道路下浅埋隧道爆破施工振动影响的试验研究*

2018-08-06邓祥辉张永杰

中国安全生产科学技术 2018年7期

邓祥辉,杨俊,王睿,张永杰

(1.西安工业大学建筑工程学院，陕西西安 710021；2.云南省建筑科学研究院，云南昆明 650223；3.云南省岩土工程技术研究中心，云南昆明 650223)

0 引言

目前，随着交通工程的快速发展，地下空间利用得到了空前的发展，新建高速公路邻近既有建筑物、上下交叉隧道、新建隧道下穿既有道路等工程大量涌现。由于受地形条件、环境条件以及工程地质条件的制约，新建隧道往往不得不下穿既有道路。当下穿段围岩埋深浅，围岩质量较差时，隧道爆破施工极易引起上部道路发生不均匀沉降、路面开裂，甚至道路失稳坍塌等工程问题[1-2]。因此，在分析爆炸应力波传播与衰减规律的基础上，推导多孔爆破质点峰值振速理论计算公式，预测关键点爆破振动速度，对选择合理的施工工法和爆破方案，保证新建隧道和既有道路安全就显得尤为重要。

1 爆破质点峰值振速理论分析

1.1 质点峰值振速计算中存在的问题

爆破施工中，判断爆破振动对既有建(构)筑物的影响，主要采用爆破振动速度作为判断依据[3]。目前，确定爆破振动速度的方法主要有数值模拟和理论分析2种方法[4-5]。通过数值模拟，可计算爆破过程中临近建筑物的受力、位移以及关键点峰值振速，以此来判断爆破振动产生的影响[6]。姚勇等[7]以都汶高速董家山隧道为例，采用数值模拟的方法计算了隧道施工的爆破振速，并分析了其对先建隧道的影响和主要影响部位；李君君等[8]以五山连拱隧道为工程背景，模拟了隧道施工对临近建筑物基础的影响，并分析了爆破振速的分布规律；李秀地等[9]采用模拟分析了新建隧道爆破对临近运营隧道的影响，通过对比数值模拟与现场测试的结果，提出临近运营线新建隧道爆破药量的控制标准。

采用理论方法预测质点爆破振速是非常重要的问题。在理论分析方法基础上，结合Sadovsk公式及其他经验公式予以预测，并将其用于爆破试验，以拟合地形地质相关系数和爆破震动衰减指数，进而获得较为切合实际情况的PPV计算公式，并对下一次的峰值振速进行预测或对最大单响药量予以反算。陈庆等[10]根据万松岭隧道的实际施工情况，结合现场爆破振动监测结果，建立了预测质点峰值振速的模型；于建新等[11]以新建走马岗隧道上穿东深供水走马岗引水隧洞工程为背景，开展上下交叉隧道爆破振动控制技术研究，在实际爆破振动监测的基础上，得到了符合走马岗隧道爆破施工方案的爆破振动速度分布规律；吴亮等[12]分析了隧道施工中爆源附近围岩关键块体的稳定性，并推导了围岩关键块体安全振速的计算表达式。综上所述，目前国内外学者对质点峰值振速的计算取得了一些成果。其中，卢文波等[13]提出考虑多孔起爆时质点峰值振速的公式：

(1)

式中：ρ0为岩石密度，kg/m3；rb为炮孔半径，m；p0为炮孔壁的峰值压力，MPa；R为爆心距，m；k为与地形地质相关的系数，α为爆破振动衰减指数，k和α通过现场测试予以确认；k′为多孔同段位下起爆的修正因子，与同一段位的爆破孔数、计算点的位置、炮孔的连线等有关；v0为炮孔壁上即rb=R时质点峰值振速，m/s；C0为岩石纵波波速，m/s。

式(1)能够反映炸药的类别，装药的结构，炮孔直径、岩石的力学参数等对质点峰值振速的影响。但也存在如下问题：1)隧道爆破掘进中，常常采用多炮孔多段位雷管起爆，此时采用单炮孔半径作为rb进行计算并不合理，应该按照多炮孔多段位起爆的半径进行取值；2)实际爆破中装药不耦合系数存在差异，而且常使用多段延时雷管，导致炮孔壁上峰值压力不同，导致难以确定p0；3)根据目前的研究情况，虽然有学者提出当炮孔半径小于400倍的爆心距时，多孔影响系数可通过炮孔数目近似取值[14]，但这种提法既没有理论依据，也未通过实测加以证实。因此，修正系数k′在实际计算时很难确定。

1.2 质点峰值振速修正公式

针对多孔多段爆破中的rb，p0和k′较难确定的问题，将已有成果和现场开挖数据相结合来确定。具体思路如下：

1)确定多炮孔等效半径re的方法

实际施工中，采用多孔多段延时爆破。如果用公式(1)中rb计算质点峰值振速则与实际明显不符。因此，本文采用等效炮孔半径re代替rb。根据隧道施工经验，爆破时周边眼虽然孔数较多，但装药量一般为辅助眼的1/3～1/2，且为不耦合不连续装药，振动产生的影响明显小于辅助眼爆破。而辅助眼在爆破时，因其位置较为分散，且相较于掏槽眼爆破朝向临空面，所以，即使辅助眼装药量较多，辅助眼爆破振动影响仍小于掏槽眼，因此，掏槽眼处的爆破振动最大。

另外，由本工程爆破方案可知，掏槽眼斜插角度仅为70°～75°，因此，可忽略角度影响。根据爆破振动对周边岩体损伤程度的划分，可将其分为粉碎区、破碎区和弹性振动区。将多炮孔爆破等效为单炮孔爆破，并将等效爆破荷载施加到等效弹性边界上。忽略多炮孔爆破的相互作用，则掏槽眼起爆时等效弹性边界可近似认为是各孔破碎区的包络线[15]。炮孔等效半径re如图1所示。

图1 掏槽眼等效弹性边界Fig.1 Equivalent elastic boundary of cut holes

2)确定等效峰值压力pe的方法

在计算中，炮孔壁峰值压力来自多炮孔爆破。因此，pe可近似为单孔爆破峰值压力与η的乘积。单个炮孔爆炸应力波传播是以指数的形式衰减，此时等效掏槽眼孔壁上受到等效峰值压力pe可按下式计算[15]：

(2)

式中：η为多孔起爆时荷载影响系数，与掏槽眼的个数和炮孔布置有关；p0为单孔爆破炮孔壁峰值压力，MPa；pe为多炮孔爆破炮孔壁上等效峰值压力，MPa；μ为动泊松比；r1和r2分别为粉碎区和破碎区半径，m。柱状常规炸药爆炸时，r1为装药半径的3～5倍，r2为装药半径的10～15倍。

隧道爆破开挖时常采用不耦合装药，根据Chapman-Jouguet理论，在不耦合装药条件下，单炮孔的炮孔壁峰值压力p0计算公式为：

(3)

式中：ρe为炸药密度,g/mm3；dc为装药直径，m；D为炸药爆轰速度，m/s；db为炮孔直径，m；γ为等熵指数，一般取3.0。

多孔起爆时，荷载影响系数η为[16]：

(4)

式中：re为掏槽眼等效弹性边界半径，m；n为掏槽眼个数。

3)确定修正系数k′的方法

根据等效原理，把多个炮孔爆破形成的整个非弹性区等效为单个爆源。这样，k′近似为1.0。根据上面的分析，多孔多段爆破的质点峰值振速公式可修正为：

(5)

公式(5)最大的特点在于考虑了隧道实际施工中炮孔分区、分段起爆的情况，并且公式中各参数具有明显的物理意义。

2 工程概况

宝鸡到汉中高速公路关林子隧道为双向6车道，左线隧道长420 m，右线隧道长509 m，属短隧道；隧道开挖断面较大，共计158.8 m2，且新建隧道下穿G316道路出口段，国道一侧为山体，另一侧为褒河。下穿段为全-强风化片麻岩，岩体节理裂隙发育。

2.1 新建隧道与既有G316道路的位置关系

关林子隧道出口段位于褒河右岸谷坡坡脚，左、右线出口相距34 m。316国道分别与左、右线隧道呈40°和45°斜交，其中与左线斜交桩号ZK159+733处埋深仅为6.07 m，与有限斜交桩号YK159+801处埋深仅为4.05 m。新建隧道出口段与既有道路关系如图2所示。

图2 新建隧道与既有道路相对关系Fig.2 Relationship between new tunnel and existing road

从上述分析可见，本工程地形、地质条件复杂，车流量较大，在正常施工条件下，保证新建隧道和316国道安全的难度极大。

2.2 新建隧道施工工法与支护参数

新建隧道下穿316国道段为强风化片麻岩，属于Ⅴ级围岩。隧道超前采用双层Φ159×0.01 m管棚支护。支护参数为：钢架为I22b型，间距0.5 m/榀；喷射0.28 m厚C25混凝土；设置Φ22砂浆锚杆，长4.0 m，间距1 m×1 m；拱墙挂设双层Φ8钢筋网，钢筋网间距为0.2 m×0.2 m。隧道洞口段采用CRD法施工。

3 现场测试与分析

3.1 爆破方案

关林子隧道下穿316国道段采用CRD法施工，进尺为1.0 m。新建隧道采用光面爆破开挖。掏槽眼为楔形掏槽结构，共计4个，每孔深1.2 m；周边眼每孔深1.0 m，以间距0.5 m排列。左上部分和右上部分分别为37和24个；左上部分和右上部分装药量分别为27.8 kg和26.4 kg；延时雷管共采用7个段位。具体爆破方案如图3所示，图中数字为雷管段位编号。

图3 隧道爆破方案Fig.3 Design of tunnel blasting scheme

3.2 爆破振动测试方案

由于新建隧道左线和右线距离316国道垂直距离仅6.07和4.05 m，隧道爆破施工严重威胁上部316国道的安全。为测试最大爆破振速，测试断面应布置在隧道施工正上方，以隧道拱顶对应的路面点为基准点，在其左右两侧布置监测点。

3.3 爆破振动监测仪器参数设置

爆破振动效果观测系统由TC-4850爆破振动记录仪、TCS-B3型三向振动速度型传感器、低噪声屏蔽电缆和计算机组成。在正常爆破施工条件下，通过试爆可得爆破最大振速为60 mm/s。为防止附近振动干扰信号使仪器失误触发，将触发电平值设为3 mm/s。爆破振动周期设为2 s，延时设为-100 ms。

在开始施工前，应先确认隧道拱顶与路面基点相对应的位置，在两侧每5 m布设1个测点，本次测试1个断面布设5个测点，测试中将传感器固定在测点上。传感器测得的数据方向设置情况如下：X轴平行于隧道掌子面，Y轴平行于隧道轴线，竖直方向为Z轴。现场布设仪器如图4所示。

图4 监测仪器布置Fig.4 Monitoring instrument layout

3.4 现场测试结果分析

未验证爆破方案的可行性，选择ZK159+725断面和ZK159+735断面进行实验。由于采用分段延时起爆，在测试前对爆破振动仪进行参数设置，可以保证每1个段位爆破产生的地震波形不发生相互叠加，试爆监测结果如表1和表2所示。

表1 ZK+725断面关键点振速及相关参数Table 1 Key point vibration velocity and related parameters of ZK+725 section

表2 ZK+735断面关键点振速及相关参数Table 2 Key point vibration velocity and related parameters of ZK+735 section

从表1和表2可见，2个断面的质点峰值振速均出现在掏槽眼爆破时。其中，ZK+725断面处爆破最大振速为5.8 mm/s，出现在左上部位开挖的测点1处；最小振速为3.2 mm/s，出现在右上部位开挖的测点4处；而ZK+735断面处爆破最大振速为13.2 mm/s，出现在左上部位开挖的测点1处；最小振速为3.7 mm/s，出现在左上部位开挖的测点4处。从爆破振速数值看，测试结果均不大，而且基本上呈“中间大两端小”的分布规律，这与实际情况比较吻合。

3.5 修正公式的相关参数确定

根据爆破试验结果，对本文修正的公式(5)进行回归分析，以确定相关参数k和α。炸药密度ρe按照《爆破手册》选取为1.0×10-3g/mm3，爆速D为3 500 m/s；根据公路隧道设计规范Ⅴ级围岩岩石密度ρ0为2.0×10-3g/mm3，泊松比μ为0.35；炮孔直径db为0.042 m；装药直径dc为0.032 m；纵波波速根据相关规范[17]取2 000 m/s。采用统计分析软件进行回归分析，根据现场测试的20个测试点振动速度测试结果可以得到公式(5)的相关参数k和α。其中，与地形地质相关的系数k为31.78，爆破振动衰减指数α为2.256。因此，多孔质点爆破峰值振速拟合曲线为：

v=492.34×(0.816/R)2.256

(6)

根据测试结果，可得相关系数为0.816，说明拟合曲线能较准确反映路面关键点峰值振速分布情况。

3.6 对比分析

为验证修正公式的可靠性，对关林子隧道YK159+801断面爆破施工进行了爆破振速监测，测试结果如图5和表3所示。同时，采用公式(6)计算了YK159+801断面10个测点的最大爆破振速，具体结果如表3所示。

表3 ZK+801断面关键点爆破振动速度及相关参数Table 3 Key point vibration velocity and related parameters of ZK+801 section

图5 ZK+801断面关键点实测最大振速Fig.5 Measured maximum vibration speed of key points for ZK+801 section

从表3和图5可见，隧道左、右线爆破开挖最大爆破振速分别为23.5 mm/s和20.9 mm/s，发生部位分别为测点1处和测点2处。隧道左、右线爆破开挖最小爆破振速分别为5.6 mm/s和5.2 mm/s，发生部位分别为测点4处和测点3处。从振速最大值和最小值分布规律来看，与ZK159+725和ZK159+735断面测试结果类似。通过计算得到的理论值可知，测点爆破振速大体上也符合“中间大，两端小”的规律。从10个测点的测试值与理论计算值的误差看，最小相对误差为1.92%，最大为25.34%，平均相对误差为13.88%，说明本文提出的修正公式可以有效预测本工程的爆破振动速度。