近距爆破施工對既有隧道振動影響分析

葉建龍, 姜正暉, 杜飛天, 肖清華, 俞 濤

(1. 浙江省交通規劃設計研究院, 浙江杭州 310006； 2. 西南交通大學, 四川成都 610031)

近距爆破施工對既有隧道振動影響分析

葉建龍1, 姜正暉1, 杜飛天1, 肖清華2, 俞 濤1

(1. 浙江省交通規劃設計研究院, 浙江杭州 310006； 2. 西南交通大學, 四川成都 610031)

以杭金衢高速公路段的新嶺隧道為背景，研究分析新建隧道爆破施工對鄰近既有隧道的振動影響。運用理論分析及現場監測等方法，在充分分析現場施工狀況的基礎上，根據測點布置原理，對隧道爆破開挖進行了合理的測點布置和監測。結果表明：(1)爆破施工對既有隧道水平徑向峰值振速最大；(2)測點隨距爆破振源距離增加峰值振速減??；(3)合理炮孔布置及爆破參數的能夠減小爆破振動對既有隧道的影響。該爆破方案可以保證鄰近既有隧道的的安全，可為后續類似近距離隧道施工提供依據和借鑒。

爆破工程; 振動影響; 既有隧道; 監測

杭金衢高速公路是滬昆高速浙江境內的重要路段，新嶺隧道路段拓寬工程為整個杭金衢高速公路拓寬工程的一部分，也是目前擁堵情況最為嚴重的一段。隧道工程穿過大平崗-馬樓嶺山脈，地形起伏較大，丘陵區頂部高程約273.3m，植被茂盛。隧道圍巖以寒武系炭質頁巖、泥質灰巖、震旦系粉砂巖地層為主，巖體理節裂隙發育，較破碎，質較堅硬～堅硬。地下水主要為基巖裂隙水，主要接受大氣降水補給，水文地質條件較簡單。進出洞口處于沖溝下部，進口段洞頂淺部殘坡積層厚度較大，坡緩，有利于地表水匯集入滲。既有新嶺隧道設計采用雙向四車道的標準設計，左洞長1 413m，右洞長1 432.5m，單洞行車道寬度2×3.75m，單個隧道寬度10.75m，凈高5.0m，隧道軸線走向160°，隧道最大埋深156m，設計行車速度120km/h。新嶺隧道為上、下行獨立分離式隧道，兩隧道軸線間距為41.3m，隧道洞門杭州端為倒削竹式洞門，衢州端為端墻式，于2003年建成通車。

新建新嶺隧道左洞起止樁號為AZK46+580～AZK47+950，長1 370m；右洞起止樁號為AYK46+606～AYK48+065，長1 459m。新建隧道左側進洞口距離原左側隧道最近距離27.29m，出洞口距離原左側隧道最近距離35.62m；新建隧道右側進洞口距離原右側隧道最近距離23.08m，新建隧道右側出洞口距離原右側隧道最近距離28.16m。

工程環境較為復雜，新建隧道右洞進洞口位于新嶺腳村，出口位于宣家塢村附近，該兩處區域民房、地方道路以及電力通訊線路密集；左側洞口位于新嶺腳村附近，處于丘陵斜坡，進洞口處植被茂密，出洞口位于黃老山山腳，該處有地方機耕路，有少量民房，并有電力線橫穿新建隧道設計路線。

杭金衢高速公路新嶺隧道擴建工程，采用現在山嶺隧道主流施工方法即爆破施工，必然會對鄰近既有隧道產生振動影響，如果爆破設計不合理勢必對既有隧道后期正常運營產生巨大損害，甚至破壞。為保證既有隧道穩定與安全，為此，在新建隧道爆破開挖過程中對既有隧道進行監測，通過記錄分析爆破地震波的峰值速度、主頻等參數，研究近距離爆破施工對下方鄰近既有隧道的振動影響。

1 新建隧道爆破方案

為能較好地控制新建隧道對既有高速公路隧道的振動影響，必須確定合理的新建隧道爆破方案。在此僅對隧道圍巖條件稍好且振動影響較大的Ⅳ級圍巖爆破開挖方案進行分析說明，其他不做贅述。

1.1 爆破施工總體設計

采用全斷面開挖法進行隧道施工，爆破開挖利用YT-28型風鉆成孔，人工裝藥，毫秒非電雷管起爆，2#巖石乳化炸藥爆破，每循環2.0m，爆破、清運及安全處理后，及時噴射砼封閉圍巖，制安錨桿，保證爆破圍巖的穩定。

1.2 爆破參數與炮孔布置

采用楔形掏槽，掏槽眼比其他炮眼深0.25m，周邊眼光面爆破，Ⅳ級圍巖炮眼布置見圖1和圖2所示，孔網參數列于表1。

2 爆破振動測試方案

2.1 監測原理與測試方法

山嶺隧道開挖通常采用的是爆破方式，爆破產生的能量會以地震波的方式向外傳播，當傳播遇到建(構)筑物時，建筑物就會隨之產生振動，振動幅值過大時就會造成建(構)筑物的破壞。所以，重要的工程項目采用爆破施工時，必須進行爆破振動監測。

根據新建隧道的爆破斷面位置，初步估計對既有隧道的爆破影響范圍，并在對應斷面邊墻處安設專用的爆破振動測試儀器，一般情況下采用多臺(3～5臺)等間距布置，這樣可以得到襯砌爆破振動運動速度值，同時還可以確定影響范圍。觀測時將儀器調整到采集狀態，起爆時產生的地震波由起爆點向四周傳播，這時在襯砌邊墻上安置的爆破振動儀就會將振動波記錄下來。振動波在傳播時由于地層的濾波作用高頻部分很快就會被吸收掉，低頻部分則會傳播到很遠處。當地震波傳播到襯砌邊墻時，其破壞性最大的是剪切波(也稱橫波或S波)，其振動形式呈水平振動，而縱波由于能量小通常情況下不須考慮。利用記錄到的橫波最大振幅則可計算出爆破引起的振動速度最大值，此值是考慮破壞作用的重要技術指標，根據規范和招投標文件指標進行對比既可分析出其影響作用。在已知裝藥量和爆破距離及多次測試得到的多組振速值的情況下，按照薩道夫斯基公式通過最小二乘法進行回歸分析，可以得到爆破振動影響的大致規律。

圖1 Ⅳ級圍巖炮眼布置(單位:m)

表1 爆破參數設計

部位編號炮眼名稱眼深/m最小抵抗線/m炮眼間距/m眼數/個段別鉆孔角度/°每孔裝藥量/kg段藥量/kg備 注全斷面1#掏槽眼1.9581631.4511.62#掏槽眼2.4103691.919.03#輔助眼2.065901.7510.54#輔助眼2.0166901.7510.55#輔助眼2.00.70.88147901.7524.56#輔助眼2.00.70.84178901.7529.757#輔助眼2.00.70.87199901.7533.258#輔助眼2.00.70.842110901.7536.259#輔助眼2.00.70.861111901.7519.2510#輔助眼2.00.70.861112901.7519.2511#輔助眼2.00.40.841313901.7522.7512#輔助眼2.00.70.841314901.7522.7513#周邊眼2.00.70.462615900.615.614#周邊眼2.00.70.462616900.615.615#輔助眼2.00.830.82117901.7536.7516#輔助眼2.00.830.772118901.7536.7517#底眼2.00.830.812219901.7538.518#輔助眼2.00.70.46820900.64.8總計2736916.151.鉆孔時控制周邊眼外插角3°,底眼下插角4°2.個別炮眼根據炮眼間距適當調整裝藥量3.線裝藥藥長度1.0kg/m,剩余為堵塞長度

說明：Ⅳ級圍巖斷面面積118.6m2，炮眼孔徑40mm，藥卷直徑φ32 mm，每循環進尺2.0 m，采用楔形掏槽，最大單響藥量為36.75 kg，單耗1.7 kg/m3。

圖2 Ⅳ級圍巖掏槽眼布置(單位:cm)

2.2 監測點布設

按照在爆破掌子面對應既有新嶺隧道斷面前后共3～5個斷面進行監測的要求，測振儀布置情況如圖3和圖4。

圖3 TC-4850N無線測振儀系統布設

圖4 測振儀測試位置

參考爆破振動測試方法[1-2]，測點位置的確定需要考慮爆區位置和現場地質地形條件，從地震波的傳播規律可知，離爆源較近的地方，爆破振動普遍較大，因而進行爆破振動測試時，應綜合考慮這幾個方面的因素。

2.3 爆破振動測試參數

我國的《爆破安全規程》GB 6722—2014對該問題未有明確的規定，只限制地表的質點振動速度峰值。為了準確評價工程結構在爆破地震作用下的安全性，振動監測時以水平向爆破振動速度監測為主。

3 爆破振動測試結果及其分析

結合爆破振動理論[3-4]，對測試結果進行分析。由于篇幅有限，在此僅對現場采集的較為典型的數據結果進行分析。3個測點典型波形如圖5～圖7所示，其X、Y、Z三個方向的振動幅值見表2。

圖5 1#測點X方向振速波形

圖6 1#測點Y方向振速波形

圖7 1#測點Z方向振速波形

測點編號水平徑向(x)幅值/(cm·s-1)主頻/Hz水平徑向(y)幅值/(cm·s-1)主頻/Hz垂直向(z)幅值/(cm·s-1)主頻/Hz測點距爆源的距離/m14.232001.522002.5825045.424.142002.682502.4333347.0732.252000.981002.0233347.79

從圖5～圖7和表2中可知，新建隧道爆破施工過程中，X方向即水平垂直于既有隧道軸線方向峰值振動速度最大， 明顯高于水平Y向和豎向Z向，說明爆破開挖施工對既有隧道的穩定性產生的很大影響，同時隨著測點與爆源的距離的增加，峰值振速有減小趨勢，也即說明了新建隧道與既有隧道凈距起到控制作用。但是測點測得的爆破振動速度并未超過允許振動速度值5cm/s，說明此Ⅳ級圍巖條件下，采用上述炮孔布置及爆破設計參數，難滿足施工要求。

5 結論

(1) 在近距離隧道爆破施工時，其振動對已有建筑物的影響是解決問題的關鍵，必須進行科學測試并進行合理的理論分析才能徹底探明。

(2) 測試結果表明，水平垂直于既有隧道軸向的峰值振動速度最大，即正對爆源方向對既有隧道危害最大，對既有隧道的穩定性具有很大影響；隨著測點距爆源距離的增大，峰值振速又減小趨勢，說明新建隧道與既有隧道的凈距對隧道穩定性起到控制性作用

(3) 垂直方向和水平爆破振動速度均小于洞室允許振動速度值5 cm/s，在現有爆破方案及裝藥量條件下，新建隧道的爆破施工對既有隧道的穩定性及正常運營是安全的。

(4) 由于隧道周圍地質條件比較復雜，加上爆破施工的不可重復性，在隧道施工工程中，對洞室振動進行測試應重點關水平徑向，并進一步探討優化爆破參數，確保施工的順利進行。

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杜飛天(1973～)，男，碩士，高級工程師。

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[定稿日期]2014-12-02