钻爆法原位扩建隧道的振动监测分析

毛祚财

(福州市城乡建总集团有限公司，福州 350003)

随着国民经济的高速发展，为满足日益增长的市政交通需求，城市中采用钻爆法修建各类隧道或地下工程的实例已屡见不鲜。但城市环境中各类建(构)筑物、市政基础设施密布，采用实时振动监测、优化控制爆破等技术，减轻爆破振动对周边环境的影响，显得尤为重要。

许多学者基于现场实测数据，对爆破振动对各类建(构)筑物(尤其是临近交通隧道)的影响展开细致研究。管晓明等[1]对小净距下穿既有供水管线的公路隧道施工进行爆破振动监测，提出了复杂条件下隧道超小净距穿越供水管线的综合减振爆破技术。王栋等[2]采用现场实测和数值模拟相结合的方法，研究了地铁区间隧道钻爆施工对邻近燃气、电力等埋地管道的影响，建立了反映爆破地震波传播规律的萨道夫预测公式。曹杨等[3]通过对下穿老旧建筑物的地铁隧道钻爆法施工展开实时监测，从布置减振孔、装药结构、延时时间3个方面提出了爆破减振技术，确保了施工安全。曹峰等[4]通过对隧道分岔段的爆破振动监测，得到在连拱段隧道后行洞爆破中隔墙径向、切向和轴向振速的衰减规律，建立了估算三向振速的经验公式。赵春生[5]在掌子面后方100 m位置对上跨既有隧道的新建隧道进行爆破振动监测，运用萨道夫公式分析峰值振速，并推算其允许单段最大药量。蒋丽丽等[6]对大跨度小净距隧道扩建中的中间岩柱在爆破作用下的振动响应进行监测，发现不同部位振速的差异随围岩等级提高而逐渐减小，且拱腰及拱肩大于拱脚部位。Wu等[7]建立了3个约束条件的模拟方法，并进行了数学建模和现场实验研究，结果表明混合使用电子雷管和非电子雷管，可以有效降低爆破产生的振动。Ismail等[8]利用3种人工智能模型，通过输入现场测量和实验室获得的参数对神经网络模拟得到的空气超压进行评估，结果表其模拟结果具有相当的精度。

相较于新建隧道，原位扩建隧道因其节约建设用地、展线平顺等优势，在市政交通建设中渐受青睐。通常情况下，原位扩建隧道一侧施工时，其邻洞仍保持交通不中断，这对邻洞隧道衬砌的振动控制与监测预警提出了严格要求。本文依托福州市马尾隧道原位扩建工程，在其北洞原位扩挖过程中，对其南洞衬砌上的爆破振动效应进行实时监测，为其施工安全提供预警和保障；同时通过对监测数据的细致分析，探讨隧道原位扩建过程中爆破振动的传播特点，以期为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

既有马尾隧道位于福州市福马路东端，贯穿马限山，始建于1987年，为整体式衬砌结构；由两座单洞两车道机动车隧道组成，分离式布置，其南洞和北洞分别长968.6 m和936.4 m。

隧址位于闽东火山断坳带中段的福州断陷盆地东南侧边缘和北东向长乐-南澳深断裂之间，北东向长乐-南澳深断裂西北边缘的断裂变质带之中，出露的岩性为强动力变质的侏罗系南园组第二段，穿越地层以素填土、残积黏性土、全风化～微风化凝灰岩为主，未见大型断层和破碎带。

囿于当年建设的技术水平和长年的超负荷运营，隧道建成30年后已出现许多不同程度的病害，主要有拱顶实际衬砌厚度普遍不足、拱背存在不密实或脱空状态及出现衬砌渗漏水等。同时，市政交通的迅猛发展也迫切要求对该隧道进行改建升级。因此将其由双向4车道原位扩宽为双向8车道，扩宽前后隧道位置关系及两洞相对位置关系如图1所示(以NK18+200断面为例)。

图1 原位扩建隧道的相对位置关系(NK18+200断面)Fig.1 Relative position of in-situ expansion tunnel (NK18+200 section)

2 施工方案

马尾隧道原位扩建采用钻爆法施工，北洞先行开工，在此期间南洞改为双向两车道保持市政交通不中断。北洞钻爆法原位扩挖方案(以II级围岩NK18+100～NK18+300为例)的大致步骤为：①完成既有隧道回填及施工辅助措施；②拆除上台阶既有隧道衬砌；③爆破开挖上台阶围岩，施工上台阶初支；④挖除回填土并拆除下台阶既有隧道衬砌；⑤爆破开挖下台阶围岩，施工下台阶初支；⑥爆破开挖右拱脚部分，施工右拱脚部分初支；⑦全断面铺设防水层，施做二衬(见图2)。

注：①～⑥为施工步骤，数字1～15为雷管段别。图2 原位扩挖方案及炮孔布置(II级围岩)Fig.2 The excavation scheme and blasthole layout of in-situ expansion tunnel (ground classification of Grade II)

各段位之间设置延时起爆，使前排炮孔有足够时间为后排炮孔创造临空面。辅助孔间距约70～80 cm，周边孔间距约50 cm，各段位炮孔具体参数如表1所示(以标准进尺2 m为例)。需要说明的是，即使围岩条件相同情况下，南侧通行洞病害情况差异较大，病害严重区段对爆破振动的控制要求更为严格，反之则可相应加大进尺以缩短工期，实际爆破将根据工程条件，灵活调整进尺量，主要可分为3、2、1 m进尺，同时装药量及炮孔深度也相应地放大或缩小。

表1 炮孔布置参数(2 m进尺)

3 爆破振动监测

在北洞钻爆法施工期间，为保证南洞车辆通行安全，项目组对其衬砌和路面的振动效应展开跟踪监测，测点布置如图3所示。测试仪器采用泰测科技的Mini-BlastⅠ型爆破测振仪。其量程0.001～35 cm/s，采样频率1 000 Hz，具有自适应模式，监测到振动时仪器开始记录，振动停止则采集自动停止。

图3 爆破振动测点布置Fig.3 Layout of monitoring points for blasting vibration

爆破区域与测点的相对位置关系如图4所示，在爆破掌子面同一里程断面上，分别布设迎爆侧衬砌拱脚、路面中央及背爆侧拱脚等3个测点。为直观描述爆破点与测点的位置关系，将测点与爆破区域几何中心(图中A点和B点)的距离定义为爆心距R。以A-1测线为例，其爆心距RA-1=31.06 m，该测线跨越一个空洞，其空洞长度6.39 m；B-3测线的爆心距RB-3=42.48 m，该测线跨越两个空洞，其空洞长度17.75 m。

图4 爆破区域与测点的相对位置关系Fig.4 Relative position between blasting area and monitoring point

4 爆破振动监测结果及分析

4.1 监测压力时程曲线

以里程NK18+104处上台阶爆破为例，其测点1和测点2的振速时程曲线如图5和图6所示。x方向与z方向上的振速较大，y方向上振速较小，即爆破施工对邻洞衬砌的振动效应主要体现在水平向和垂直向上。另外，振速时程曲线呈现出多峰值形态，各峰值出现时间与爆破方案中的炮孔段位基本吻合，但峰值振速普遍出现在前段(MS1或MS3段)而不是最大药量段(MS11段)。

图5 NK18+104断面1号测点振速时程Fig.5 Velocity time history of No.1 monitoring point in NK18+104 section

图6 NK18+104断面3号测点振速时程Fig.6 Velocity time history of No.3 monitoring point in NK18+104 section

由于路面中央2号测点的实测振速远小于1号、3号测点，故本文主要针对1号、3号测点数据展开详细分析。在实测的136条振速时程曲线中拾取其峰值振速(见表2)。

表2 峰值爆破振速

根据福州市相关部门确定的安全标准，南洞(通行洞)衬砌上的爆破振动速度限值为5 cm/s，此次Ⅱ级围岩段的监测峰值振速全部符合安全标准[9]。

4.2 振速峰值的经验公式拟合

由于围岩具有较大的变异性，即使相同条件下(最大单段药量、爆心距、围岩等级)，各里程断面上所测的峰值振速仍有较大差异。为综合描述Ⅱ级围岩的爆破振动传播特征，对相同最大单段药量、相同爆心距的峰值振速取其均值，归纳为12种工况(见表3)。

表3 爆破振速平均值

《爆破安全规程》[9]中推荐以萨道夫斯基公式为基础，对最大爆破振速进行经验公式拟合，其基本形式如式(1)所示。

(1)

式中：K和α为地形地质相关系数和衰减指数，它们与围岩地质条件有关，一般通过现场爆破振速测试数据拟合得到。

使用origin软件对单空洞测线的监测数据(工况1～6)进行拟合，得到其K=108.1，α=1.476(见式2)。对双空洞测线的监测数据(工况7～12)进行拟合，得到其K=177.2，α=1.836(见式3)。

(2)

(3)

采用决定系数R2(Coefficient of Determination)来评价拟合公式的优度。

(4)

式中：TSS为总均差平方和，由回归平方和SSreg(取决于回归模型)与残差平方和RSS两部分组成(见式5)。SSreg与TSS的比值(即决定系数R2)可以作为拟合优度的一种度量，该值越接近1，说明拟合优度越好。式2和式3中，单空洞和双空洞测线拟合的决定系数分别为0.871和0.782，其拟合优度较好。

(5)

4.3 拟合结果讨论

Ⅱ级围岩属坚硬围岩，依《爆破安全规程》[9]，在振动连续传播时，地形地质相关系数K的经验取值约为50～150，衰减指数α的经验取值约为1.3～1.5。但在既有空洞阻断爆轰波连续传播的条件下，从上述监测数据的拟合结果来看，单空洞情况下，K值仍位于坚硬围岩的推荐范围内，但α已接近中硬围岩区间。双空洞情况下，K值已落入中硬围岩的推荐取值范围(150～250)，而α更是落入软岩的推荐取值范围(1.8～2.0)。上述结果印证了既有空洞对临近结构物具有较好的减振作用，并且当经过空洞数量增多时，爆破振动的传播衰减进一步加剧。

与同位于福州市区的金鸡山隧道原位扩建工程相比较[10]，其Ⅳ级围岩段的萨道夫拟合参数为K=106.8，α=1.594。但金鸡山隧道的既有空洞位于测线相反侧，并不阻挡爆破振动波的连续传播，其振动衰减效应远不如马尾隧道；其Ⅳ级围岩段拟合所得衰减指数仅略大于马尾隧道单空洞情况，而远小于双空洞情况。因此，既有空洞是否阻断振动波的连续传播对其衰减程度有很大影响，本文拟合所得公式可应用于存在阻断连续传播空洞条件下的爆破振速估算。

同时，由监测振速峰值数据可知，经过既有空洞衰减后，振速峰值最大值仅为3.1 cm/s，距5 cm/s的安全限值还有较大余量，施工中的灵活进尺仍稍显保守。建议后续南洞扩挖及类似扩建工程，可以充分发挥既有空洞的减振效应，适当加大进尺、缩短工期、提高施工效率。

5 结论

1)既有空洞是否阻断振动波的连续传播对其衰减程度有很大影响，且随空洞数量增多其衰减程度更为显著，这有利于减轻临近结构物的爆破振动效应。

2)Ⅱ级围岩段，单空洞情况下其衰减指数α为1.476，接近硬岩的上限，而双空洞情况下其衰减指数α达到1.836，已落入软岩的推荐取值范围。本文拟合所得公式可应用于阻断连续传播空洞条件下的爆破振速估算。