场采用光面爆破技术和平行直孔掏槽，掏槽孔孔径为42 mm，单段药量为10～18 kg，采用微差控制爆破技术进行爆破。
(1) 现场振动监测点布置。现场振动监测点布置原则为：以掘进工作面(爆区)为中心，工作面上方位置布置为测点5。在地表沿隧道轴线对称布置震动测点(见图1)，相邻测点间距均为5 m。
图1 振动监测点布置
(2) 爆破振动测试仪器及安装方法。现场采用TC-4850爆破测振仪进行爆破振动测试。该仪器配置有3个方向分量的速度传感器，在数据处理时可输出不同方向的振速峰值。现场试验前应通过仪器显示屏提前设置仪器采样频率、采样时间、最大量程等各种采集参数。现场安装仪器时，采用石膏将速度传感器粘接在地表裸露基岩或者混凝土试件上(见图2)。
图2 现场爆破测振仪布置效果
2 爆破振动试验结果分析
2.1 空洞效应衡量指标
为了定量评价隧道掘进爆破空洞效应的影响程度，表征成洞区地表质点振动速度的放大效应。
定义fv为隧道掌子面上方两侧相同距离位置的振动速度比值，其数学表达式为：
(1)
定义ΔV为隧道掌子面上方两侧相同距离位置的振动速度差值，其数学表达式为：
ΔV=Vc-Vs
(2)
式中,Vc为相同距离条件下掌子面左侧地表振动速度;Vs为相同距离条件下掌子面右侧地表振动速度。
2.2 试验结果分析
在现场进行了4次爆破振动试验，得到了不同药量条件下掌子面前后各对称测点的地表振动速度(见表1)。并绘制不同药量条件下各测点振动速度的变化规律(见图3)。
图3 不同药量条件下各测点振动速度变化规律
表1 爆破试验引起的地表振动速度幅值
根据表1和图3可得：
(1) 以掌子面正上方地表震动测点5为转折点，沿隧道掘进前方的各测点(6，7，8，9)地表振动速度均小于已开挖区上部对应测点(1，2，3，4)的地表振动速度，表明浅埋隧道爆破产生的爆破振动存在“空洞效应”，使得成洞区上部地表振动速度大于非成洞区上部地表振动速度。
(2) 通过计算不同爆心距条件下各测点的振动速度放大系数，发现当采用16.8 kg药量爆破时，测点4的放大系数为1.19，测点3的放大系数为1.32，测点2的放大系数为1.23，测点1的放大系数为1.18，说明随着爆心距的变化,测点振动速度放大系数呈先增大后减小的趋势。
3 结论与建议
(1) 浅埋隧道掘进爆破产生的爆破振动存在“空洞效应”，使得成洞区上部地表振动速度大于非成洞区上部地表振动速度。
(2) 当采用16.8 kg药量爆破时，测点4的放大系数为1.19，测点3的放大系数为1.32，测点2的放大系数为1.23，测点1的放大系数为1.18，说明随着爆心距的变化,测点振动速度放大系数呈先增大后减小的趋势。
(3) 对于浅埋隧道施工爆破，为保护隧道上方建(构)筑物的安全，应以成洞区上部地表振动监测为重点。
[1]谭忠盛，杨小林，王梦恕.复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(2)：281-285.
[2]吴浩艺，刘 慧，史雅语，等.邻近侧向爆破作用下既有隧道减震问题分析[J].爆破，2002，19(2)：74-76.
[3]张继春,曹孝君,郑爽英,等.浅埋隧道掘进爆破的地表震动效应试验研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(22):4158-4163.
[4]赵明阶，许锡宾，刘绪华，等.朝东岩隧道爆破掘进中围岩振动测试与分析[J].重庆交通学院学报，2002，21(2)：21-24.
[5]李 强,李文明,韩晓亮,等.基于HHT法的出矿巷道爆破振动衰减规律研究[J].矿业研究与开发,2017,37(02):44-47.
[6]汪令辉.基于加卸载响应比的小间距双硐巷道围岩稳定性研究[J].矿业研究与开发,2016,36(08):41-46.
[7]郭得福，黄 博，高文乐，等.浅埋隧洞爆破施工引起的振动效应[J].工程爆破，2017，23(1)：71-76.
[8]窦远明，赵华杰，王建宁，等.软土地区地铁隧道顶部空洞对隧道动力特性影响的试验研究[J].四川建筑科学研究，2017，43(1)：60-65.
[9]喻 军，刘松玉，童立元.浅埋隧道爆破振动空洞效应[J].东南大学学报，2010，40(1)：176-179．
[10]杨云凌.浅埋隧道爆破振动空洞效应研究[J].爆破，2012，29(3)：127-130.
2017-04-22)
刘光汉(1979-)，男，贵州贵阳人，工程师，主要从事爆破技术研究，Email：602574716@qq.com。
