爆破振動監測技術在穿黃大堤工程中的應用

楊天生，何利華，張 猛，胡炳旭

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 工程概況

南水北調東線穿黃隧洞工程位于山東省東平與東阿兩縣境內，按100 m3/s設計，為圓形有壓洞，內徑 7.50 m，洞長 585.38 m，包括南岸豎井、過河平洞、北岸斜井等。隧洞所處寒武系崮山組和張夏組巖層巖溶及溶隙發育，存在第四系孔隙水、巖溶裂隙水及黃河水“三水相通”問題。

隧洞斜井段穿越的位山大堤是黃河下游中段重要險工，大堤臨水坡水下部分為人工拋石、水上部分為漿砌塊石護坡，坡度較陡，是防洪安全的重要部位。

2 爆破振動監測系統

穿黃隧洞開挖是在原探洞基礎上采用鉆爆法進行施工的，考慮到該工程所處位置的重要性和地質條件的復雜性，開挖爆破必須根據觀測資料隨時調整爆破參數。因此，選擇一套適用于本工程的監測系統確保隧洞工程實施時黃河大堤的安全是非常必要的。

2.1 系統選擇

隨著我國電子和計算機技術飛速發展，爆破振動監測設備的研制開發提高到了一個新水平。目前，國內已有多個廠家和科研單位可以生產在線和便攜式的智能化振動測試設備，為工程建設提供更加準確和方便的服務，而強大的計算分析和處理技術也在振動監測和分析軟件中有著很好地應用。

穿黃大堤安全觀測工程爆破振動測點多、位置跨度大，需要跨越大堤交通道路。如果采用當前的布線測試方式，需要將每臺測振儀器進行參數設置，在每一次觀測前在現場布置拾振器將數據線與采集設備連接，還要在測試完成后逐一收回，不僅工作強度大，而且在觀測期間還要封閉現場交通道路。考慮到本工程現場特點，需要采用體積小、重量輕、便攜式的多點測試設備。工程選用了四川拓普測控科技有限公司生產的TOPBOX振動測試儀和BMView分析軟件。

2.2 系統特點

拓普系列振動測試儀具有體積小、重量輕、靈敏度高、功能多、使用方便、自動化程度高、內存容量大、數據傳輸接口多樣等優點，為本工程爆破振動測試提供了極佳的解決方案。

儀器輕小便攜，內置電池，解決了現場供電問題，避免了測量導線的鋪設、檢查、回收等繁瑣工作，現場測試更方便、輕松；儀器內置掉電保護存儲器，自動記錄多段振動事件，分段存儲、自動續段，實現連續多次爆破振動的監測；具備通道浮點放大功能，可自適應信號強弱而無需設置量程，自動動態調節靈敏度，系統設計智能化、數字化；配套的BMView數據處理軟件遵照《爆破安全規程》行業標準，具備完善的數據分析處理功能，能直接計算出振速最大值及主振頻率。系統軟件還提供了工程標定、讀取數據、波形顯示、數據處理、存盤、打印及通訊等功能。

2.3 系統布置

大堤質點振動監測設3個監測斷面，共布置10組測點。其中，沿洞軸線布置6組測點，大堤頂上、堤后各3組；在大堤迎水坡洞軸線的兩側各布置2組測點，如圖1所示。所有測點設2支振動傳感器，分別監測豎向振速和垂直大堤軸線的水平向振速。拾振器采用 PS-4.5B（垂直）和 PSH-4.5B（水平）型傳感器。

3 爆破振動監測控制

3.1 控制依據

目前國內尚缺少引調水工程的安全監測規范，而本工程在引調水工程中具有一定特殊性。穿黃隧洞屬于地下工程，而黃河大堤卻是土石壩工程。在此條件下，質點峰值振動速度參考 《爆破安全規程》（GB6722-2003）、《水電水利工程爆破安全監測規程》（DL/T5333-2005）和穿黃探洞開挖爆破以及類似工程爆破監測結果，結合穿黃隧洞首次爆破試驗設定相對安全的允許標準為3～4 cm/s。由于質點振動速度主要與裝藥量、爆破距離和地質條件等有關，鑒于穿黃大堤歷史久遠、內部局部填筑不均，在實際的施工監測控制過程中針對具體爆破參數有針對性地加以控制和調整。

3.2 信息反饋

安全監測作為工程風險控制的有效手段，在工程建設和管理中發揮著越來越重要的作用。在黃河及其大堤下部進行隧洞爆破具有復雜性和高風險性，應根據監測結果和開挖的地質條件，綜合考慮施工技術、經濟、安全等方面的影響因素，做出一個安全、可靠、經濟的施工方案。該方案可以對爆破工藝、支護型式、灌漿帷幕等內容進行調整，從而規避工程風險。因此，對于安全監測項目建立順暢、快捷的信息反饋供設計、施工及有關工程技術人員決策使用是非常必要的。工程建設過程中制定了嚴格的信息反饋流程，如圖2所示。由主要技術負責人直接擔任監測評價工作，使得安全監測在工程風險管理中更有成效。

4 爆破振動監測結果與評價

穿黃隧洞爆破施工選用2#巖石乳化炸藥，炸藥總量多數在100 kg以下。目前，隧洞爆破施工已順利穿越黃河大堤和黃河河床，其間觀測到的質點峰值振動速度小于設定的安全允許值。以大堤迎水坡V1質點振動觀測結果為例，質點主振頻率集中在100Hz以下，質點峰值振動速度最大值未超過1.5 cm/s，隨著爆破斷面遠離監測點測值已逐漸下降至0.2 cm/s（垂直向）。縱觀所有測點主振頻率和峰值振動速度，測值大小主要受地質條件和裝藥量影響，巖體堅硬完整、測點距震源較近測值會相應增大。

5 結語

自2008年9月27日隧洞爆破施工至2010年1月，穿黃隧洞已順利穿越黃河大堤和黃河河床。通過穿黃大堤觀測工程中爆破振動監測系統的設計、建立和觀測，驗證了爆破監測系統的應用效果。通過監測數據的分析和反饋，有效地指導了工程爆破施工，規避了工程風險，確保了黃河大堤安全。穿黃工程爆破安全監測對工程順利實施起到了重要作用，也為相似工程爆破條件下的安全允許標準提供了借鑒和依據。