大帽山隧道爆破振动监测与分析

温章寿

（宁德沈海复线双福高速公路有限责任公司，宁德 352100）

1 引言

近年来，随着国民经济的发展，高速公路的通车里程逐年递增， 不但由经济发达的东部平原丘陵区逐渐延伸到了西部崇山峻岭区， 而且越来越多的高速公路由于交通流量趋于饱和而被扩建， 如沈大高速公路、 京沪高速（江苏段）、泉厦高速公路等，因此公路隧道的改建、扩建如火如荼的进行，且多呈现出大断面、小净距、隧道群、边施工边通车的特点[1]。小净距隧道作为特殊地形条件下解决高等级公路布线很有效的一种结构形式， 越来越得到广泛的应用[2]。

小净距隧道的爆破施工产生的地震动极大地威胁临近隧道结构的安全， 极易造成临近隧道围岩和支护结构的损伤，甚至有可能使之破坏或坍塌，如日本的荻律公路隧道、磁浮试验线上初狩隧道以及意大利的LO-cooCdin公路隧道，国内西康线响水沟隧道、湘黔铁路增建Ⅱ线坪口隧道、流潭隧道等，都因隧道间距小，爆破振动引起临近隧道衬砌开裂、剥落等灾害发生。因此在小净距隧道的施工过程中，除了严格控制爆破外，还要对临近隧道的振动响应进行现场监测，以控制、优化爆破施工，来减少或避免爆破施工对临近隧道的损害[3-4]。

本文以大帽山隧道的工程实践为例， 研究小净距隧道在近爆源作用下的振动响应规律， 为类似的工程实践提供借鉴，为今后深入的理论研究提供参考。

2 大帽山隧道概况

大帽山小净距隧道群位于泉厦高速公路的厦门段，距厦门市区约8 km。 原有大帽山隧道分为左、右两洞，为双洞分离式隧道，两隧道行车道中线间距为50 m。 大帽山小净距隧道群即扩建后的隧道， 扩建方案为在原两洞之间新建一四车道隧道， 并将现有两车道的右洞扩建为四车道隧道，这样就形成了大断面小净距的隧道群，从左至右有：原有左洞(施工期间维持通车)，新建四车道隧道(先行施工，建成通车后代替原有右洞)，扩建四车道隧道(后施工)。 隧道设计断面图如图1 所示。

图1 大帽山小净距隧道群设计断面图(单位：m)

大帽山小净距隧道群为直洞， 隧道起止里程为ZK459+ 600～ZK460+120， 全长600 m， 最大开挖宽度为22 m，高度为13.1 m，左、右净距分别为5.89，8.83 m；大帽山隧道区属构造剥蚀微丘地貌， 地处大帽山体与石掘山体鞍部，山包呈浑圆状，中部最大埋深147 m，洞口段浅埋； 隧道穿越的地层为强-弱风化的花岗岩和凝灰熔岩，隧道围岩从洞口向里依次为V，IV，III 和II 级；场区地质构造条件相对稳定， 除洞口段外， 节理裂隙均不发育，岩体较完整，裂隙块状结构，洞口V 级围岩段节理裂隙较发育，岩体强-微风化；隧道场区地下水不发育，主要为孔隙裂隙水和基岩裂隙水，富水性及导水性弱，主要接受大气降水补给，向沟谷排泄，流量随季节变化较大[5]。

新建四车道隧道采用新奥法设计和施工， 钻爆开挖采用光面爆破技术， 以减少爆破振动对中夹岩的损伤和原有隧道支护结构的动态响应，浅埋、地质条件差的洞口V 级围岩段采用双侧壁导坑法开挖。 开挖步序是I，II 导洞交错开挖若干米后，III，IV 导洞再跟进，V，VI 导洞最后开挖，开挖步序如图2 所示。

图2 Ⅴ级围岩段开挖步序图及钻爆图

其中第Ⅰ步爆破开挖的爆破参数如表1 所示：

表1 第Ⅰ步爆破开挖参数表

3 爆破震动现场监测

3.1 监测方案

Chen S G[6]、Yang R[7]、阳生 权[8]等人研究表明，迎爆侧中间岩柱振动速度是远离岩柱背爆侧振动速度的几倍甚至几十倍， 且最大振动速度出现在迎爆侧的边墙和拱部。因此，本工程的爆破振动监测点主要布设在迎爆侧中间岩柱的边墙。 每个测点布置径向、切向和垂直方向各3个传感器。 测点及传感器布置遵循以下原则：

（1）最大振动发生的位置和方向监测，测点间距为30m；

（2）爆破振动效应跟踪监测；

（3）爆破振动波衰减规律观测，测点间距为10m。

3.2 监测结果

由于爆破药量及炮眼数量与开挖面面积、 岩石强度、炮眼直径、掘进深度、炮眼装填系数、炸药品种等因素有关[9-10]。 在隧道爆破施工过程中，监测组对不同里程、不同药量等下的爆破振动进行了实时监测， 获得20 组60个有效监测数据，如表2 所示：

表2 爆破振动监测结果

以上监测结果表明，爆心距越小振动速度最大，越大振动速度越小，各测点振动速度在径向方向最大，切向方向及垂直方向均小于径向方向的速度。

4 监测结果初步分析

4.1 爆破振动典型波形

振动波形图3 表明， 第一段起爆的掏槽眼引起的爆破振动速度最大，大量振动监测数据同样说明这一点，所以作为单自由面的隧道光面爆破， 掏槽眼是振动控制的重点；相邻两段爆破振动波形彼此分离，表明延迟时间足够长，各段爆破引起的振动独立传播，振动并没有发生叠加而加强；爆后既有隧道并没有发生明显的变形，新建隧道的开挖轮廓较规整，超、欠挖现象并不明显，炮渣大小适中；表明爆破设计施工基本合理，刚好达到预期效果。

从振动波衰减规律可看出， 只要每段爆破时差在50ms 以上，振动波将不会出现重叠增大现象。

图3 典型爆破地震波时程曲线

4.2 数据回归分析

采用爆破地震波衰减常用公式———萨道夫斯基公式作为回归数学模型：

式中，V 为峰值质点速度（cm/s）；

Q 为最大单响炸药量（kg）；

R 为测点与爆源的距离（m）；

K、α 为与爆破场地、地质条件有关等条件有关的系数。

V=Kρα

将现场监测数据进行回归分析，求得K 和α 值。 由此获得隧道不同围岩中爆破地震波衰减规律。

切向振动速度萨道夫斯基回归数学模型为

V=48.91ρ1.36

其中R=0.82m；

径向振动速度萨道夫斯基回归数学模型为

V=94.15ρ1.45

其中R=0.80m；

垂直振动速度萨道夫斯基回归数学模型为

V=31.58ρ1.08

其中R=0.84m；

矢量合成的振动速度萨到夫斯基回归数学模型为：

V=107.01ρ1.36

其中R=0.92m。

图4 V—ρ 关系曲线

利用以上获得的隧道爆破施工地震波传播衰减规律，可以对下一次爆破产生的振动速度进行预测，实践表明，在大帽山隧道中取得非常好的效果。

5 结论

（1）监测结果表明，掌子面处的振动速度最大，在掌子面前各点随离掌子面距离的增加而递减， 且衰减速度比掌子面后各测点衰减速度快， 各测点振动速度在径向方向最大，切向方向及垂直方向均小于径向方向的速度。

（2）测点最大振动速度一般发生在掏槽爆破（第一个峰值） 时， 可见隧道爆破作为单自由面条件下的岩石爆破，其关键技术是掏槽，因而控制爆破振动应把重点放在掏槽孔上。

（3）宜严格控制爆破总药量和单段最大爆破药量，以减轻爆破振动强度， 且只要分段爆破段差应小于50sm，爆破振动波将不会出现叠加现象。

（4）实践表明，利用上述介绍的萨道夫斯基回归数学模型能够很好预测爆破振动速度， 且大帽山隧道爆破振动峰值速度不宜大于50cm/s。

（5） 相似条件下隧道爆破振动控制可以只监测与爆源断面相同的中夹岩墙上的径向振动， 从而简化爆破振动监测。