隧道爆破振动监测与控制技术研究

2024-04-28何国栋

科技创新与应用 2024年12期

作者简介：何国栋（1972-），男，高级工程师。研究方向为土木工程桥隧。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.023

摘要：隧道爆破时，产生的爆破振动会对周围建（构）筑物造成危害。为充分保证既存建（构）筑物的安全，对隧道爆破引起爆破振动进行监测和分析显得尤为必要，而新建隧道临近既有隧道的爆破振动要求更高。该文依托吉心村2号隧道，通过理论分析和现场实测对临近既有隧道的新建隧道爆破振动安全控制进行探讨。提出通过采用合理的延期起爆时间、控制单响药量、采用数码电子雷管减振及选用适合的微差起爆延迟时间能达到良好的爆破降振效果，降幅达到47.74%。有效地降低对既有隧道和临近建筑物的危害，保证工程的施工质量。

關键词：隧道开挖；爆破振动；振动危害；安全控制；现场监测

中图分类号：U455.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）12-0104-05

Abstract： During tunnel blasting， the blasting vibration will cause harm to the surrounding structures. In order to fully ensure the safety of existing structures， it is particularly necessary to monitor and analyze the blasting vibration caused by tunnel blasting， and the blasting vibration requirements of the new tunnel near the existing tunnel are higher. Based on the No.2 tunnel of Jixin Village， this paper discusses the safety control of blasting vibration of the new tunnel adjacent to the existing tunnel through theoretical analysis and field measurement. It is proposed that a good blasting vibration reduction effect can be achieved by adopting reasonable delayed initiation time， controlling single charge quantity， using digital electronic detonator and selecting suitable millisecond initiation delay time， and the reduction rate is 47.74%. It effectively reduces the harm to the existing tunnel and adjacent buildings， and ensures the construction quality of the project.

Keywords： tunnel excavation; blasting vibration; vibration hazard; safety control; on-site monitoring

随着我国中西部交通运输建设的快速发展，公路隧道建设也进入一个新的发展高潮。隧道开挖有时会穿越城镇区，周边人口及建（构）筑物比较密集，这使得施工难度加大。爆破作为隧道开挖常用的掘进方式，它所产生的种种爆破影响中以爆破振动危害最为严重[1]。爆破时不可避免地会对周围岩体、山体及房建居民区造成各种程度的扰动。因此，为了减少爆破振动对隧道衬砌、周围建（构）筑物造成的损害，减少“扰民”及“民扰”事件的发生[2]，对爆破控制技术进行探讨来降低爆破振动的影响是十分有工程价值和现实意义的。

大量学者对爆破振动波的产生以及传播规律进行了充分研究。爆破产生的爆破效应是由于爆炸冲击波或应力波引起地面建（构）筑物的震动。另一方面，人们也越来越重视爆破对周围结构物的影响[3-4]，如何减少爆破带来的振动危害成为越来越多学者的研究课题。如叶培旭等[5]提出通过调控最大段装药量控制爆破振动。曹正龙等[6]对爆破振动速衰减规律及监测数据进行分析研究，以此优化施工方案的分析方法。一些研究学者通过在爆破现场进行振动试验和分析，得到主振频率和爆破质点峰值振速之间的数值关系以及满足爆破规范安全允许的爆破药量和安全距离。如骆正坤等[7]针对深埋隧道稳定较差的区域采用ANSYS/LS-DDYNA进行了三维数值模拟其动力响应，总结了隧道开挖的掌子面沉降规律。赵丰等[8]基于爆破振动速度衰减理论，计算并验证了新建铁路隧道上跨隧道的控制爆破安全距离。钟运秋[9]依托重庆某隧道工程，在爆破振动效应的产生及其影响因素的理论分析结合爆破振动效应实际测试结果的分析基础上，分析得到相应的隧道爆破减震技术措施。

基于此，本文将针对吉心村2号隧道进行多次爆破振动监测试验，对爆破振动波的产生及传播进行探讨、分析和对比，提出了多个降振措施。并将减震措施应用到实际工程中去，以期达到降低爆破振动的目的。

1 爆破振动控制理论

由于爆破过程复杂，影响爆破振动的因素具有多样性[10]。对隧道施工爆破过程中振动监测及控制主要是通过分析质点振动峰值速度、振动主频和振动持续时间3个关键因素，来建立相应的爆破振动经验预测公式，并通过优化爆破参数、改变爆破方法以达到降低爆破振动的目的。

根据振动特性，爆破振动波可以分为冲击波、应力波和地震波。在炸药爆炸的过程中，炸药瞬时爆炸释放出巨大能量，这种具有巨大瞬时能量的波形成的是冲击波。振动波穿过岩土体介质，波速和能量不断衰减，在振动波传播到距离爆源120～150倍的装药半径范围内时，此时的单元岩石质点处于非弹性状态，即岩石受力不均匀，这一范围的振动波被称为应力波。振动波传播超过距离爆源150倍装药半径范围之外后，波速和能量不断衰减至较小值，此时的振动波被称为地震波，地震波对岩石影响较小，几乎不会破坏。冲击波分区如图1所示。

图1 爆破振动波传播形成图

1.1 爆破振动安全判据

针对建立爆破振动速度与其他因素之间的关系表达式，我国目前普遍使用的是萨道夫斯基公式[11]

式中：v为质点振动峰值速度；K为场地系数；Q为单段最大装药量；R为爆心距；α为衰减指数。

张立国等[12]也通过量纲分析法建立振动主频率的回归分析表达式

式中：f表示振动主频率，其余字符含义同上。

高富强等[13]类比天然地震波推导得到爆破振动持续时间的相似准数方程

式中：T表示爆破振动持续时间，其余字符含义同上。

除此之外，还可通过优化爆破参数，如改变爆破孔爆炸材料的种类、量、深度和孔的布局降低振动的强度和频率。安装振动传感器和地震仪器等监测仪器，及时检测振动水平，如果超过预设阈值，可以采取措施进行调整。也可以实时监测振动情况，并根据监测结果进行调整。这种实时反馈和调整可以帮助确保振动控制在可接受范围内。合理的爆破序列调整也可以减少连续爆破引起的累积振动效应。通过在不同时间进行爆破达到减少振动累积效应的目的。

1.2 爆破振动控制标准

如何确保爆破所能影响范围内建（构）筑物的安全，评判爆破振动强度的标准，各国有不同的安全控制[14]。德国的相关标准见表1。

表1 （德国）爆破振动安全评判标准

我国目前通常采用的爆破振动控制标准是GB 6722—2014《爆破振动安全规程》[11]，其中规定见表2。

表2 爆破振动安全判据标准（GB 6722—2014）

吉林心村2号隧道属于交通隧道，根据GB 6722—2014《爆破安全规程》中对于交通隧道的规定以及经验分析得，小净距交叉隧道的爆破振动控制在5～10 cm/s范围内。

2 吉心村2号隧道概况

2.1 原始爆破方案

根据前期对该隧道的地质勘探，在试爆区项目采用导爆管逐孔起爆，主要采用9 m台阶深孔爆破，设计单孔药量约30 kg，孔排距2.5～3 m，延期时间取50 ms。炮孔直径85 mm，孔深3～9 m，每次起爆的总药量为500～600 kg。

2.2 监测目的

吉心村2号隧道位于遵义市播州区芶江镇吉心村附近。海拔高750～1 400 m，地形山峦起伏，隧道预施工地处中低山及山原盆地，其中局部是丘陵区，施工条件较差。隧道起止里程DK89+047～DK90+996，全长1 949 m，隧道进口处内轨设计标高约为907.3 m，出口处内轨设计标高约929.5 m。隧道进口段出现较差地质，断层附近岩体破碎，上盘局部富水，另外该段隧道浅埋，施工中存在突水突泥及坍塌等地质问题，易引起断层、附近居民失水等环境问题，应加强地质超前预报工作和支护及防排水设施。其中，吉心村2号隧道修建近吉心村1号，故需基于对周边建筑工程的振动影响，对新建隧道的振动评估进行有效安全控制，以起到预先发现，预防和控制爆破危害，降低爆破振动的有害影响。

2.3 监测点的布置

隧道进口段（DK89+047～DK89+305）为含煤地层，孔内瓦斯监测含量较低，隧道进口大部分位于较差地层中，洞身稳定性差，易坍塌冒顶，此段工程地质问题突出。因此选取吉心村2号隧道DK89+047～DK89+305段分别设置10个监测点。平面设置示意图如图2所示。

2.4 监测结果分析

通过分析了试爆区的现场监测数据，发现在原始爆破方案下存在监测点振动数据甚至达到了17.45 cm/s（如图3所示），超過了GB 6722—2014《爆破安全规程》标准，即交通隧道在不同频率下，振速不应大于20 cm/s，也远远超过了小净距交叉隧道的爆破振动控制在5～10 cm/s范围内的要求。

图3 某测点振动速度波形图

3 爆破减振技术探讨

3.1 合理的爆破延期时间

合理的爆破延期时间调整可以降低爆破产生的振动和冲击对周围环境和结构物的影响。爆破孔的布置密度会影响爆破时的能量释放和振动传播。需要根据爆破孔的分布，调整爆破时差，以避免孔与孔之间的振动相互叠加，从而减少总振动效应。在不同的地层中，振动的传播速度和衰减程度可能不同，因此需要根据地质情况合理调整爆破时差。如果附近有敏感的结构物，如建筑物、桥梁等，同样需要根据这些结构物的距离来调整爆破时差。合理的爆破延期时间调整需要综合考虑多个因素来达到降振的最大化。优化过后的爆破方案采用分排、延时起爆，同一排采用一种段别的数码电子雷管进行起爆，4～6个周边孔、同排崩落孔并联之后，再用MS2段导爆管雷管引爆，这样可以有效地控制单段起爆药量[15]。

3.2 单段最大装药量

单段最大装药量可以在爆炸时输出瞬时最大能量，所输出的能量能够在短时间内对结构物造成巨大冲击。所以，从爆源控制降低振动是最简单有效的方法。控制单响最大装药量一般手段是通过调整同时起爆孔的数量和减少单孔装药量实现。

3.3 微差起爆延迟时间

微差爆破也叫毫秒爆破。其特点是以毫秒为间隔，依次起爆多个炮孔的爆破手段。这种起爆方式不仅可以提高爆破质量，还能降低诱发的地震效应。采用微差起爆延迟时间爆破在降低爆破振动中是一种常用技术方法。在确定微差起爆延迟时间时，需要考虑孔与孔之间的距离和角度，以及孔的密度、地质条件等，从而实现合理的振动分散效果。根据案例项目的实践经验，项目中选择了奥瑞凯高精度雷管，该装置的排间延期时间为65 ms/s，孔间时间为25 ms/s，这是控制振动时应重点考虑的问题[16]。

3.4 采用数码电子雷管减振和减振沟降振

数码电子雷管是一种新型电能起爆器材，延期时间可以根据实际需要任意设定并精确实现发火延期时间[17]。它的延期时间精确度高、设定相对灵活。台阶法开挖浅埋隧道时，把爆破进尺提高为2.5 m，爆破振速降到9.12 cm/s，能够加快施工进度，降振幅度也达到了47%以上。相较于导爆管，能够较大程度地降低爆破时产生的振动幅度。

4 爆破优化结果分析

按照上文介紹的参数和减震方法，此次采用优化过后的方案进行爆破，采集到的10组数据见表3。

由表3可知，在后期的现场监测中，所测得最大振速为9.12 cm/s，振动速度均在安全振动范围内，最大振速相比优化前振速降低了47.74%，且也远低于小净距隧道的安全爆破振动控制，振动效果得到很好的控制。根据式（3），采用最小二乘法对表3的数据进行拟合，得到下式

式中：各字母代表含义上文公式，相关系数r=96.7%，该式的拟合精度较高，证明其可以应用于本工程进行预测和计算。

5 结束语

隧道施工过程中，爆破周边建（构）筑物的安全是爆破必要关注的首要问题。本文以吉心村2号隧道为工程依托，开展临近隧道爆破施工监测及控制技术研究，从理论上探讨了爆破振动波的产生和传播，罗列了爆破振动安全判据的发展完善，也对比分析了不同国家的爆破振动控制标准。并在现场应用了相应的降振措施，得到了良好的降振效果，保证了既有隧道的安全运营和新建隧道的高效修建。

通过对比分析现场实测数据，得出以下结论。

1）在小净距隧道的爆破开挖过程中，爆破的装药量以及自由面数量是影响爆破振速的重要原因，通过控制单段装药量、设置隔振孔可以大幅度降低爆破振动效应。

2）优化了单段最大装药量、设置合理的延期爆破延期时间并采用垫子雷管减振，使得最大振动速度从17.45 cm/s降低到9.12 cm/s，降幅达到了47.74%，振动效果得到了很好的控制。

3）引用高富强[13]在萨式公式基础进一步推导的预测公式，能够较精确地对爆破振动速度进行有效预测，预测精度达到了96.7%。

4）临近既有隧道爆破开挖时，采用数码电子雷管能显著地降低爆破振动带来的负面影响。

参考文献：

[1] 刘家明，张俊儒，王智勇，等.硬质地层下近接隧道爆破振动影响分区及动力响应研究[J].现代隧道技术，2023，60（2）：125-137.

[2] 管晓明，傅洪贤，王梦恕.隧道近距下穿山坡楼房爆破振动测试研究[J].岩土力学，2014，35（7）：1995-2003.

[3] 王奋，范勇，周宜红，等.隧洞爆破地震波作用下临近水电站的安全性评估[J].爆破，2017，34（2）：132-137.

[4] 胡百万，陈中学，刘彦波.隧道爆破震动对临近建筑物安全影响研究[J].公路，2012（3）：232-234.

[5] 叶培旭，杨新安，凌保林，等.近距离交叉隧洞爆破对既有隧道的振动影响[J].岩土力学，2011，32（2）：537-541.

[6] 曹正龙，王国富，王渭明，等.交叉隧道近距离爆破振动控制研究[J].地下空间与工程学报，2015，11（增刊2）：680-686.