淺埋隧道開挖爆破監測及振動效應

李章珍,蘇建遙,董 捷,趙國棟,張 治

(河北建筑工程學院土木工程學院,河北張家口 075000)

淺埋隧道開挖爆破監測及振動效應

李章珍,蘇建遙,董 捷,趙國棟,張 治

(河北建筑工程學院土木工程學院,河北張家口 075000)

以某隧道進口工區淺埋區段隧道開挖爆破工程為依托,采用現場監測技術,開展淺埋隧道開挖爆破振動效應的研究。通過對現場監測數據進行回歸分析,計算出適用于本工程質點振動速度的薩道夫斯基公式,為爆破振動的控制提供依據;對監測數據作傅立葉變換,確定淺埋區段開挖爆破振動的主頻域范圍。結果表明:巖層具有高頻濾波特性,爆破地震波的主頻域隨爆心距的增大逐漸由高頻轉向低頻,具有明顯的衰變特性。

淺埋隧道;爆破振動;現場監測;振動頻率

0 引 言

隧道開挖爆破工程在整個隧道施工中占據重要地位[1-4]。為控制爆破危害,工程上多采用振動監測來了解爆破的振動強度,分析爆破地震對地表建筑物安全的影響程度[5-9]。鐘運秋[10]結合重慶市軌道交通三號線華新街至觀音橋區間隧道工程測試結果,系統地研究了隧道爆破減振問題;楊年華[11]結合開元寺隧道和杭州引水隧洞鉆爆掘進中的爆破振動的測試和分析,從多方面考慮降低爆破振動的影響;劉國華[12]以某新建引水隧洞上穿鐵路隧道為例,著重討論了爆破動荷載作用下鐵路隧道的響應性狀與爆破振動安全評估方法;舒磊等[13]依托云南省鹽津縣白水江三級電站引水隧洞下穿隧道工程,提出了針對不同爆破振動影響因素的改進措施;王祥秋等[14]對復雜淺埋圍巖洞口段動力響應特性進行分析,得出了不同圍巖條件下的時程響應規律;張繼春[15]通過測量掘進爆破引起不同位置處的地表振動速度的波形,研究地表震動特性及其變化規律。

本文以某隧道進口工區淺埋區段隧道開挖爆破工程為背景,采用現場監測技術開展淺埋隧道開挖爆破振動效應的研究。

1 工程概況

某隧道位于河北省張家口市沙嶺子鎮北,采用單洞雙線形式,進口里程為DK172+980,出口里程為DK180+320,全長7 340 m,設計行車速度為250 km·h-1。隧道為單面上坡,最大坡度為20‰。隧道穿越山陵的主脈,山勢陡峭,地形起伏較大,地面海拔高程為674.14~809.82 m,相對高差為80~ 110 m。隧道所處區域地質主要為:上覆第四系上更新統洪坡積層新黃土、黏性土、砂類土、碎石土,侏羅系上統四岔組第一段凝灰巖,中生界侏羅系上統陶北營組第三段凝灰巖。

此次開挖爆破采用三臺階開挖法,巖質類型以全分化凝灰巖為主。由于埋深較淺且隧道進口工區靠近張家口市區,故需通過現場監測來確定開挖爆破產生的影響。

2 隧道淺埋區段爆破振動監測

2.1 監測方案

本次監測采用中國科學院成都測控研究所生產的TC-4850和TC-4850N高精度爆破測振儀,每臺測振儀有3個通道,配置可同時采集X、Y、Z三個方向爆破振動速度的三軸向振動速度傳感器。

本次監測重點為下臺階開挖爆破。在保證設備安全的前提下,將傳感器固定在隧道邊墻2 m高位置處,各傳感器與下臺階爆破點的距離分別設定為15、20、25、30 m,振動測點布置在一條直線上,如圖1所示。

圖1 爆破振動測點布置

在現場布置傳感器時,首先用電鉆在襯砌上打膨脹螺絲孔,用膨脹螺絲和不銹鋼夾片將傳感器固定在襯砌上,保證傳感器可隨襯砌同時振動。

施工采用三臺階爆破方案。下臺階單孔藥量約7節,24個孔,孔間距35~40 cm不等;最大段裝藥量為21 kg,采用毫秒導爆雷管延時起爆,炸藥類型為2號巖石乳化炸藥。

2.2 監測數據分析

整理監測數據,結果見表1。

表1 振動速度監測結果

2.2.1 爆破振動速度

監測結果顯示,測點1(距爆心15 m)處徑向(X)振動速度最大,其他監測位置處最大振動速度均小于3.38 cm·s-1。對監測數據進行處理,獲得典型實測速度時程曲線,如圖2所示。

目前關于爆破振動強度的預測,國內外比較公認的是薩道夫斯基經驗公式[16-20],且中國己將薩道夫斯基公式編入《爆破安全規程》(GB 6722—2014)。薩道夫斯基經驗公式為式中:R為爆破振動安全允許距離(m);Q為炸藥量(kg),齊發爆破為總藥量,延時爆破為最大單段藥量;V為保護對象所在地安全允許質點振速(cm·s-1);K、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數,應通過現場試驗確定,在無試驗數據的條件下,可參考《爆破安全規程》(GB 6722—2014)取值。

圖2 典型實測速度時程曲線

通過比較發現,徑向(X)振動速度比其他方向的大,故選擇徑向(X)振動速度作為評價指標。通過對現場振動測試數據進行回歸計算,得出此隧道凝灰巖地層的薩道夫斯基公式中的K=70.3、α= 1.94。

2.2.2 爆破振動主頻率

對振動速度監測數據進行傅立葉變換可得到爆破振動頻譜曲線。故本文選取監測點振動速度較大的徑向(X)監測數據進行傅立葉變換,得到該方向的爆破振動頻譜曲線如圖3所示。

從圖3可以發現:爆破振動主頻率隨距離的增大逐漸轉向低頻,即主頻域由10~180 Hz縮減為10~115 Hz,說明巖層地質存在高頻濾波特性;且隨著爆心距增大,高頻成分衰減較快,低頻成分衰減較慢,爆破振動頻譜曲線整體偏向低頻區域。因此,爆破振動主頻域分布范圍為10~115 Hz,開挖爆破之前應提前做好自振頻率處于該區間的建(構)筑物保護措施。通過頻譜曲線還可發現,爆破地震波的衰減并非遵循嚴格意義上的衰減規律,個別檢測點波動較大,因此爆破地震波的衰減過程仍需進一步研究。

圖3 爆破振動頻譜曲線

3 結 語

(1)監測過程中,振動速度最大值為3.38 cm·s-1,數值較小;且通過調研發現,開挖爆破未對周圍建(構)筑物及新建隧道初襯造成明顯影響。

(2)對現場監測數據進行線性回歸分析,求得K=70.3、α=1.94,得出適用于某隧道凝灰巖地層的爆破振動速度薩道夫斯基公式,為今后施工過程中開挖爆破的控制提供理論基礎。

(3)對振動速度監測數據進行傅立葉變換,得到各測點的頻譜曲線。經過分析得出爆破振動主頻域分布范圍為10~115 Hz,開挖爆破之前應做好自振頻率處于該區間的建(構)筑物的保護措施。

(4)通過監測數據發現,爆破地震波的衰減并非遵循嚴格意義上的衰減規律,個別檢測點波動較大,因此爆破地震波的衰減過程仍需進一步研究。

[1] 陳 貴,高文學,劉 冬,等.淺埋隧道開挖爆破震動監測與控制技術[J].現代隧道技術,2014(5):193-198.

[2] 馬建軍,程良奎,蔡路軍.爆破應力波的傳播及其遠區破壞效應研究現狀述評[J].爆破,2005,22(2):17-21.

[3] 孫 冰,袁 登,曾 晟,等.爆炸應力波在層狀節理巖體中的傳播規律試驗研究[J].中國安全生產科學技術,2015,11 (11):118-123.

[4] 孟海利,郭 峰.爆破地震波主頻率的試驗研究[J].鐵道工程學報,2009,26(11):82-93.

[5] 魏曉林.爆破震動對鄰近建筑物的危害影響[J].爆破,1998, 15(1):48-54.

[6] 張世雄,胡建華,陽生權,等.地下工程爆破振動監測與分析[J].爆破,2001,18(2):49-52.

[7] 方俊波,崔天麟.淺埋地鐵區間爆破振動對地表建筑物的影響[J].世界隧道,2000(5):28-31.

[8] 霍永基.建筑結構爆破振動效應及安全分析研究[J].爆破, 2003,20(1):1-6.

[9] 易長平,馮 林,王 剛,等.爆破振動預測研究綜述[J].現代礦業,2011(5):1-5.

[10] 鐘運秋.隧道爆破減震技術措施研究[J].西部交通科技, 2014,30(1):46-48.

[11] 楊年華,張志毅.隧道爆破振動控制技術研究[J].鐵道工程學報,2010,27(1):82-86.

[12] 劉國華,王振宇.爆破荷載作用下隧道的動態響應與抗爆分析[J].浙江大學學報:工學版,2004,38(2):204-209.

[13] 舒 磊,仇文革,龔 倫.下穿隧道爆破施工對既有隧道的振動影響及對策研究[J].鐵道標準設計,2013(7):70-74,77.

[14] 王祥秋,楊林德,高文華.復雜圍巖隧道洞口段動力響應特性分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(24):4461-4465.

[15] 張繼春,曹孝君,鄭爽英,等.淺埋隧道掘進爆破的地表震動效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(22):4158-4163.

[16] 于建新,陳衛忠,楊建平,等.上下交叉隧道爆破振動控制技術研究[J].巖土力學,2014,35(2):446-452.

[17] 王林臺.隧道爆破震動對臨近既有隧道的影響分析[D].重慶:重慶交通大學,2013.

[18] 胡廣利,姚紅志,史寶童,等.隧道下穿密集居民區減震沉降控制技術研究[J].公路,2013(6):277-283.

[19] 徐茂輝.爆破震動對民宅影響的鑒定分析[J].中華建設,2012 (8):214-215.

[20] 周俊汝,盧文波,張 樂,等.爆破地震波傳播過程的振動頻率衰減規律研究[J].巖石力學與工程學報,2014,33(11):2171-2178.

[責任編輯:杜敏浩]

Blasting Monitoring and Vibration Effect of Shallow Buried Tunnel Excavation

LI Zhang-zhen,SU Jian-yao,DONG Jie,ZHAO Guo-dong,ZHANG Zhi
(School of Civil Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,Heibei,China)

Based on the excavation and blasting project of a shallow buried tunnel,the research on the vibration effect caused by the excavation and blasting was carried out through field monitoring technology.Based on the regression analysis of the on-site monitoring data,the Sadovsky formula suitable for the vibration velocity of the project was calculated,which provides the basis for the control of blasting vibration.The Fourier transform of the monitoring data was used to determine the frequency range of the blasting vibration of the shallow buried section.The results show that the strata possess the characteristics of high frequency filter;the main frequency domain of the blasting seismic wave is gradually changed from high frequency to low frequency,and has obvious decay characteristics.

shallow buried tunnel;blasting vibration;field monitoring;vibration frequency

U455.41

B

1000-033X(2017)07-0115-04

2016-12-06

李章珍(1964-),男,河北張家口人,教授,研究方向為道路橋梁與隧道工程。