隧道爆破對(duì)山頂危石振動(dòng)影響的監(jiān)測(cè)與分析

魏建華 李亞利

（1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050091；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北石家莊 050021）

1 工程概況

某隧道工程中有一危石，位于左線隧道出口處上方左側(cè)山頂，里程約為ZK157+585，距隧道左側(cè)邊墻水平距離約為40m，距離隧道拱頂垂直距離約110m，距隧道出口約50m。由于年代久遠(yuǎn)，山頂危石各巖塊之間存在大的豎向、橫向裂隙，風(fēng)化異常嚴(yán)重，部分巖塊與巖體已經(jīng)嚴(yán)重分離，穩(wěn)定性極差。危石所在山體腳下為一村莊，若隧道爆破施工過程中危石發(fā)生坍塌，造成的后果將極為嚴(yán)重。隧道出口圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖，當(dāng)施工單位進(jìn)行上臺(tái)階的開挖時(shí)，每次爆破進(jìn)尺約為3m，每爆破循環(huán)的裝藥量在200kg左右。為保證施工時(shí)山頂危石的穩(wěn)定安全，在隧道上臺(tái)階開挖爆破時(shí)，需要對(duì)山頂危石進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

判斷隧道山頂危石的穩(wěn)定狀態(tài)，必須首先確定合適的穩(wěn)定破壞標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行規(guī)范中的破壞標(biāo)準(zhǔn)常用的是速度標(biāo)準(zhǔn)[1]。通過監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)、修正，得到振動(dòng)速度與測(cè)點(diǎn)距爆源距離、爆破用藥量等的關(guān)系，以此為依據(jù)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證危石的安全。山頂危石振動(dòng)速度的控制指標(biāo)是一個(gè)特殊問題，由于不同危石所處的周邊環(huán)境不同，表觀現(xiàn)狀亦不同，造成的危害也各異，以至于爆破規(guī)程中對(duì)此項(xiàng)指標(biāo)未作明確具體規(guī)定。這就為爆破施工中危石的振動(dòng)監(jiān)測(cè)造成一定困難。

2 測(cè)點(diǎn)布置

為監(jiān)測(cè)到該隧道爆破振動(dòng)在危石位置的振速值，達(dá)到測(cè)試的目的，測(cè)點(diǎn)按以下方式布置：將測(cè)點(diǎn)設(shè)在山頂危石上，傳感器布置在3個(gè)處于不同高度的臺(tái)階面上，并盡量使傳感器能與危石固結(jié)為一個(gè)整體；每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置水平和豎直傳感器各 1 個(gè)，共布置 6 個(gè)，1、3、5 號(hào)豎直布置，2、4、6 號(hào)水平布置。爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)頻率在重點(diǎn)影響區(qū)域（掌子面在危石前后40m范圍內(nèi)）隨爆破進(jìn)行，每爆破一次測(cè)試一次。

3 爆破振動(dòng)速度控制指標(biāo)的確定

與山頂危石穩(wěn)定性分析相類似的研究有三峽工程永久船閘左線二閘首南側(cè)（中隔墩）倒懸?guī)r體穩(wěn)定性控制研究[2][3]，本論文作為借鑒將此研究作簡(jiǎn)要分析。

在三峽工程永久船閘左線二閘首南側(cè)（中隔墩）巖體處，曾經(jīng)發(fā)生過兩次塌方，致使上部已加固塊體處于倒懸狀態(tài)，形成倒懸?guī)r體[3]，對(duì)于倒懸體爆破震動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)并非為構(gòu)筑物的破壞判斷物理量，而是一個(gè)可以接受的爆破安全判據(jù)。關(guān)于爆破安全判據(jù)的研究，水電部門曾經(jīng)在“八五”科技攻關(guān)中作了大量的工作，根據(jù)巖體邊坡特征，以爆破質(zhì)點(diǎn)振速值作為判據(jù)給出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)論認(rèn)為：爆破所引起的原穩(wěn)定性安全系數(shù)的降低小于10%；對(duì)于斷層帶及不穩(wěn)定邊坡地段的爆破，認(rèn)為安全質(zhì)點(diǎn)振速［V］≤5～20cm/s。在三峽臨船的槽挖過程中，曾規(guī)定安全振速為6～8cm/s。而在三峽永久船閘的槽挖過程中規(guī)定：安全質(zhì)點(diǎn)振速在爆心距l(xiāng)0～15m時(shí)，設(shè)計(jì)邊坡、輸水洞、豎井、基礎(chǔ)及壁面［V］≤10cm/s。[4]

上述各類資料都具有一定的針對(duì)性，直接用在倒懸體作為控制標(biāo)準(zhǔn)欠妥，為了使中隔墩倒懸體的穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到K=1.3，在余下的約4 000m3巖石的爆破施工前，考慮工程的重要性及特殊性，經(jīng)專家論證并由設(shè)計(jì)部門確定的在倒懸體處開挖爆破誘發(fā)的最大允許質(zhì)點(diǎn)響應(yīng)振速值（控制標(biāo)準(zhǔn)）為：［V］=2cm/s。

山頂危石振動(dòng)速度的控制指標(biāo)是一個(gè)特殊問題，根據(jù)我國(guó)制定的《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）中的規(guī)定，對(duì)于交通隧道，安全允許振速為10～20cm/s，并借鑒三峽倒懸?guī)r體控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法，綜合考慮在本工程中危石距離隧道較遠(yuǎn)（距離隧道左邊墻水平距離約為40m，距離隧道拱頂垂直距離約110m），但危石穩(wěn)定性較差的實(shí)際情況，建議采用［V］≤7cm/s作為危石振動(dòng)速度的安全控制指標(biāo)。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

由于爆破振動(dòng)與天然地震不同，天然地震具有釋放能量大、振幅大、頻率低、范圍廣、衰減慢、危害大的特點(diǎn)，多測(cè)定水平方向的振動(dòng)速度。而爆破振動(dòng)則恰恰相反，對(duì)小范圍的近區(qū)而言，一般爆破振速豎直向比水平振速大，因此此次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要測(cè)定豎直向峰值質(zhì)點(diǎn)振速作為評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量和對(duì)危石進(jìn)行穩(wěn)定分析的主要依據(jù)，同時(shí)也兼顧監(jiān)測(cè)水平向峰值質(zhì)點(diǎn)振速作為危石穩(wěn)定分析的參考。

隧道爆破時(shí)對(duì)危石進(jìn)行監(jiān)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。其中通道1、3、5號(hào)分別為3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，通道2、4、6號(hào)為對(duì)應(yīng)豎直振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)。山頂危石爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分典型時(shí)域圖見圖1。

表1 隧道爆破危石振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)匯總表

圖1 山頂危石爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分典型時(shí)域圖

從表1和圖1可以看出：

（1）山頂危石監(jiān)測(cè)過程中，測(cè)點(diǎn)的豎直振動(dòng)速度最大值為6.19cm/s，水平振動(dòng)速度最大值為3.76cm/s。均未超過危石安全的控制指標(biāo)［V］≤7cm/s，山頂危石是安全的。

（2）每次爆破豎直、水平振動(dòng)速度峰值隨危石跟掌子面之間的距離的減小而增大，每次爆破用藥量大致相同條件下，距離越近振動(dòng)速度越大，在危石下方位置爆破時(shí)，振動(dòng)速度達(dá)到最大值。

掌子面遠(yuǎn)離危石比靠近危石時(shí)的振動(dòng)速度要明顯變小，主要原因有兩個(gè)：一是已經(jīng)開挖的隧道在爆破時(shí)在一定程度上起到了減振作用，二是爆破的一次裝藥量在遠(yuǎn)離掌子面時(shí)比靠近掌子面時(shí)少24kg左右，所以從監(jiān)測(cè)振動(dòng)速度看當(dāng)隧道掌子面通過危石后應(yīng)比沒到危石時(shí)安全。

（3）爆破在遠(yuǎn)離危石100m左右時(shí)，振動(dòng)速度已經(jīng)趨于穩(wěn)定，數(shù)值穩(wěn)定在1.5cm/s以下，遠(yuǎn)小于危石的安全控制指標(biāo)7cm/s，危石是安全的，在裝藥量變化不大的情況下已經(jīng)不需要再繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

（4）從爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)域圖看出：振動(dòng)速度峰值發(fā)生在剛開始位置即掏槽眼爆破時(shí)，且振動(dòng)速度瞬間衰減，持續(xù)時(shí)間短（較大的振動(dòng)速度持續(xù)時(shí)間小于0.5s），對(duì)危石的穩(wěn)定性有利。因此控制掏槽眼的裝藥量和采取合理的掏槽形式可以降低危石的振動(dòng)速度。

5 結(jié)論與建議

（1）與此工程類似的山頂危石振動(dòng)速度控制指標(biāo)建議采用［V］≤7cm/s。

（2）每次毫秒微差爆破時(shí)，危石振速峰值大多出現(xiàn)在掏槽眼爆破時(shí)，因此須嚴(yán)格控制掏槽眼裝藥量。

（3）監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，雖然隧道爆破時(shí)山頂危石的最大振動(dòng)速度未超過臨時(shí)確定的安全振速，但振動(dòng)速度值是比較大的，因此為了保證危石的穩(wěn)定建議采取如下措施：

①隧道爆破時(shí)應(yīng)盡量采用減振措施：

a.選擇合理的爆破時(shí)差，保證主震動(dòng)頻率不接近于危石的自振頻率，同時(shí)使地震波之間不產(chǎn)生疊加。

b.控制掏槽眼的最大裝藥量Q或采用復(fù)式掏槽，根據(jù)各次爆破振動(dòng)波形圖可以看出最大爆破振速所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為掏槽時(shí)刻，故爆破時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制掏槽眼一次起爆的最大藥量，達(dá)到減振的目的。

c.控制開挖循環(huán)進(jìn)尺，以控制爆破規(guī)模，減少總裝藥量，達(dá)到控制質(zhì)點(diǎn)振速的目的。

②避免隧道右線開挖爆破與隧道左線開挖爆破二者同時(shí)進(jìn)行，并應(yīng)先開挖左線，后開挖右線。左線位于隧道右線和山頂危石之間，左線開挖后形成臨空面，右線爆破時(shí)左線已開挖部分實(shí)際上可以起到減振槽的作用，會(huì)對(duì)山頂危石具有很好的減振效果。

（4）山頂危石運(yùn)營(yíng)期間不存在隧道爆破振動(dòng)的影響，但是由于隧道開挖時(shí)進(jìn)行了多次爆破，對(duì)危石產(chǎn)生了多次振動(dòng)擾動(dòng)，危石的穩(wěn)定性及安全性有所降低，為確保危石的穩(wěn)定，建議對(duì)危石間較大裂隙進(jìn)行注漿處理，增大危石之間的黏結(jié)力，提高其穩(wěn)定性。

（5）將此工程的山頂孤石爆破振動(dòng)成果進(jìn)行推廣，在其它類似項(xiàng)目中進(jìn)行研究，根據(jù)不同的地質(zhì)情況和隧道爆破情況進(jìn)行類比，提出相關(guān)工程的相關(guān)計(jì)算方法和監(jiān)測(cè)辦法。

（6）提煉工程實(shí)例中的監(jiān)測(cè)方法和計(jì)算模型，作為爆破安全規(guī)程的補(bǔ)充和完善。

［1］汪旭光.爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊(cè)［M］.北京人民交通出版社，2004.

［2］戴會(huì)超.三峽永久船閘中隔墩巖石力學(xué)問題研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001（5）：680-684.

［3］朱傳云，王成等.槽挖爆破對(duì)倒懸體的振動(dòng)影響監(jiān)測(cè)與分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，34（2）：20-23.

［4］朱傳云，盧文波.三峽工程臨時(shí)船閘與升船機(jī)中隔墩安全爆破判據(jù)的研究［J］.爆破與沖擊，1998，18（4）：375-380.