隧道爆破振動控制關鍵技術與進展

郝瑞軍　郝永明

摘? 要：為了研究隧道開挖中爆破振動的傳播規律，使振動控制效果降低更加明顯。首先，文章總結了隧道爆破振動速度衰減規律及預測方法，并分析了爆破振動速度的影響因素，然后總結了爆破振動頻率與能量分布規律，最后從爆破振動監測、爆破合理時差、炮孔布置形式和增設減震孔方面總結了隧道爆破振動控制技術。可見，振動速度衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質因子有關;振動頻率與能量分布之間存在密切關系;隧道爆破振動控制只有將現場實時監測、多種有效減振措施相結合才會達到更好的效果。在隧道爆破開挖和結構物保護方面起到了重要的安全指導作用。

關鍵詞：隧道工程;爆破振動控制;振動速度;能量分布;振動監測;研究進展

中圖分類號：U455.6? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）29-0159-04

Abstract： In order to study the attenuation law of blasting vibration in tunnel excavation， the effect of vibration control is reduced more obviously. First of all， this paper summarizes the attenuation law and prediction method of tunnel blasting vibration velocity， analyzes the influence factors of blasting vibration velocity， and then summarizes the law of blasting vibration frequency and energy distribution. Finally， the blasting vibration control technology of tunnel is summarized from the aspects of blasting vibration monitoring： reasonable time difference of blasting， hole layout and adding damping hole. It can be seen that the attenuation of vibration velocity is related to the distance of explosion center， the size of explosion cavity， longitudinal wave velocity and quality factor of rock mass， and there is a close relationship between vibration frequency and energy distribution. Tunnel blasting vibration control can achieve better results only by combining on-site real-time monitoring and a variety of effective vibration reduction measures， thus playing an important safety guiding role in tunnel blasting excavation and structure protection.

Keywords： tunnel engineering; blasting vibration control; vibration velocity; energy distribution; vibration monitoring; research progress

前言

隨著我國公路交通事業飛速發展，隧道爆破施工是隧道建設中十分重要的環節，由于直接關系到隧道能否順利施工[1]。在隧道附近常常會存在一些建筑物或者正在施工的隧道，爆破過程中炸藥產生的沖擊波經過巖層土體傳播至建筑物基礎上，造成地基沉降和建筑物開裂破壞倒塌，引起不必要的人員傷亡和財產損失[2-4]。研究隧道爆破振動控制技術，能夠有效保證周圍結構物的安全，同時可為隧道爆破施工提供一定的參考價值。

從目前國內外研究現狀來看，隧道爆破振動控制技術主要基于現場爆破振動監測數據及相關工程經驗，在隧道爆破振動傳播規律及對周邊建筑物的破壞機理方面研究體系不夠完善，缺乏一定的理論指導，爆破預期的控制精度并不高。例如高文學等分別分析了地表爆破振動速度及振動波傳播規律和哪些因素有關，提出掏槽孔是降低振害的關鍵，并全面監控隧道爆破振動效應[5]。袁紹國等總結了控制爆破需要從爆破體的破碎程度、破壞范圍、坍塌方向和危害作用出發，并介紹了控制爆破的五種不同原理[6]。Crandle研究了爆破振動波的傳播特性以及爆破振動的規律[7]。

通過總結和分析當前的隧道爆破振動控制技術研究成果，本文認為目前隧道爆破振動控制主要不足的地方有以下幾點：（1）隧道爆破振動衰減快慢與哪些爆破參數有

關;（2）各種爆破控制技術怎么樣組合才能達到最佳效果;（3）隧道爆破振動強度的預測。

1 爆破振動傳播規律

研究隧道爆破振動規律是實現有效振動控制的重要前提。一般地，爆破振動與爆心距、高程差、地質條件等有一定的聯系。許多研究人員對爆破振動頻率衰減規律作了深入的探討，研究發現，爆炸腔大小、爆心距以及波在巖體中傳播速度決定了隧道爆破振動頻率的衰減[8-10]。爆破振動規律從能量分布特征的角度分析是一種有效的手段。例如，中國生等[11]、凌同華等[12-13]、石長巖等[14]采用小波包分析技術對不同爆炸參量下產生的爆破振動信號進行小波包能量譜分析，獲得了爆破振動信號不同頻帶的能量分布圖。隧道爆破振動能量分布與爆破孔中藥量多少有關系，當最大段藥量比較少時，爆破振動能量主要分布在中高頻帶附近，而且能量相對分布比較寬，當最大段藥量逐漸增加時，爆破振動能量主要分布在中低頻帶附近，并且能量分布比較集中，由表1所示。

畢衛國等比較了各種擬合公式并討論了爆破振動速度衰減公式的優選，經過各個公式的誤差分析，提出應該解除薩式公式中一次起爆藥量和爆心距的比例關系，采用優化后的指數模擬[15]。呂濤等根據線性回歸法和非線性回歸法提出了求解爆破振動速度衰減公式參數的非線性回歸法[16]。如圖1所示，現場實測數據、線性回歸法擬合的薩道夫斯基公式和非線性回歸法擬合的薩道夫斯基公式的對比分析，由此可知，振幅越大，非線性回歸法得到的公式更加接近實測值。一般地，隧道遠處的圍巖振動規律不適用近處隧道爆破圍巖振動，監測隧道爆破近區圍巖和掌子面附近圍巖的振動規律是隧道鉆爆施工安全的重要保證[17]。肖文芳等[18]、張勤彬等[19]、程康等[20]、趙華兵等[21]分別對爆破振動速度預測方法作了深入研究。由此可見，爆破振動速度在介質中具有一定的傳播規律和可預測性。

通過以上文獻分析，隧道爆破振動速度的衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質因子等有關;分析爆破振動規律可以從能量和振動頻率的關系入手，即振動頻率與能量分布之間存在密切關系。

2 爆破振動控制方法研究

2.1 隧道爆破振動監測

隧道爆破振動監測是為了實時監測某位置處質點的振動響應，分析爆破地震波在介質中能量分布規律，防止和減小爆破振動對周邊結構的破壞[22]。陳慶等利用測試系統中的拾振器1，2，3分別測量振動速度的水平徑向分量Vr、水平切向分量Vτ和垂直分量Vz[23]。于建新等采用TC-4850爆破測振儀監測爆破振動速度，振動傳感器應垂直于隧道豎直方向，平行于隧道軸線方向且垂直于隧道墻壁[24]。婁建武等研究了爆破振動速度、頻率、地基土壤性質等方面對結構物破壞的影響，并提出結構物的安全閾值應取易破壞的部位數據為準[25]。

龔建伍等監測并分析了小凈距隧道中間巖墻在爆破作用下的動力響應[26]。陳連進研究了小凈距隧道中間巖柱在爆破荷載下的動力響應和損傷累計，并擬合了中間巖柱中的地震波衰減公式[27]。林從謀等研究了中間巖柱的損傷效應，并分析了掌子面位置、爆破次數的影響規律[28]。可見，對于小凈距隧道爆破監測并研究中間巖柱墻的振動響應非常關鍵。

2.2 爆破合理的時差

在短進尺的隧道爆破中，振動速度峰值一般出現在掏糟爆破施工，對于低段位，各排炮孔之間應有合理的時差間隔[29]。合理的毫秒延時間隔有利于降低爆破振動響應[30-32]。薛里等采用波動理論分析了爆破振動波疊加減振的條件，并研究了毫秒延時爆破振動波形疊加干擾減振時間間隔時差計算方法[33]。

2.3 炮孔布置形式

薛里等通過增加中心炮孔并優化掏槽方案、藥量和起爆時差，最大程度地減少振動響應，為了減少掏槽挾制和振動作用，在楔形掏槽孔中心增加直眼淺炮孔[34]。王仁濤等采用大直徑中空直眼掏槽和減小單段最大起爆藥量，合理布置炮孔間排距、優化爆破網路，對振動速度進行控制[35]。

2.4 增設減震孔

劉新榮等分別分析了單段裝藥量、布置減震孔和裝藥結構對隧道爆破振動控制的影響[36]。如圖2所示。隧道開挖炮眼布置圖如圖3所示。李立功等在隧道爆破面增加減震孔的數量或者爆破眼的直徑，并利用水壓爆破的優點，結合信息化監測技術手段，達到爆破振動的控制[37]。

總結以上方面，隧道爆破振動控制在現場監測的前提下，將多種爆破減振手段相結合，才能達到減振和降低對結構物的破壞。

3 結束語

（1）總結大量關于隧道爆破振動速度衰減規律的研究成果可以發現，振動速度的衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質因子有關;振動頻率與能量分布之間存在密切關系。

（2）總結大量文獻，隧道爆破施工振動控制只有通過現場實時監測、多種有效減振措施相結合才會達到更好的效果。

參考文獻：

[1]翟淵博.隧道爆破震動對民房的危害及安全評價[D].西安：西安建筑科技大學，2008.

[2]魏海霞.爆破地震波作用下建筑結構的動力響應及安全判據研究[D].濟南：山東科技大學，2010.

[3]侯愛軍.地鐵隧道開挖爆破對地表建筑物的振動影響[J].四川建筑科學研究，2010，36（3）：160-163.

[4]林凡濤.隧道開挖爆破震動對地表建筑物影響[D].北京：北京交通大學，2015.

[5]高文學，顏鵬程，李志星，等.淺埋隧道爆破開挖及其振動效應研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（S2）：787-791.

[6]李付勝.城市隧道掘進爆破數值模擬及震動效應控制研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[7]Crandle FJ.Ground vibration due to blasting and its effect upon structures[J].Journal of the Boston society of civil engineering，1949，36（2）：222-245.

[8]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）：16-23.

[9]盧文波，張樂，周俊汝，等.爆破振動頻率衰減機制和衰減規律的理論分析[J].爆破，2013，30（2）：7-12，17.