淺埋雙洞隧道爆破振動安全技術研究

劉 海 鄧偉民

(中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

1 概述

爆炸是一種極為迅速的能量釋放過程，爆炸能量被利用于工程建設則成為工程爆破，爆破具有多種公害，如爆破振動、爆破飛石和爆破沖擊波等。爆破飛石是因爆破碎塊脫離爆破體飛散到遠處對建筑物、設施及人員造成危害，一般使用合理的爆破參數和防護措施就能避免；爆炸沖擊波則是通過高溫高壓氣體對附近目標產生破壞，影響距離較近；爆破振動傳播區域的特性是具有彈性效應，當爆破振動達到一定強度時，可以破壞建筑物基礎，影響工程本身的安全性和耐久性[1]，是威脅建筑物的主要因素。

巖石是天然產出的具有穩定外形的物質，分為沉積巖、巖漿巖和變質巖，自然界的巖石是各向異性體的地質體，其中存在或多或少的節理裂隙、層理和斷層等軟弱結構面[2]，它們的存在大大阻礙了爆破振動在巖石中的傳播，這就使得巖石的可爆性能存在較大差異，爆破振動的衰減規律因巖石的不同而存在較大差別。

熊沖隧道屬于梧州環城高速工程項目建設隧道之一，為淺理雙洞隧道，采用爆破開挖法進行掘進；距遂址區3.5 km處存在一處斷裂，隧道開挖范圍內存在3處斷層或破碎帶，圍巖節理裂隙發育，熊沖隧道的地質條件使得圍巖爆破性能差，抗擾動的能力弱，容易因爆破而引起安全事故，而破壞隧道建筑物或隧道開挖面。為了提高施工的安全性，對其爆破振動進行監測記錄，研究安全的爆破技術，熊沖隧道地質情況見表1。

表1 熊沖隧道圍巖情況

2 爆破振動的安全標準

2.1 理論基礎

利文斯頓曾于20世紀50年代提出了利文斯頓爆破漏斗理論，它是以能量平衡為準則的巖石爆破破碎的爆破漏斗理論，該理論指出炸藥在巖體內爆破時傳給巖石能量的多少和速度的快慢，取決于巖石性質、炸藥性能、藥包質量、炸藥埋置深度和起爆方式等因素。在巖石性質一定的條件下，爆破能量的多少取決于炸藥質量，爆炸能量的釋放速度與炸藥傳爆的速度密切相關。在距離爆源較遠處，爆炸能量以地震波的形式進行傳播，爆破振動波是爆破能量傳遞的主要方式。其中巖石性質對能量傳遞的相關系數取值見表2。

表2 相關系數(K,α)

國內外學者在工程實踐的基礎上積累了大量的經驗，對爆破振動的研究主要是研究其裝藥量、振速及距離之間的數量關系，通過回歸擬合歸納出其經驗公式。GB 6722—2014爆破安全規程[3]規定了以薩道夫斯基公式為參考，對爆破振動速度和安全距離進行預測，為爆破設計提供理論依據。

依據《爆破安全規程》，計算爆破安全距離采用薩道夫斯基判據公式：

(1)

其中，V為介質質點安全允許振動速度，cm/s；Q為同段起爆的最大藥量，kg；R為爆破安全距離，m；α為地震波衰減系數，與地質條件有關；K為介質性質系數，K與介質性質、爆破方法等有關。

2.2 振動安全判據

建筑物的原材料多為混凝土材料，混凝土塑性特征微弱，不容易塑性變形，受到外力時產生微小變形，建筑物被損壞時，混凝土產生塑性變形，則其內部結構可能已被破壞。隧道爆破開挖時，由炸藥爆炸產生的爆炸地震波引起周圍介質振動，通過圍巖傳給支護構筑物，引起支護的構筑物結構產生彈塑性變形。目前采用爆破振動強度的大小作為建(構)筑物的安全判據[4]。

爆破的振動強度通常有如下三種表示方法，即以加速度、速度、頻率和速度作為質點振動強度的表示參數[5]。在爆破載荷作用下，利用加速度與建筑物破壞之間的相關性，將質點加速度換算為建筑物的爆破地震載荷進行應力分析，因此之前有國家將質點振動加速度作為衡量爆破振動的標準；與其余物理量比較，爆破振動質點速度與爆破地震破壞程度相關性好，目前有部分國家以爆破振動速度作為爆破危害的標準；考慮到介質條件等復雜條件，將振動速度標準精細化，用速度—頻率作為振動強度的標準，更準確的反映建筑物抗震能力，因而我國目前使用速度—頻率作為爆破振動標準，如表3所示。

表3 爆破振動安全允許標準

依據中華人民共和國《爆破安全規程》規定：交通隧道允許的安全振速為V=10 cm/s～20 cm/s，根據現場考查，熊沖隧道圍巖為以 Ⅳ 級,Ⅴ 級圍巖為主，因此該隧道的安全允許振速取8.0 cm/s，地震波衰減系數α=150符合現場情況。

3 熊沖隧道爆破振動監測與分析

3.1 檢測設備

測試設備使用成都中科測控公司(中國科學院成都分院)生產的TC-4850新型爆破測振儀，該儀器使用三維一體傳感探頭接收地震波信號，可以測試出質點的振動速度，振動頻率，用三矢量合成分析軟件Blasting Vibration Analysis(BVA)軟件得到振動速度與時間的波形圖，TC-4850新型爆破測振儀操作簡單、攜帶方便、精確度高，是目前廣泛使用的測振設備。

3.2 爆破振動測試

表4 爆破振動數據表

開挖面圍巖為寒武系上亞群中組(εsh23)砂巖，在距離開挖面不同距離隧道地板處各布置多個監測點，多次測量并記錄其爆破振動速度如表4所示。

在距離隧道開挖面50 m處左右，即是隧道的二襯工作面，為保護好已經凝結好的隧道水泥輪廓，振動速度不能超過其抗震能力，依據GB 6722—2014爆破安全規程的規定，二襯混凝土的安全允許振速為8.0 cm/s，通過對熊沖隧道爆破振動的監測，距離50 m處(二襯工作面)的振動速度為3.87 cm/s，小于其安全抗振標準，說明爆破振動對二襯混凝土無影響。

為分析振速及振動頻率的傳播規律，作出測試數據的關系如圖1所示。

質點頻率與爆心距、彈性空腔半徑、巖體性質和爆破荷載時間特征有關。通過對其爆破地震波的衰減進行對比發現，爆破振速與距離正相關性顯著；熊沖隧道節理裂隙發育，受圍巖性質影響，振動頻率與振動速度存在較差的相關性。

4 結語

本文通過現場測試并結合《爆破安全規程》的規定，分析了熊沖隧道爆破開挖時爆破地震波對二襯結構物的影響及爆破地震波的傳播規律，主要結論如下：1)二襯工作面處的測試數據小于《爆破安全規程》規定的安全允許振速，說明爆破振動對二襯混凝土無影響。2)通過對監測數據的整理分析，爆破振動速度與頻率之間的相關性差，是由于圍巖地質情況復雜，節理裂隙發育，使地震波的傳播受到影響。3)爆破振動對隧道圍巖的持續作用，也是引起隧道及圍巖損傷的因素之一，今后工作中應加強對隧道爆破振動的持續監測。

[1] 羅 憶,盧文波,陳 明,等.爆破振動安全判據研究綜述[J].爆破，2010(27)：15-20.

[2] 宋全杰,李海波,李俊如,等.層理對爆破振動傳播規律的影響[J].巖石力學與工程學報，2012(31)：2105-2106.

[3] GB 6722—2014，爆破安全規程[S].

[4] 唐春海,于亞倫,王建宙.爆破地震動安全判據的初步探討[J].有色金屬，2001(53)：1-4.

[5] 盧文波,張 樂,周俊汝，等.爆破振動頻率衰減機制和衰減[J].爆破，2013(30)：1-6.