城區隧道爆破施工振動監測與分析

摘要：本文通過對膠州灣灣口海底隧道青島端接線工程爆破施工的監測，得出了沿垂直隧道走向上地表振動速度的傳播規律。

關鍵詞：海底隧道 爆破 振動 線性回歸

一、工程概況

膠州灣灣口海底隧道青島端接線工程，南起膠州灣灣口海底隧道青島端終點，向北以上下行分離式雙洞隧道形式分別沿四川路、云南路向北，在東平路路口北側出地面后開始高架，于山西路路口上方合流后接入快速路三期工程。云南路主隧道起點里程ZK1+095.98，分界點里程ZK2+755，長1659.02m，凈寬13.5m。云南路主隧道即將下穿磚混結構民房區。通過監測爆破振動，確定合理的爆破參數，從而保證民房安全，為今后的隧道開挖提供重要參考依據。此次監測時，主隧道開挖經過青島某中學，測點主要布置在學校內地面上，主要監測分析隧道爆破振動速度沿垂直隧道走向上的分布規律，并通過選取校園內典型的6個點進行監測，線性回歸該地區的、值。

二、爆破施工方案

此次測振涉及的施工地段，采用臺階法進行施工，將隧道分成上下兩個臺階，分三部分按圖1所示1、2、3依次進行開挖。

上臺階開挖寬度15.3m，開挖高度6.2m，爆破炸藥采用二號巖石乳化炸藥，起爆方式為分段延時導爆管起爆，每次起爆總藥量117kg，分16段依次起爆，掏槽方式采用斜眼掏槽，掏槽藥量18kg，單段最大起爆藥量18kg。

三、監測方案

因為上臺階爆破開挖斷面和一次起爆藥量較大且自由面少，因此振動速度大，此次監測主要對上臺階爆破進行監測。

1、測振系統

爆破振動監測采用的測振儀器為四川拓普測控科技有限公司生產的UBOX-5016爆破振動智能監測儀。該儀器無需設置量程，記錄振動時可自適應信號強弱，實時自動調整量程。該儀器有三個通道，每個通道可連接一個傳感器，各通道均可連接水平和垂直傳感器。傳感器固定時，首先清除地表的浮土，采用石膏粉作為粘結劑將傳感器粘在測點表面，保證其可隨測點表面同時振動。每次記錄后通過USB連接線與電腦相連，通過配套采集分析軟件BMView將數據存儲到電腦上，隨后進行相應的數據處理，如圖2所示。

圖1施工方法圖

圖2測振系統測點布置方案

此次監測將隧道上臺階開挖斷面的形心對應到地面上的點作為地面爆心，如圖3所示，測點布置共分為兩個方案。

方案1，按照從地面爆心到爆破振動影響遠區測點間距由密到疏的原則，沿垂直隧道走向在校園內成直線布置測點，如圖3中M1～M11方形點所示。該方案共布置6臺記錄儀，每臺儀器的兩個通道各連接一個垂直傳感器，另一個通道連接水平傳感器，每臺記錄儀可同時監測兩個點的振動速度。

方案2，主要觀察爆破對校園建筑物的影響，選取校園內6個典型的測點，每個測點布置一臺記錄儀，每臺儀器兩個通道連接水平傳感，另一個通道連接垂直傳感器，同時監測同一點的垂直振動速度和與隧道軸向、徑向相一致的水平振動速度，具體測點布置如圖3中圓點M12～M17所示。

四、監測數據分析

經過連續4次的監測，得到一系列可靠的地表振動速度數據。根據方案1共測得3組數據，監測時，測點M1跟隨地面爆心沿隧道開挖方向根據開挖進尺逐步推進，其它測點不動。方案2中，測點M12距地面爆心142.1m，傳感器未觸發，得到5個測點的地表垂直與水平振速。

1、垂直隧道走向數據分析

在垂直隧道走向方向，共測量三次，將一次爆破在每個點的地表最大振速作為研究對象，各點的最大振速與地面爆心距間的關系如圖4、圖5，其中圖4為各點地表垂直振速峰值曲線，圖5為所測地表徑向（徑向指向地表爆心）振速峰值曲線。

圖4地表垂直振速峰值

從圖4中可以看出，在距爆心0～45m范圍內，地表垂直振動速度呈劇烈振蕩衰減態勢，50m以外振速振蕩趨于平緩。在距爆心15～30m即1～2倍隧道開挖寬度范圍內，出現一低值，該值接近振速振蕩平緩時的最大值。在距爆心30～45即2～2.5倍隧道開挖寬度范圍內，振動速度達到一次最大值，該值改值為平緩時最大振速的1.5～2倍。

圖5地表徑向振速峰值

從圖5中可以看出，地表徑向振速峰值變化規律與地表垂直振速峰值類似。在距爆心0～45m范圍內，地表徑向振動速度呈劇烈振蕩衰減態勢，50m以外振速振蕩趨于平緩。在距爆心15～30m即1～2倍隧道開挖寬度范圍內，出現低值，該值略高于振速平緩時的最大值。在距爆心30～45m即2～2.5倍隧道開挖寬度范圍內出現振動速度最大值，為平緩時最大振速的2～3倍。

對比圖4、圖5還可以看出，同次監測所得的地表最大垂直振速峰值大于地表最大徑向振速峰值。2、散點數據分析

各測點的地表最大垂直振速峰值和地表最大水平振速峰值如表1所示。

表1各點振速峰值

測點地表爆心距/垂直速度峰值/水平徑向速度峰值/水平切向速度峰值/

M121421———

M13129.60.217—0.277

M1490.30.5330.8080.409

M1567.50.6700.9050.256

M1625.51.0851.5741.938

M1762.40.6561.2990.844

從表中可以看出，在這種爆破施工方案下，在地面距地表爆心25m范圍以外振動速度小于《爆破安全規程》（GB6722～2003）關于磚混結構建筑物規定的2。若距地表爆心25m范圍內存在磚混結構建筑物需調整爆破參數，以保證安全。

3、回歸分析

目前關于爆破振動速度問題，國外比較公認的是前蘇聯學者薩道夫斯基的經驗公式。我國長期以來在爆破地震安全距離與質點振動速度計算方面也是采用該公式，其公式的具體形式為：

(1.1)

式中：——測點至爆破中心的距離，；

——炸藥量，齊發爆破取總裝藥量，微差爆破或秒差爆破取最大一段裝藥量，；

——所測點因爆破引起地震振動速度，；

——藥量指數，集中藥包取1/3，此處取1/3；

——爆破地震波衰減系數，與地質地形條件及距爆破中心的距離有關；

——同巖石的性質、爆破方法、地形條件等因素有關的系數。

將式(1.1)兩端取對數化成化成式（1.2）：

（1.2）

令，，，

則（1.3）

利用公式（1.3）通過線性回歸可以計算求出、，最后得到、。

在進行回歸分析時，在選取源數據方面基于兩點考慮。第一，公式（1.1）中選擇單段最大起爆藥量18。第二，《爆破安全規程》（GB6722-2003）規定毫秒延期電雷管第1段延期時間允許誤差區間為0～12.5ms，因此在選擇振動速度時，在每個測點測得的地表垂直振速曲線中截取0～12.5之間的波峰或波谷最大值作為該點地面垂直振動速度。第三，監測時隧道開挖斷面形心距離地面32m，在選擇時，將地面爆心與測點間的距離和開挖斷面形心與地面的距離構成的三角關系求出值。將以上整理的數據運用matlab進行線性回歸得到、。

五、結論

此次監測工作主要對爆破振動速度在地面上的分布進行監測的，將各測點看作位于同一平面上。利用實際采集的數據繪成曲線，忽略因儀器設備、人員操作、簡化計算公式等方面產生的誤差。綜合分析得到以下結論：

1、在距爆心0～45m范圍內，地表最大振動速度呈劇烈振蕩衰減態勢，在50m以外振速振蕩趨于平緩。

2、在距爆心15～30m即1～2倍隧道開挖寬度范圍內，出現一低值，垂直振速時該低值接近振速振蕩平緩時的最大值，徑向振速的該低值則大于振速振蕩平緩時的值。

3、在距爆心30～45即2～2.5倍隧道開挖寬度范圍內，振動速度達到一次最大值，垂直振速的該值改值為振蕩平緩時最大振速的1.5～2倍，而徑向振速的該值為振蕩平緩時最大振速的2～3倍。

4、同次監測所得的地表最大垂直振速峰值大于地表最大徑向振速峰值。

5、采用本文論述的爆破施工方案，在地面距地表爆心25m范圍以外振動速度小于《爆破安全規程》（GB6722-2003）關于磚混結構建筑物規定的2。若距地表爆心25m范圍內存在磚混結構建筑物需調整爆破參數，以保證安全。

6、根據此次監測方法回歸得到、。

參考文獻

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