隧道爆破振动试验研究

张先勇 黄 梅 邹锦州 赵轶凡

(1.华中科技大学土木工程与力学学院 武汉 430074; 2.湖北交通职业技术学院 武汉 430000)

爆破是目前隧道工程中经常采用的施工手段，广泛应用于工程岩体开挖中[1]。爆炸产生的荷载通常以高速、高压的冲击波的形式作用于爆源周围的岩体上，且其作用时间极短，瞬间释放的能量使得周边结构因受到巨大的压力而出现较大变形从而出现破坏，工程中应用这一原理实现破岩，不断按工程设计推进开挖断面，移除指定部位的岩体，从而形成地下空间，实现工程目标。

目前，由于爆破振动本身的复杂性、瞬时性及爆破介质的多变性，致使爆破振动的随机性很大。目前，爆破理论还不是很成熟，不过还是有一定的成果。在岩体爆破作用原理方面，卢文波等[2]通过分析计算炮孔周边的径向裂纹尖端处的应力强度因子，认为由爆生气体驱动的裂纹扩展可分为2个阶段，即稳定扩展阶段和非稳定间断扩展阶段。Song等[3]以牛顿第二定律为理论基础，研究了模型岩石在爆炸作用下出现断裂的过程。林大超等[4]以空气介质爆炸为研究对象，探讨了爆炸波超压函数的问题，通过一系列的修正后，提出了改进的计算公式。在爆破地震传播规律方面，Savage[5]指出，岩体热弹性效应也能使应力波产生衰减，并且衰减量可以测量得到。White等[6]认为孔隙岩层的固体骨架与孔隙空间内粘滞流体之间相对运动必然引起应力波的衰减，流体运动时损耗衰减更大。逄焕东等[7]根据工程应用的实际需求，借助解析和数值计算相结合的方法，利用计算结果划分了不同的分区，并且求得了一般情况下不同区域的爆破地震波幅值的变化规律。王观石等[8]采用弹簧模型描述非充填型结构面，运用弹簧模型讨论爆破地震波在结构面的传播特性。

1 隧道爆破施工概况

小北山一号隧道分左右线布置，左线隧道里程ZK14+390-ZK17+390，长3 000 m，进口设计标高60.876 m，出口设计标高约40.630 m，最大埋深约280 m；右线隧道里程K14+380—K17+388，长3 008 m，进口设计标高约为60.816 m，出口设计标高约40.618 m，最大埋深270 m。

根据隧道地形条件、工程及水文地质情况、隧道埋深，以及所采用的支护措施，确定隧道的施工方案。IV级围岩采用台阶法开挖，拱部弧形导坑采用微震光面爆破，下部台阶采用一次性爆破施工。

1.1 炸药及雷管

选用低爆速的炸药，采用直径25 mm和直径32 mm 2种乳化炸药药卷。为了更好地实现微差爆破采用非电毫秒雷管。

1.2 非电微差起爆网络

爆破振动与最大段药量有极其密切的关系，采用非电微差起爆技术，可以有效控制单段雷管的起爆药量，又能有效地控制每段雷管的起爆时间，使爆破振动波形不形成叠加，既能保证岩石破碎达到理想的效果，又能消除爆破振动的有害效应。

1) 孔深进尺设计。上台阶采用1.5 m进尺，钻孔深度1.7 m。

2) 掏槽眼形式设计。上台阶采用三角形三中空眼直眼掏槽，见图1所示。

图1 掏槽眼布置示意图(单位：cm)

1.3 装药结构

掏槽眼采用直径32 mm标准药卷连续装药，掘进眼和周边眼采用间隔装药结构，为更好地达到光爆效果，周边眼药卷采用直径25 mm小直径药卷。

上台阶开挖爆破参数见表1。

表1 上台阶开挖爆破参数表

2 爆破振动理论

2.1 爆破振动特点

开挖爆破施工时，炸药的一部分能量将转换为地震波，从爆源以波的形式向外传播，经过介质而到达地表，引起地表的振动，振动的强度随着爆心距的增加而减弱。当质点振动达到一定的强度时，会引起地表和建筑物、构筑物不同程度的损伤或破坏。

爆破振动与天然地震相比，具有如下特点。

1) 爆破振动峰值非常高，衰减快。一般天然地震在7度地震条件下为0.1～0.15g，8度地震也只有0.2～0.3g，而爆破振动远大于此。目前世界上记录到的天然地震加速度最大值仅为数g，而在大爆破的近区测得的加速度高达25.3g。但是爆破振动衰减很快，破坏区范围小。

2) 爆破振动频率高。天然地震振动的主频大多为2～10 Hz，很少超过20 Hz，而爆破振动远高于此。爆破振动的主频大多在10～50 Hz，甚至高达100 Hz以上。

3) 爆破振动持续时间短。爆破振动的主振段持续时间一般不超过0.5 s，短者小于0.1 s，而一般天然地震持续时间在10 s以上或更长。

2.2 爆破振动强度预测与分析

开挖爆破时，决定爆破振动强度的因素很多，但主要是药量和爆心距。用于测算爆破振动强度的公式很多，差异也很大，但目前我国大多采用M·A·萨道夫斯基地震动最大速度经验公式预测爆破振动强度，即

式中：V为质点最大速度，cm/s；Q为齐爆药量，kg；R为爆心距，m；K，α为与岩石特性、场地等有关的系数。

为了解不同振速控制标准情况下的安全距离与最大允许齐爆药量，根据M·A·萨道夫斯基公式与经验参数进行测算，该隧道工程区花岗岩质地坚硬，根据工程经验，选用K=250，α=1.8，预测结果见表2、表3。

表2 不同振速控制标准的齐爆药量与安全距离关系预测表

注：①因影响质点振动速度的因素较多，经验估算值仅供参考，不作为爆破参数设计依据；②齐发爆破为总药量，微差爆破为段最大药量；③未考虑减振措施及地形等影响。

表3 不同振速控制标准的距离与允许最大起爆药量估算表

由表2、表3可见，在临近水库下方的隧道工程爆破作业时，对爆破药量的控制是非常严格的，特别在靠近初支结构、二衬现浇混凝土及隧道上方的水库大坝坝体时，爆破作业时应更加注意爆破振动影响。

3 水库坝体爆破振动监测分析

3.1 水库坝体爆破振动监测点布置

在隧道开挖断面到达水库下方时，在水库坝体布置2个振动监测点，监测点位于水库坝体靠近隧道爆破爆源区的部位，见图2。

图2 爆破振动监测点布置图

3.2 水库爆破振动监测结果分析

水库爆破振动监测采用国产TC-4850爆破测振仪。每台TC-4850爆破测振仪有3个通道，可以配置1个三矢量速度传感器，三矢量速度传感器的3个通道分别对应为：X向为隧道轴向，Y向为垂直竖向，Z为水平切向。可同时记录3个测点的单向爆破振动或1个测点的三分量振动。当用于测量竖向振动速度时，可连接3个竖向速度传感器；当用于测量三矢量振动速度时，可连接1个三分量速度传感器或1个三分量加速度传感器。

该仪器自带液晶显示屏，现场直接设置各种采集参数，能即时显示波形、峰值和频率。具有16位A/D分辨率，采用自适应量程。通过USB接口与PC计算机进行数据通讯，运用专用软件进行处理分析及成果输出等。

通过整理TC-4850爆破测振仪采集的监测数据，得到水库坝体爆破振动监测结果如表4所示，水库坝体2监测点的爆破振动监测波形见图3。

图3 爆破振动波形图

测点爆破振动速度/(cm·s-1)水平径向X水平切向Y垂直向Z爆破振动控制预警标准/(cm·s-1)爆破药量/kg满足规范要求与否1号0．380．250．362．520√2号0．260．170．522．520√

由表4及图3所示的爆破振动监测结果可以看出：大坝坝体两测点监测的爆破振动速度均小于爆破振动控制预警标准2.5 cm/s，表明隧道洞内掌子面爆破未对水库大坝坝体造成不利影响，该段隧道可按既定的钻爆设计进行爆破开挖施工。

4 隧道洞内爆破振动测试试验

4.1 爆破振动测点布置

选取小北山一号隧道IV级围岩段开挖爆破振动进行测试。测试采用上述TC-4850爆破测震仪，仪器触发临界值为0.10 cm/s，使用三矢量速度传感器对X，Y，Z3个方向的振动速度时程曲线进行记录。

考虑监测的安全性和方便性，选择隧道上台阶拱腰位置进行测试。

传感器与测点表面应紧密连接，用熟石膏将传感器粘结在地表或侧壁，以便形成整体振动，保证测试结果正确。在传感器安装时，清除表面松散物体，测量表面平整度。

4.2 爆破振动测试结果及分析

图4为爆破装药量为79.2 kg时距离爆源10 m处的测试结果，使用VBA软件进行三矢量速度合成结果图。

图4 距离爆源10 m

由图4所示爆破振动波形和三矢量速度合成结果可见。

1)X，Y，Z3个方向的峰值振速并不出现在同一时刻。X，Y方向大致在0.71 s产生振速峰值，Z方向在0.18 s产生振速峰值。从波形图反映可以发现，在此距离内Y方向也即垂直竖向振速占据绝对优势，X方向振速最小。这可能是因为监测点所在的拱腰位置横向约束较弱，有较好的振动空间，这就造成了相较隧道轴向和隧道竖向振动速度较大的现象。

2) 合速度振速峰值与Y方向振速峰值大致相同，且出现在0.71 s。合速度振速峰值为5.84 cm/s，符合规范安全要求。

3) 第三段波形和第四段波形之间间隔了较长时间，可能是由于现场爆破时所用雷管采用了跳段处理或引爆时有所延时。

图5为爆破装药量为79.2 kg时距离爆源25 m处的监测结果，使用VBA软件进行三矢量速度合成结果图。

图5 距离爆源25 m

由图5所示爆破振动波形和三矢量速度合成结果可见：

1)X，Y，Z3个方向的振速时程曲线开始时间和结束时间大致相同，不同的波段对应着爆破时不同的段位。

2)X，Y，Z3个方向的峰值振速并不产生在同一时刻。X方向大致在0.47 s产生振速峰值，Y，Z方向在0.45 s产生振速峰值。

3) 合速度振速峰值比X，Y，Z3个方向的振速峰值都要大，为2.92 cm/s，且出现在0.45 s，与Y，Z方向大体一致，符合规范中的振速要求。

综合分析监测结果，X，Y，Z3个方向的振速峰值并不出现在同一时刻，这一方面是地震波的不同类型波传播速度不同造成的；另一方面是同一段地震波在不同距离内对水平、纵向和垂直方向的岩石所造成的振动效应影响是不同的。

三矢量合速度一般比X，Y，Z3个方向的振速峰值最大值要大，同时出现的时间也会有所差异，考虑振速安全范围时不仅需要判别3个方向的分速度，也要对合速度进行考察。

5 结论

1) 大坝坝体2个测点监测的爆破振动速度均小于爆破振动控制预警标准2.5 cm/s，表明隧道洞内掌子面爆破未对水库大坝坝体造成不利影响。

2) 根据隧道洞内振动测试结果发现，现场拱腰位置水平切向振速较大。

3) 三向振速峰值点产生时间有所差异，反映出了不同类型波的传播速度有所不同。

4) 在10 m处产生的合速度振速峰值为5.84 cm/s，符合规范安全要求。

[1] 李小青.隧道工程技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[2] 卢文波,陶振宁.爆生气体驱动的裂纹扩展速度研究[J].爆炸与冲击,1994(3):264-268.

[3] SONG J, KIM K. Micromechanical modeling of the dynamic fracture process during rock blasting[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts,1996,33(4):387-394.

[4] 林大超,白春华,张奇.空气中爆炸时爆炸波的超压函数[J].爆炸与冲击,2001,21(1):41-46.

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[6] WHITE J E, WALSH D J. Proposed attenuation-dispersion pair for seismic waves[J]. Society of Exploration Geophysicists,2012,35(6):456.

[7] 逄焕东,陈士海.弹性介质中爆破地震波传播的分区变化规律研究[J].振动与冲击,2009,28(3):105-107.

[8] 王观石,胡世丽,李贵荣，等.爆破地震波在结构面的传播特性与结构面倾角判断[J].岩石力学与工程学报,2010,29(9):1790-1798.