爆破振动自动化监测在地铁施工中的应用研究

杨东仁

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司青岛分公司，山东 青岛 266000）

1 引言

随着国内经济的持续高速发展，城市交通压力越来越繁重，为缓解地面交通压力，我国开拓地下空间，大力发展地铁建设项目。城市地铁隧道具有埋藏浅、地表建筑物密集的特点，采用钻爆法进行施工时，爆破振动会对邻近建筑物的结构安全及附近居民的正常生产生活造成负面影响[1]，尤其要考虑爆破施工对周边环境产生的振动影响[2-5]。

钻爆法是硬岩地区地铁隧道开挖的主要施工方法之一。青岛地铁穿越的地层大部分以硬岩地层为主，沿线地面大多是繁华的居民区和商业区，人口稠密，地面建筑物密集，加之地铁隧道埋深较小，在16～25 m，因而施工爆破所产生的冲击波超压、爆破噪声和地面振动等次生效应会对周围的建筑物、设施及人员造成不同程度和范围的影响，其中对城市环境影响最为显著的是爆破振动效应，尤其是地铁施工穿越密集建筑群和人群，对爆破的控制要求会很高，因此，需要一种智能的爆破振动监测手段和管理手段，随时掌控爆破动态，更为准确地实现振动的测量与分析[6]。

2 工程概况

青岛市地铁某线路为青岛市主城区东西向的骨干线，连接了市南区、市北区、崂山区，线路总体呈东西走向，从青岛城区的中部东西向连接老城区、东部新区以及崂山区沙子口镇，未来将成为青岛市民重要的地铁交通路线。

全线设多处暗挖车站、矿山法导洞。地铁车站长度通常在150～200 m，多设在强风化-中风化花岗岩中，底板坐落在中风化-微风化花岗岩中，稳定性较强。因围岩等级为Ⅱ～Ⅲ级，围岩等级好，开挖难度大，故采用钻爆法进行开挖施工。周边建筑物、管线等密集，错综复杂，且距离车站较近，爆破施工控制不当将对周边建（构）物产生巨大影响，造成建（构）物开裂、渗漏等情况。

青岛市地貌类型按成因主要为构造-剥蚀区、山麓斜坡堆积区及河流侵蚀堆积区，地下水类型主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水，第四系孔隙水又分为上层滞水、潜水和承压水。图1 为工程地质剖面图。

图1 青岛市地铁某线路工程地质剖面图

3 监测实施

3.1 测点布设

爆破施工影响50 m 范围内的所有建（构）筑物需进行爆破振动监测。

爆破振动测点应布置在所需监测的地表、建筑物结构支撑柱上、隧道侧壁上。安装传感器时必须安装稳固，避免质点的振动监测数据产生失真现象，一般采用玻璃胶进行固定。

爆破振动监测采用爆破振动自动化监测，监测点选取原则为“最近原则”“最弱原则”和“重点原则”。

3.2 监测方案

爆破振动自动化监测采用TC-6850 网络测振仪（见图2），仪器采用最先进的智能化传感器，自带WiFi/3G/4G 网络。

图2 TC-6850 型爆破测振仪

当爆破发生时，系统会自动记录爆破振动信号的动态波形，将其转换为数字信号存储，测试人员在远离震源现场处通过终端测控软件，即可将数据文件传回本地进行操作分析，并实时监控系统工作状态。

与爆破振动人工监测对比，自动化爆破振动监测的优势：

1）传感器和主机集成一体，体积小，便于携带，易安装；

2）内置WiFi/4G/3G 通信模块；连接网络，可以实现数据无线传输、远程监控管理，实时生成监测报告，方便随时查看；

3）供电方式采用太阳能供电或由就近位置接电口直接供电；

4）可以实现无人值守，减少人力物力的投入；

5）可以实现长期监测，减少经常拆卸给仪器带来的损伤。

爆破自动化硬件主要包括两大部分：仪器主体部分和仪器供电部分。

仪器主体：由TC-6850 型爆破测振仪，路由器（内置通信卡，提供4G 信号）组成；供电系统：由太阳能电板，蓄电池，控制器组成。爆破自动化数据采集、传输组成部分如图3 所示。

图3 爆破自动化数据采集、传输组成部分

4 监测数据分析

4.1 相同位置下的监测数据对比分析

为了验证传统爆破振动监测（TC-4850）与自动化爆破振动监测（TC-6850）数据的差异性，结合青岛地铁某线路在建项目，进行爆破监测数据的对比分析。

试验使用3 台仪器在3 个爆破工点车站D、车站E 及区间F 进行了同等条件自动化监测、施工方监测和第三方监测下的3 方数据对比试验。传感器分别为自动化监测的TC-6850（传感器A）和两台传统监测的TC-4850（传感器B1、B2）。3 台传感器均使用石膏粘接在爆破附近的地面上（见图4），可近似认为三者处在同一环境的同一位置。

图4 相同位置下爆破监测测试试验

根据现场监测，得出如表1 所示数据。如图5 所示，通过相同位置下的爆破监测数据对比分析发现，在相同位置条件下，两种监测手段的监测数据相差不大，最大相差0.11 cm/s，但传统爆破监测需要连接主机才能读取数据，自动化爆破监测实现了网络连接，当爆破发生后，数据同步到平台，直接生成数据和爆破振速波形图。

表1 相同位置下爆破监测测试试验数据对比cm/s

图5 相同位置下爆破监测数据对比分析图

4.2 不同位置下的监测数据对比分析

线路区间侧穿一栋小区住宅楼L，该处隧道埋深约25 m，距离住宅楼水平距离约42 m，隧道采用爆破开挖，考虑爆破对周边环境的影响，进行了传统爆破和自动化爆破监测，测点分别布设在一楼楼道内，传统爆破监测点使用石膏粘接在一层地面上，自动化爆破监测点固定在一层承重结构上。

选取该隧道开挖期间某个月内15 次的爆破数据，对两种爆破监测手段得到的数据进行对比分析，得到以下分析结果（见表2 和图6）。

图6 不同位置下爆破监测数据对比分析图

通过不同位置条件下的爆破监测数据对比分析发现，在不同位置条件下，监测数据存在较大的差异，最大相差0.48 cm/s，主要原因是自动化监测系统TC-6850 固定在建筑物沉重结构上，本身就比较稳固，且墙体受到周边振动环境的影响较小，能够较为准确地反映建筑物的振动速率；而固定在地面的TC-4850，受到周边环境振动的影响较大，且采用石膏固定在地面上，存在一定的人为因素，对建筑物的振动速率反应有一定的误差。在相同的监测环境下，传统爆破监测未触发率达到了46.67%，而自动化爆破监测均能正常触发。

5 结论

1）传统爆破需要投入人工和设备，成本较高；测点的反复拆装，受安装位置的限制，造成数据准确性低，而自动化爆破系统，避免了反复拆装，位置也可以随便选取，固定也更加牢固，数据的准确率高。

2）通过与传统爆破监测的对比，自动化监测系统更稳定，数据也更接近真实性，更加适应在地铁工程中应用。