爆破動載荷作用下支護結構的動態安全距離研究

李懷賓 趙興東 趙一凡 李洋洋

(東北大學井巷與地壓控制研究中心，遼寧 沈陽 110819)

隨著當前經濟的發展和各種工程建設的需要，由于鉆爆技術的強適應和低成本性，被廣泛應用于隧道掘進、礦山開采、地下洞庫的開挖等工程領域。但是，鉆爆引起的動載荷以應力波的形式向四周傳播，對爆源周圍的各種結構均產生不同程度的影響，有時候會導致支護結構的破壞，甚至引發巖爆的發生[1-3]。因此，地下工程的掘進爆破中產生的地震波引起圍巖和支護結構的振動，這是導致施工不安全的重要因素。近年來對爆破振動的研究發展較快，左雙英等[4]用數值模擬方法，研究了隧道爆破掘進中質點振動衰減規律以及圍巖動力損傷特性；楊國梁等[5]利用現場爆破測試對周期性爆破振動下圍巖的損傷累積效應進行了研究；杜漢清[6]在酉酬水電站進行現場爆破試驗，對爆破振動的速度衰減規律進行研究；馬淑娜等[7]采用數值模擬的方法，分析了大型洞庫開挖爆破振動對混凝土襯砌的影響。爆破引起巖體及支護結構的破壞是一個復雜的過程，與復雜的地質條件、爆破方式的選擇、地下空間效應等因素有關，即使在同一地區，也會發生很大的變化，因此，爆破振動引起的速度場一直沒有一個特定的解析解。本項目在現場監測的基礎上，對地下洞庫掘進過程中的爆破振動速度衰減規律進行研究，最后給出地下洞庫支護工程的動態安全距離。

1 工程背景

錦州地下水封儲油洞庫位于中國東北地區遼寧省，地貌單元屬于剝蝕丘陵，海拔高程12.70～42.83 m，設計庫容300萬m3，建造4組洞罐(每組洞罐由2條斷面、長度相同的儲油洞室通過連接巷道相連接而構成)。其中每條儲油洞室長度均為934 m，斷面跨度和高度分別為19 m和24 m，設計凈斷面面積為436.1 m2。3北洞罐為本次重點研究區域，洞罐圍巖主要為天橋單元(K1T)中粗粒花崗巖，中間穿插輝綠巖、角閃閃長玢巖、細晶石等巖脈，以Ⅱ級為主，圍巖總體質量較好。工程場區沒有活斷層和區域斷層分布，野外實地核查發現在場區附近有斷層出露地表，但斷層均沒有在第四系被錯斷的跡象，說明這些斷層在第四紀以來沒有明顯的活動。斷層構造及其活動對洞庫影響較小。地下儲油洞庫三維模型見圖1。

圖1 地下儲油洞庫三維模型

由于儲油洞罐工程的特殊性，必須保證施工后支護的效果，防治石油的泄露，對3北掘進爆破過程中產生的爆破振動強度進行了監測，確定最優的支護工程安全距離。

2 爆破振動監測方案

為研究3北洞罐掘進爆破過程中產生的爆破振動對支護工程的影響，在3北洞罐布置4個測點進行監測，測點等間距布置在洞罐側壁(間距20 m)，距離底板約1.5 m。由于地下洞庫的空間限制，爆破測試點一般距離掌子面約為100～250 m，1#測點距離工作面100 m，現場布置如圖2所示。采用MiniMate Plus爆破振動儀進行振動信號采集(如圖3)，該儀器有2個三向(縱、橫、豎)標準振動速度傳感器，三向振動傳感器方向設置為：X方向平行巷道且垂直工作面，Y方向垂直巷道且平行工作面，Z方向垂直巷道側壁。為了防止傳感器固定不牢引起測試結果誤差，采用“T”型鋼支架固定在巷道側壁上，確保外力作用下不會有任何晃動，然后將傳感器固定在“T”型鋼支架上(如圖4)。洞罐掘進日進尺約7 m，為了達到良好的監測效果，隨著洞罐的不斷掘進，把洞罐劃分為前段、中段和末端3段(每段為洞罐總長度的1/3)，相應的測點位置也隨著洞罐的掘進而前移，約循環8個日進尺，傳感器重新布置一次，如此，可以保證因距離太遠而監測不到信號，確保監測數據的有效性。

圖2 測點布置示意圖

圖3 MiniMate Plus爆破地震儀

圖4 傳感器安裝

3 現場測試結果分析

洞罐掘進采用正臺階分3層開挖爆破的施工方式，其中拱頂層由于自由面少、受到圍巖夾制作用大，因此采用橫向分塊、水平孔槽爆破的施工方案。拱頂層以下各層多采用光面爆破或垂直深孔預裂爆破來施工，等爆心距處一次起爆藥量越大，質點振動速度就越大，反之越小，而爆破總藥量對振動速度的影響較小，故計算中取最大段藥量。本次爆破雷管總共有7段，裝藥量最大段為第5段，最大藥量為110 kg，根據統計表明，采用爆破振動加速度、振幅等進行線性回歸離散程度大，所以，本研究采用質點振動速度作為安全振動的控制標準。

根據監測的數據，利用薩道夫斯基經驗公式，對質點振動合速度PPV進行回歸分析。并結合最小二乘法，計算k、α值，得出洞罐前段、中段和末端的相應速度衰減經驗公式。

(1)

(2)

(3)

式中，v為振速，m/s；Q為最大一段起爆藥量，kg；R為測點與爆源中心的距離，m。

以上表明：洞罐前段衰減速率最快，中段次之，末端衰減最慢。這是因為，洞庫前段作業時，地震波來回傳播路程短，且未開挖巖體吸收部分地震波從而導致振速衰減最快。洞庫末端與此情況正好相反，地震波來回傳播路線長，洞庫空區空間大，導致地震波在洞庫中來回震蕩，因此衰減速率最慢。

4 支護結構安全距離確定

目前，大多數國家采用質點振動速度作為衡量爆破振動強度的指標，我國最新版《爆破安全規程》(GB 6722—2014)針對交通隧道和水工隧道等的規定如表1。地下儲油庫工程使用了大量混凝土支護，對爆破振動強度控制十分嚴格。依據表1給出的新澆筑大體積混凝土的安全允許振動標準，對于0～3 d情況，振動速度允許值為2～3 cm/s，考慮到地下儲油洞庫工程的特殊性，綜合考慮后，對于3北洞罐新澆筑大體積混凝土保證振動安全的速度不大于2 cm/s。

表1 爆破振動安全判據

當保證振動安全的速度取2 cm/s時，利用式(1)、式(2)和式(3)可以得出最大段藥量Q與安全距離R的關系，如圖5所示。3北洞罐在掘進過程中，最大單響藥量為110 kg，由此，可以得出洞罐支護工程的安全距離，洞罐前段安全距離為70 m，中段安全距離為140 m，末端安全距離為220 m。

圖5 安全距離與最大藥量關系

5 結 論

通過對錦州地下洞庫3北洞罐掘進爆破振動的監測。充分考慮空間效應對洞罐爆破振動的影響，把洞罐的監測分成3段：洞罐前段、中段和末端，整合監測數據，利用薩道夫斯基經驗公式，對質點振動合速度PPV進行回歸分析，并結合最小二乘法，求出各段的振動速度衰減規律。結果表明：洞罐前段衰減速率最快，中段次之，末端衰減最慢。并根據新澆筑混凝土允許的安全振動速度，確定3北洞罐的前段安全距離為70 m，中段安全距離為140 m，末端安全距離為220 m。基于此，可以對后期的施工進行指導，確保施工安全，保證洞庫圍巖的穩定性。

[1] 楊年華.爆破振動理論與測控技術[M].北京，中國鐵道出版社，2014:177-178.

Yang Nianhua.Blasting Vibration Theory and Measurement and Control Technology[M].Beijing：China Railway Press,2014:177-178.

[2] 李慶文，喬 蘭，陳 璐.基于精確爆破載荷分析的安全距離判據[J].工程力學，2015，32(10)：123-129.

Li Qingwen,Qiao Lan,Chen Lu.Based on the accurate blasting loading to estimate the safety criterion[J].Engineering Mechanics,2015,32(10):123-129.

[3] 李 鵬，盧文波，陳 明.爆破振動全歷程預測及主動控制研究進展[J].力學進展，2011，41(5)：537-546.

Li Peng,Lu Wenbo,Chen Ming.The progress of the whole process prediction and control of blasting vibration[J].Advances in Mechanics,2011,41(5):537-546.

[4] 左雙英，肖 明，續建科，等.隧道爆破開挖圍巖動力損傷效應數值模擬[J].巖土力學，2011,32(10)：3171-3177.

Zuo Shuangying，Xiao Ming，Xu Jianke，et al．Numerical simulation of dynamic damage effect of surrounding rocks for tunnels by blasting excavation[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(10):3171-3177．

[5] 楊國梁,楊仁樹,車玉龍.周期性爆破振動下圍巖的損傷累積效應[J].煤炭學報,2013,38(S1):25-29.

Yang Guoliang,Yang Renshu,Che Yulong.Damage accumulative effect of surrounding rock under periodic blasting vibration[J].Journal of China Coal Society,2013,38(S1):25-29.

[6] 杜漢清.爆破振動衰減規律的現場試驗研究[J].爆破，2007(3)：107-109.

Du Hanqing.Experimentally study on the attenuation law of blasting vibration[J].Blasting,2007(3):107-109.

[7] 馬淑娜,劉新宇,王 丹.大型洞庫開挖爆破振動對混凝土襯砌的影響分析[J].工程爆破,2008(1):8-12.

Ma Shuna,Liu Xinyu,Wang Dan.Analysis of blasting vibration effect on concrete liner in excavation of the large-scale tunnel[J].Engineering Blasting,2008(1):8-12.