隧道爆破振动控制关键技术与进展

易文龙

摘    要：隧道工程在我国的经济发展和交通运输行业中占据着十分重要的作用，而在隧道工程中，爆破是其中最为关键的施工环节之一。在进行对隧道的爆破施工过程中，总是难以避免的引起一些振动，而这些振动将会对整个隧道工程的施工安全的管理和整个隧道施工工程质量的控制有着十分重要的作用。本文对隧道爆破工程振动控制作出研究，并提出具体的技术控制措施。

关键词：隧道工程;爆破振动;研究进展

1  引言

随着我国公路交通事业飞速发展，隧道爆破施工是隧 道建设中十分重要的环节，由于直接关系到隧道能否顺利施工。在隧道附近常常会存在一些建筑物或者正在施工的隧道，爆破过程中炸药产生的冲击波经过岩层土体传播 至建筑物基础上，造成地基沉降和建筑物开裂破坏倒塌，引起不必要的人员伤亡和财产损失。研究隧道爆破振动控制技术，能够有效保证周围结构物的安全，同时可为隧 道爆破施工提供一定的参考价值。

2  研究现状

从目前国内外研究现状来看，隧道爆破振动控制技术主要基于现场爆破振动监测数据及相关工程经验，在隧道 爆破振动传播规律及对周边建筑物的破坏机理方面研究体系不够完善，缺乏一定的理论指导，爆破预期的控制精度并不高。例如文学分别分析了地表爆破振动速度及振动波传播规律和哪些因素有关，提出掏槽孔是降低振害的关键，并全面监控隧道爆破振动效应。袁绍国等总结了控制爆破需要从爆破体的破碎程度、破坏范围、坍塌方向和危害作用出发，并介绍了控制爆破的五种不同原理。Crandle 研究了爆破振动波的传播特性以及爆破振动的规律。

通过总结和分析当前的隧道爆破振动控制技术研究成果，本文认为目前隧道爆破振动控制主要不足的地方有以下几点：（1）隧道爆破振动衰减快慢与哪些爆破参数有关;（2）各种爆破控制技术怎么样组合才能达到最佳效果;（3）隧道爆破振动强度的预测。

3  爆破振动传播规律

研究隧道爆破振动规律是实现有效振动控制的重要前提。一般地，爆破振动与爆心距、高程差、地质条件等有一定的联系。许多研究人员对爆破振动频率衰减规律作了深入的探讨，研究发现，爆炸腔大小、爆心距以及波在岩体中传播速度决定了隧道爆破振动频率的衰减。爆破振动规律从能量分布特征的角度分析是一种有效的手段。隧道爆破振动能量分布与爆破孔中药量多少有关系，当最大段药量比较少时，爆破振动能量主要分布在中高频带附近，而且能量相对分布比较宽，当最大段药量逐渐增加时，爆破振动能量主要分布在中低频带附近，并且能量分布比较集中，在比较了各种拟合公式并讨论了爆破振动速度衰减公式的优选，经过各个公式的误差分析，提出应该解除萨式公式中一次起爆药量和爆心距的比例关系，采用优化后的指数模拟。提出了根据线性回归法和非线性回归法求解爆破振动速度衰减公式参数的非线性回归法，现场实测数据、线性回归法拟合的萨道夫斯基公式和非线性回归法拟合的萨道夫斯基公式的对比分析，由此可 知，振幅越大，非线性回归法得到的公式更加接近实测值。一般地，隧道远处的围岩振动规律不适用近处隧道爆破围岩振动，监测隧道爆破近区围岩和掌子面附近围岩的振动规律是隧道钻爆施工安全的重要保证。分别对爆破振动速度预测方法作了深入研究。由此可见，爆破振动速度在介质中具有一定的传播规律和可预测性。通过以上文献分析，隧道爆破振动速度的衰减与爆心距、爆腔大小、岩体纵波速度及品质因子等有关;分析爆破振动规律可以从能量和振动频率的关系入手，即振动频率与能量分布之间存在密切关系。

4  爆破振动控制方法研究

4.1  隧道爆破振动监测

隧道爆破振动监测是为了实时监测某位置处质点的振动响应，分析爆破地震波在介质中能量分布规律，防止和减小爆破振动对周边结构的破坏。陈庆等利用测试系 统中的拾振器1，2，3分别测量振动速度的水平径向分量Vr、水平切向分量Vτ和垂直分量Vz。于建新等采用TC- 4850爆破测振仪监测爆破振动速度，振动传感器应垂直于 隧道竖直方向，平行于隧道轴线方向且垂直于隧道墙壁。可见，对于小净距隧道爆破监测并研究中间岩柱墙的振动响应非常关键。

4.2  爆破合理的时差

在短进尺的隧道爆破中，振动速度峰值一般出现在掏糟爆破施工，对于低段位，各排炮孔之间应有合理的时差间隔。合理的毫秒延时间隔有利于降低爆破振动响应。薛里等采用波动理论分析了爆破振动波叠加减振的条件，并研究了毫秒延時爆破振动波形叠加干扰减振时间间隔时差计算方法。

4.3  炮孔布置形式

通过增加中心炮孔并优化掏槽方案、药量和起爆时差，最大程度地减少振动响应，为了减少掏槽挟制和振动作用，在楔形掏槽孔中心增加直眼浅炮孔。采用大直径中空直眼掏槽和减小单段最大起爆药量，合理布置炮孔间排距、优化爆破网路，对振动速度进行控制。

5  隧道爆破振动效应监测与分析

该隧道上导坑开挖断面为半圆形，面积达 66m2，单循环爆破进尺可在3.5m左右。根据目前国内常规施工机械装备条件，国内隧道爆破通常采用手风钻钻眼，掌子面设钻孔装药平台，炮眼直径为42mm，炮眼深度4.0m～5.0m，采用楔形掏槽和周边间隔不耦合装药光面爆破技术。在这一爆破方案中之所以将楔形掏槽区设置在上导坑的下部，主要原因是考虑尽量减小掏槽爆破对上部地面振动的影响。此外，由于“V”掏槽爆破技术较 为成熟，对钻孔定向精度要求不高，岩渣抛掷较远，在国内得到普遍应用。但楔形掏槽应尽量使成对的斜眼同时起爆才能获得较好的掏槽效果，而且楔形掏槽爆破夹制作用大，所以引起的爆破振动较大。

5.1  振动测试的目的

为了严格控制爆破振动，爆破时必须对影响范围内进行振动测试，一是研究爆破过程地震波的衰减规律，地质构造及地形对他的影响，地震波参数和爆破参数的关系;二是研究天然气管道，对于爆破振动的响应特征，这一响应特征与爆破方式、天然气管道特点的关系。掌握爆破振动参数，有利于对爆破参数科学地进行优化，指导爆破作业，实现爆破振动控制及控制爆破信息化施工，将爆破振动控制在允许范围内，确保天然气管道安全。

5.2  振动测试的内容

主要测试内容有：质点峰值振动速度和主振频率等。

5.3  测试仪器的选择

根据项目特征选用TC—4850爆破测振仪。

5.4  现场测点布置

根据爆区周围环境和监测要求，每次检测共布设6台传感器，每次布点不少于3个，布置规律为：从爆区作垂线与天然气管道正交，在交点处布置1台仪器，其余仪器沿天然气管道分别布置在交点两侧。

5.5  测试结果

自洞身开始掘进以来，每次爆破时均进行了振动测试，对进、出口端各级围岩初次爆破和参数优化后的各月测试结果最大值进行了对比分析，分析可知，进口端各级围岩初次爆破时，其振动速度均较高，但均小于1.7cm/s，在允许范围内。由于爆破区域距天然气管道相对较近，为减小影响，对爆破方案进行了优化;而隧道出口端由于整体施工进度较进口端慢，故爆破时，直接借鉴进口端优化后的结果，不需再行探索。

6  结束语

首先从实践出发，对隧道工程爆破振动控制技术进行研究。然后从隧道工程在爆破过程中所产生的振动及对一定区域内构造物的影响进行了分析。最后结合实际工程案例提出了相关控制技术，作了详细介绍，望能为相关行业提供借鉴。

参考文献：

[1] 杜小刚，亢丽竹，林从谋.下穿既有隧道爆破振动响应研究[J].爆破，2017.

[2] 管晓明，傅洪贤，王梦恕，郭彩霞，刘琨，刘同良.隧道爆破振动下砌体结构局部动力反应研究[J].现代隧道技术，2017.