城市隧道爆破對附近地表的振動監(jiān)測與影響分析

江勝華 李祥久

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083； 2.四川省古敘煤田開發(fā)股份有限公司，四川 瀘州 646000)

城市隧道爆破對附近地表的振動監(jiān)測與影響分析

江勝華1李祥久2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083； 2.四川省古敘煤田開發(fā)股份有限公司，四川 瀘州 646000)

對某現(xiàn)場爆破振動地表振動速度峰值監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了研究，擬合得到了地下工程巖石開挖爆破地面振動速度的變化規(guī)律，并對同斷面、同藥量、同測點掏槽爆破地表質(zhì)點振速和非掏槽地表質(zhì)點爆破振速進(jìn)行比較，結(jié)果表明掏槽爆破產(chǎn)生振速較大，合理設(shè)計掏槽為關(guān)鍵點。

隧道爆破，地表振動，振動監(jiān)測，主頻

現(xiàn)階段城市地下交通線的建設(shè)，因為城市地下隧道上方都是城市中心，構(gòu)造物特別多，還有許多保護(hù)建筑單位，爆破施工時必須控制爆破參數(shù)，減小爆破振動速度。為控制爆破震害，工程上多采用振動監(jiān)測來了解爆破的振動強度，分析爆破地震波對地表建筑物安全的影響程度[1,2]。

1 工程概況

在爆破施工段主要有兩種隧道斷面尺寸，其中大斷面隧道開挖斷面為跨度17.66 m，高11.5 m；正常斷面隧道跨度11.52 m，高9.57 m。上覆蓋層厚度約為20 m～26 m。根據(jù)GB 6722-2011爆破安全規(guī)程的規(guī)定要求，在施工爆破過程中，采用保護(hù)對象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點峰值振動速度和主振頻率作為爆破振動判據(jù)，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進(jìn)行爆破施工作業(yè)。本爆破工程振動速度控制點除了文物保護(hù)單位(羅漢寺)為0.5 m/s，其余段振動速度控制在1 cm/s。

2 理論分析與現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 理論公式

目前國內(nèi)外多采用薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式對爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[3,4]。建立數(shù)學(xué)公式來計算預(yù)測爆破振動速度峰值：

V=K(Q1/3/R)α

(1)

其中，V為質(zhì)點振動速度，cm/s；K，α分別為場地因素及衰減指數(shù)；Q為爆破藥量，kg；R為爆源與測點之間的距離，m。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

由于爆破振動效應(yīng)隨著傳播距離的增大而逐漸衰減，因此，每次測試時是在爆破點正上方、正上方前10 m、正上方前20 m與必需測試的結(jié)構(gòu)物測試點進(jìn)行測試，距離太遠(yuǎn)則測試振速較小。評價振速是否符合規(guī)范，主要對比正上方最大振動速度數(shù)值是否超過設(shè)計數(shù)值或安全爆破規(guī)范。

每次爆破結(jié)束后，立即對測試結(jié)果進(jìn)行讀數(shù)，參照監(jiān)測讀數(shù)，結(jié)合下一次爆破位置、爆破參數(shù)、以往爆破經(jīng)驗等確認(rèn)是否能夠繼續(xù)下一步施工，確保爆破作業(yè)順利、安全地進(jìn)行。每天爆破后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，及時調(diào)整爆破參數(shù)、施工進(jìn)度等。

3 隧道開挖爆破地面振動強度的規(guī)律

爆破地震波在上覆巖土層中傳播是一個極其復(fù)雜的動力學(xué)過程，與炸藥類別、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、引爆方式、孔深、孔距、斷面形式、巖性等等因素相關(guān)；并且?guī)r土動力學(xué)問題精確計算是極其困難的事情，只有通過大量工程實例進(jìn)行經(jīng)驗計算或估算。在工程中，一般都采用經(jīng)驗公式來估計爆破地震的主要參數(shù)[3]。根據(jù)現(xiàn)場測試實際條件：巖性不變，隧道上覆層基本不變(25 m左右)，地面地形基本不變，炸藥品種相同，裝填方式不變。故可以推測影響爆破振動速度的物理量只有藥量和爆心距離。本測量場地平整，各測點高程差不超過2 m，不考慮高差影響，以現(xiàn)場實測多組地面質(zhì)點振動速度值，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式對爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即可得到K，α，得到地面振動速度的變化規(guī)律。由于篇幅問題實測數(shù)據(jù)不再詳細(xì)列出。

由于隧道埋深較淺，離爆源較近距離內(nèi)水平兩方向振動速度較小，垂直振動速度較大，所以近距離范圍內(nèi)取爆破垂直振速Vt進(jìn)行回歸分析可最大程度上降低擬合誤差，使擬合結(jié)果更為準(zhǔn)確。

擬合方式:令Q1/3/R=ρ，得到:

V=Kρα

(2)

依據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，不考慮測點高差，根據(jù)式(2)擬合出地表質(zhì)點振速峰值與藥量、炮心距之間的經(jīng)驗公式為：

Vt=164.3(Q1/3/R)1.911

(3)

依據(jù)式(3)反算相應(yīng)裝藥量情況下最大地面質(zhì)點振動速度，并與下階段爆破實測爆破振速進(jìn)行對比，如圖1所示，實測數(shù)據(jù)基本分布于理論曲線附近，說明該范圍地區(qū)適用式(3)進(jìn)行理論地表最大振速計算。

4 爆破地震主振頻率分析

隧道掘進(jìn)爆破過程中產(chǎn)生的地震波是不同能量、不同頻率的波疊加而形成的，爆破時各個子波同時作用于地表結(jié)構(gòu)物上，但各個子波最大能量并不是在同一時刻作用于結(jié)構(gòu)物上的，如果僅僅根據(jù)地表最大質(zhì)點振動速度值的大小即判斷爆破施工對地表結(jié)構(gòu)物有無危害是不夠完善的。對于地震波主頻率分析而言，巖土體對于高頻地震波衰減很大，對于低頻地震波則衰減很小，通過對多次爆破主頻統(tǒng)計，爆心正上方質(zhì)點測得各方向主頻率比較集中，主要分布于20 Hz～60 Hz。低頻率的主振頻率是否會和地表結(jié)構(gòu)物固有頻率重合而產(chǎn)生共振，而對結(jié)構(gòu)物造成嚴(yán)重危害，低頻產(chǎn)生共振也是隧道爆破所要考慮的因素之一。

在距離炮心近距離范圍內(nèi)，巖土體中爆破地震波隨著炮心距增大，地表主振頻率隨距離的增加而減小的趨勢并不明顯，如圖2所示。如果距離爆心較遠(yuǎn)地點，振速不是很大，但是主頻和構(gòu)筑物相近，是否會產(chǎn)生共振，導(dǎo)致構(gòu)筑物破壞，這也是考慮因素，不能僅考慮垂直振速。

5 結(jié)語

1)根據(jù)GB 6722-2011爆破安全規(guī)程的規(guī)定要求對地面振動速度測量，根據(jù)以往爆破資料和前期的爆破地表振動速度實際測量值擬合出薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式，并預(yù)測后期爆破地表振動速度理論值，和實際測量值比較。垂直方向最大振速擬合出的公式更準(zhǔn)確，兩水平方向振速擬合誤差較大。

2)巖土體對高頻地震波衰減很大，傳播到地面的波主要為低頻波，主要集中于20 Hz～60 Hz，而低頻波對結(jié)構(gòu)物影響也是最大的。在距炮心近距離范圍內(nèi)，地表質(zhì)點振動主頻不隨距離變遠(yuǎn)而明顯減小。遠(yuǎn)離炮心處地表質(zhì)點垂直振速對構(gòu)筑物影響不大時也應(yīng)當(dāng)考慮主頻影響。

[1] 葉顯亮.隧道爆破施工對附近房屋的振動監(jiān)測與影響分析[J].貴州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，27(2)：123-125.

[2] 李利平，李術(shù)才，張慶松，等.淺埋大跨隧道施工爆破監(jiān)測與減震技術(shù)[J].巖土力學(xué)，2008，29(8)：2292-2296.

[3] 李玉民，倪芝芳.地下工程開挖爆破的地面振動特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1997，16(3)：274-278.

[4] 陳 慶，王宏圖，胡國忠，等.隧道開挖施工的爆破振動監(jiān)測與控制技術(shù)[J].巖土力學(xué)，2005，26(6)：964-967.

Monitoring and impact analyzing of ground vibration generated by city tunnel blasting

JIANG Sheng-hua1LI Xiang-jiu2

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.Sichuan Guxu Coal Development Company Limited, Luzhou 646000, China)

We got the variation law of ground vibration velocity in underground rock blasting excavation which based on fitting the monitoring results of ground vibration velocity peak of blasting vibration in the scene. By comparing the surface particle vibration velocity between cut blasting and non in the same section, explosive charges and test point. The results show that the reasonable design of cutting technology is the key point as cut blasting generates a larger vibration velocity.

tunnel blasting, ground vibration, vibration monitoring, main vibration frequency

1009-6825(2014)31-0198-02

2014-08-25

江勝華(1988- )，男，在讀碩士； 李祥久(1965- )，男，工程師

U456

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