自由面與最小抵抗線對爆破振動的影響分析

何 闖， 尹冬梅， 王海亮， 閆鴻浩

0 引言

掏槽爆破的槽腔為后續起爆的其他炮孔提供了第2自由面，后續起爆的其他炮孔自由面數目越多、最小抵抗線越小，受巖石夾制作用越小[1]。因此，需對后續起爆炮孔的單段最大起爆藥量、炮孔間排距等爆破參數進行調整。目前，我國GB 6722—2014《爆破安全規程》[2]中規定的薩道夫斯基公式未考慮自由面與最小抵抗線對爆破振速的影響，導致后續起爆炮孔單段最大允許起爆藥量的理論計算值偏離實際值，因此，亟需對已有理論進行補充。曹孝君[3]、向亮[4]和王仁濤等[5]通過現場監測發現，受自由面條件的影響，不同類型的炮孔爆破引起的振動效應差異較大，其中掏槽孔爆破振動效應最強烈； 劉清泉等[6]、汪傳松等[7]、陳星明等[8]、梁雪松[9]和張建平[10]均指出，隨著自由面個數的增多，爆破振動強度降低； 文獻[11]和文獻[12]均指出，有自由面時爆破產生的振動速度比離自由面較遠的夾制爆破產生的振動速度小； 閆鴻浩等[13]指出，測點與振源的相互位置不同時，即使測點在等距離或等高程上，振速的大小也不同； 張南等[14]經現場試驗發現爆破拋擲反方向產生的爆破地震波對周圍結構危害相對較大； 池恩安等[15]發現自由面越充分，爆破振動的危害效應越低，越有利于結構的安全； 張成良等[16]通過在預裂縫內、外側布置測點，經分析得到地震作用最強烈的地方是最小抵抗線的后方。由目前的研究成果可知，國內外學者側重于研究自由面或最小抵抗線與爆破振速的關系，缺少對自由面、最小抵抗線和爆破振速三者綜合關系的研究。掏槽爆破成腔后，后續起爆炮孔的自由面與最小抵抗線均發生變化。因此，有必要以工作面與槽腔作為自由面確定后續起爆炮孔的最小抵抗線及其方向，對爆破振動規律做進一步的研究。本文以青島地鐵2號線延安路站右線TBM始發導洞近接建筑物爆破施工為背景，通過地表測點同步監測，研究爆破振動、自由面和最小抵抗線三者之間的關系，以期為爆破方案提供一定的指導和參考。

1 工程概況

延安路站右線TBM始發導洞位于車站主體南側、1號風道與車站主體交叉處，沿延安三路敷設，總長30.1 m。導洞主要位于中風化花崗巖和微風化花崗巖帶，局部位于強風化花崗巖下亞帶，圍巖等級為Ⅳ～Ⅴ級，采用上下臺階施工。導洞上覆巖層厚度約為17 m，西南側6.52 m為金獅大酒店(10層)，要求振速控制在1.5 cm/s以內； 東南側28.1 m為172#居民樓，要求振速控制在0.5 cm/s以內。施工現場雷管采用第1系列毫秒延期導爆管雷管，炸藥采用2號巖石乳化炸藥，共布置4個測點，采用TC-4850測振儀監測測點振速。右線始發導洞與金獅大酒店、172#居民樓及測點的位置關系如圖1所示。

2 試驗爆破方案

因上臺階是爆破振動控制的重難點，本文只對上臺階進行研究，共采用3種爆破方案進行了試驗。3種爆破方案的炮孔間距、炮孔個數、起爆網路、雷管段別等爆破參數相同，只對炮孔深度和單孔裝藥量進行調整。上臺階開挖斷面寬7.8 m，高3.9 m，斷面面積23.89 m2，分2次起爆。第1炮爆破掏槽區域A-Ⅰ和掏槽兩側區域A-Ⅱ，A-Ⅰ和A-Ⅱ之間用第20段雷管進行孔外延期； 第2炮爆破拱頂區域B。掏槽區域A-Ⅰ采用多級楔形掏槽。上臺階炮孔布置如圖2所示。3種爆破方案的炮孔個數均為108。

3種爆破方案的上臺階掏槽布置如圖3所示。方案1、2和3的爆破循環進尺分別為1.0、1.8、1.5 m，總裝藥量分別為30.2、44.7、37.9 kg。1)第1種方案： 第1級到第4級掏槽孔單孔裝藥量分別為0.2、0.4、0.4、0.3 kg，A-Ⅱ區域的輔助孔、周邊孔及底板孔單孔裝藥量均為0.3 kg，B區域的輔助孔及周邊孔單孔裝藥量均為0.2 kg； 2)第2種方案： 第1級到第4級掏槽孔單孔裝藥量分別為0.2、0.6、0.6、0.45 kg，A-Ⅱ區域的輔助孔、周邊孔及底板孔單孔裝藥量均為0.45 kg，B區域的輔助孔及周邊孔單孔裝藥量均為0.3 kg； 3)第3種方案： 第1級到第4級掏槽孔單孔裝藥量分別為0.2、0.5、0.5、0.4 kg，A-Ⅱ區域的輔助孔、周邊孔及底板孔單孔裝藥量均為0.4 kg，B區域輔助孔及周邊孔單孔裝藥量均為0.25 kg。

(a) 平面位置關系

圖1右線始發導洞與金獅大酒店、172#居民樓及測點的位置關系(單位： m)

Fig. 1 Relationships among shield launching adit on right line, Jinshi Hotel, residential building #172 and monitoring points(unit： m)

3 爆破振動監測數據分析

在右線TBM始發導洞采用3種不同的爆破方案共進行了6個爆破循環試驗，通過4臺測振儀共獲得16組爆破振動數據，從中選取10組有效的典型數據進行分析。

除尺寸標注外，阿拉伯數字均代表雷管段別。

圖2上臺階炮孔布置(單位： mm)

Fig. 2 Layout of blasting holes on top heading(unit： mm)

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

3.1 爆破數據

利用爆破測振儀的配套軟件Blasting Vibration Analysis分別提取上臺階不同爆破區域的最大爆破振速及其出現時間、出現位置、炮孔深度、自由面個數、最小抵抗線和爆心距等爆破參數。本文中最小抵抗線方向“左右”指的是最小抵抗線指向隧道兩側，首排(列)輔助孔指的是距離輔助孔爆破拋擲自由面最近一排(列)的輔助孔。掏槽區域A-Ⅰ、掏槽兩側區域A-Ⅱ和拱頂區域B的振動參數見表1。

表1 掏槽區域A-Ⅰ、掏槽兩側區域A-Ⅱ和拱頂區域B的振動參數

由表1可知：

1)掏槽區域A-Ⅰ、掏槽兩側區域A-Ⅱ和拱頂區域B的爆破振速峰值分別由第2級掏槽、首列輔助孔和首排輔助孔爆破產生。由分析可知，掏槽區域A-Ⅰ第2級掏槽孔、掏槽兩側區域A-Ⅱ首列輔助孔和拱頂區域B首排輔助孔起爆時，最小抵抗線在同區域內最大。由爆破理論可知，最小抵抗線越小，炸藥爆炸能量釋放得越快，會有越多的能量形成空氣沖擊波，較少的能量轉化為爆破地震波，因此，振動強度越小。

2)爆心距、單段最大起爆藥量等參數相同而自由面個數不同時，2個自由面的平均爆破振速峰值較1個自由面的小。

3)自由面個數相同、最小抵抗線方向不同時，產生的爆破振動峰值不同。

3.2 爆破振速衰減規律擬合與分析

采用最小二乘法對薩道夫斯基公式進行回歸變換，代入表1中的相應數據，得到不同爆破區域的擬合回歸方程。不同爆破區域的振速回歸曲線如圖4所示，回歸參數見表2。

(a) 掏槽區域A-Ⅰ (b) 掏槽兩側區域A-Ⅱ (c) 拱頂區域B

圖4 不同爆破區域的振速回歸曲線

由表2可知：

1)自由面個數不同時，K和α的值也不同。自由面個數增多時，K值和α值均減小，且K值減小的速度快，α值減小的速度慢。

2)自由面個數相同時，由于最小抵抗線方向不同，K和α的值也不同。最小抵抗線方向為左右時，K值和α值較最小抵抗線方向向下的小，而單段最大允許起爆藥量理論計算值較最小抵抗線方向向下的大。

4 右線TBM始發導洞爆破方案優化

4.1 優化方案

上臺階掏槽區域A-Ⅰ、掏槽兩側區域A-Ⅱ及拱頂區域B的場地系數和衰減系數各不相同，單段最大允許起爆藥量理論值分別為2.1、5.3、2.8 kg。對上臺階優化如下：

1)上臺階爆破循環進尺優化為1.8 m，以提高施工效率。結合原爆破方案炮孔利用率，將掏槽孔最大深度優化為2.1 m，輔助孔深度優化為1.9 m。

2)掏槽區域A-Ⅰ是振動控制的關鍵區域。掏槽仍采用多級楔形掏槽，第1級掏槽孔炮孔長度增加至1.21 m，單孔裝藥量調整為0.3 kg，可以為第2級掏槽創造更大的槽腔體積，減小第2級掏槽產生的爆破振速。考慮到掏槽兩側區域A-Ⅱ的最大爆破振速由首列輔助孔產生，增設第5級掏槽，減小首列輔助孔的最小抵抗線。

3)槽腔形成過程中，只有1個自由面，故控制掏槽區域A-Ⅰ第1級掏槽、第2級掏槽和第3級掏槽的單段最大起爆藥量分別為0.6、1.2、1.2 kg； 槽腔形成后，后續起爆的第4級、第5級掏槽孔有2個自由面，變為6孔1段(即6個炮孔使用同一段位的雷管)，單孔裝藥量調整為0.45 kg，單段最大起爆藥量增大至2.7 kg。

4)掏槽兩側區域A-Ⅱ爆破振動易受控制，故減少其比鉆孔數，并將輔助孔減少至2排。

5)拱頂區域B爆破時，存在2個自由面，故減少其比鉆孔數，輔助孔間排距變為0.9～1.1 m。由于拱頂區域B輔助孔最小抵抗線方向豎直向下，爆破振動較掏槽兩側區域A-Ⅱ難控制，故調整拱頂區域單段最大起爆藥量為1.8 kg，其中輔助孔單孔裝藥量為0.45 kg，周邊孔單孔裝藥量為0.3 kg。

優化后上臺階炮孔布置如圖5所示，掏槽孔布置如圖6所示，爆破參數見表3。此時雷管段位充足，沒必要進行分次爆破，故上臺階變為一次起爆。

4.2 優化效果

使用優化后的爆破方案進行8個循環的爆破施工，取得了顯著的經濟技術效果。優化后C2測點典型爆破振動曲線如圖7所示，試驗方案2與優化后爆破方案的經濟技術參數對比見表4。

圖5 優化后上臺階炮孔布置(單位： mm)

圖6 優化后掏槽孔布置(單位： mm)

炮次炮孔名稱雷管段別炮眼數炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kgA第1級掏槽1、3、460．850．300．60第2級掏槽5～9101．900．601．20第3級掏槽10～1382．100．601．20第4級掏槽14～1582．000．451．80第5級掏槽16～1781．900．452．70輔助孔14～17141．900．451．80周邊孔17～20201．900．301．80底眼孔13、14、18、1991．900．451．35合計833．6

下、上臺階一次起爆，1.2 s之前為下臺階爆破振動曲線。

圖7優化后C2測點典型爆破振動曲線

Fig. 7 Typical blasting vibration curves of monitoring point C2 after optimization

表4 試驗方案2與優化后爆破方案的技術經濟參數對比

5 結論與建議

本文以青島地鐵2號線延安路站右線TBM始發導洞近接建筑物爆破施工為背景，對爆破振動與自由面、最小抵抗線的關系進行了研究，并對原爆破方案進行了優化。得出的主要結論與建議如下：

1) 爆破振動受自由面與最小抵抗線的共同影響。在爆心距、單段最大起爆藥量相同而自由面數量不同時，自由面數量越多，位于隧道斜上方的質點振動強度越小； 自由面數量相同而最小抵抗線方向不同時，質點振動強度也不同。質點振動強度與最小抵抗線的大小也有一定的關系，相同條件下，質點振動強度隨最小抵抗線的增大而增大。

2) 自由面個數不同時，場地系數K和衰減系數α也不同。隨著自由面數量的增多，K值和α值均減小，且K值減小的速度快，α值減小的速度慢；自由面數量相同而最小抵抗線方向不同時，K值和α值也不同。不同爆破區域的K值和α值不同，使得不同爆破區域的單段最大允許起爆藥量也不同。因此，在爆破設計時，應根據不同爆破區域的K值和α值分別核算單段最大允許起爆藥量。

本文回歸擬合了不同自由面個數和不同最小抵抗線方向條件下的場地系數K和衰減系數α，但未對最小抵抗線方向相同而大小不同時的場地系數K和衰減系數α進行回歸擬合，只對爆破振動與最小抵抗線的關系做了理論性分析。后期工作可進一步研究最小抵抗線與爆破振動的關系，為優化爆破設計提供參考。

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