隧道爆破振動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)與進(jìn)展

郝瑞軍　郝永明

摘? 要：為了研究隧道開(kāi)挖中爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律，使振動(dòng)控制效果降低更加明顯。首先，文章總結(jié)了隧道爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律及預(yù)測(cè)方法，并分析了爆破振動(dòng)速度的影響因素，然后總結(jié)了爆破振動(dòng)頻率與能量分布規(guī)律，最后從爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)、爆破合理時(shí)差、炮孔布置形式和增設(shè)減震孔方面總結(jié)了隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)。可見(jiàn)，振動(dòng)速度衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質(zhì)因子有關(guān);振動(dòng)頻率與能量分布之間存在密切關(guān)系;隧道爆破振動(dòng)控制只有將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、多種有效減振措施相結(jié)合才會(huì)達(dá)到更好的效果。在隧道爆破開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)物保護(hù)方面起到了重要的安全指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：隧道工程;爆破振動(dòng)控制;振動(dòng)速度;能量分布;振動(dòng)監(jiān)測(cè);研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.6? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：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(guó)公路交通事業(yè)飛速發(fā)展，隧道爆破施工是隧道建設(shè)中十分重要的環(huán)節(jié)，由于直接關(guān)系到隧道能否順利施工[1]。在隧道附近常常會(huì)存在一些建筑物或者正在施工的隧道，爆破過(guò)程中炸藥產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過(guò)巖層土體傳播至建筑物基礎(chǔ)上，造成地基沉降和建筑物開(kāi)裂破壞倒塌，引起不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2-4]。研究隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)，能夠有效保證周?chē)Y(jié)構(gòu)物的安全，同時(shí)可為隧道爆破施工提供一定的參考價(jià)值。

從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)主要基于現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在隧道爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及對(duì)周邊建筑物的破壞機(jī)理方面研究體系不夠完善，缺乏一定的理論指導(dǎo)，爆破預(yù)期的控制精度并不高。例如高文學(xué)等分別分析了地表爆破振動(dòng)速度及振動(dòng)波傳播規(guī)律和哪些因素有關(guān)，提出掏槽孔是降低振害的關(guān)鍵，并全面監(jiān)控隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)[5]。袁紹國(guó)等總結(jié)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(fā)，并介紹了控制爆破的五種不同原理[6]。Crandle研究了爆破振動(dòng)波的傳播特性以及爆破振動(dòng)的規(guī)律[7]。

通過(guò)總結(jié)和分析當(dāng)前的隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)研究成果，本文認(rèn)為目前隧道爆破振動(dòng)控制主要不足的地方有以下幾點(diǎn)：（1）隧道爆破振動(dòng)衰減快慢與哪些爆破參數(shù)有

關(guān);（2）各種爆破控制技術(shù)怎么樣組合才能達(dá)到最佳效果;（3）隧道爆破振動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。

1 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律

研究隧道爆破振動(dòng)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)有效振動(dòng)控制的重要前提。一般地，爆破振動(dòng)與爆心距、高程差、地質(zhì)條件等有一定的聯(lián)系。許多研究人員對(duì)爆破振動(dòng)頻率衰減規(guī)律作了深入的探討，研究發(fā)現(xiàn)，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(dòng)頻率的衰減[8-10]。爆破振動(dòng)規(guī)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(guó)生等[11]、凌同華等[12-13]、石長(zhǎng)巖等[14]采用小波包分析技術(shù)對(duì)不同爆炸參量下產(chǎn)生的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包能量譜分析，獲得了爆破振動(dòng)信號(hào)不同頻帶的能量分布圖。隧道爆破振動(dòng)能量分布與爆破孔中藥量多少有關(guān)系，當(dāng)最大段藥量比較少時(shí)，爆破振動(dòng)能量主要分布在中高頻帶附近，而且能量相對(duì)分布比較寬，當(dāng)最大段藥量逐漸增加時(shí)，爆破振動(dòng)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(wèi)國(guó)等比較了各種擬合公式并討論了爆破振動(dòng)速度衰減公式的優(yōu)選，經(jīng)過(guò)各個(gè)公式的誤差分析，提出應(yīng)該解除薩式公式中一次起爆藥量和爆心距的比例關(guān)系，采用優(yōu)化后的指數(shù)模擬[15]。呂濤等根據(jù)線(xiàn)性回歸法和非線(xiàn)性回歸法提出了求解爆破振動(dòng)速度衰減公式參數(shù)的非線(xiàn)性回歸法[16]。如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、線(xiàn)性回歸法擬合的薩道夫斯基公式和非線(xiàn)性回歸法擬合的薩道夫斯基公式的對(duì)比分析，由此可知，振幅越大，非線(xiàn)性回歸法得到的公式更加接近實(shí)測(cè)值。一般地，隧道遠(yuǎn)處的圍巖振動(dòng)規(guī)律不適用近處隧道爆破圍巖振動(dòng)，監(jiān)測(cè)隧道爆破近區(qū)圍巖和掌子面附近圍巖的振動(dòng)規(guī)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(duì)爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)方法作了深入研究。由此可見(jiàn)，爆破振動(dòng)速度在介質(zhì)中具有一定的傳播規(guī)律和可預(yù)測(cè)性。

通過(guò)以上文獻(xiàn)分析，隧道爆破振動(dòng)速度的衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質(zhì)因子等有關(guān);分析爆破振動(dòng)規(guī)律可以從能量和振動(dòng)頻率的關(guān)系入手，即振動(dòng)頻率與能量分布之間存在密切關(guān)系。

2 爆破振動(dòng)控制方法研究

2.1 隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)是為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某位置處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，分析爆破地震波在介質(zhì)中能量分布規(guī)律，防止和減小爆破振動(dòng)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的破壞[22]。陳慶等利用測(cè)試系統(tǒng)中的拾振器1，2，3分別測(cè)量振動(dòng)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(cè)振儀監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)速度，振動(dòng)傳感器應(yīng)垂直于隧道豎直方向，平行于隧道軸線(xiàn)方向且垂直于隧道墻壁[24]。婁建武等研究了爆破振動(dòng)速度、頻率、地基土壤性質(zhì)等方面對(duì)結(jié)構(gòu)物破壞的影響，并提出結(jié)構(gòu)物的安全閾值應(yīng)取易破壞的部位數(shù)據(jù)為準(zhǔn)[25]。

龔建伍等監(jiān)測(cè)并分析了小凈距隧道中間巖墻在爆破作用下的動(dòng)力響應(yīng)[26]。陳連進(jìn)研究了小凈距隧道中間巖柱在爆破荷載下的動(dòng)力響應(yīng)和損傷累計(jì)，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(yīng)，并分析了掌子面位置、爆破次數(shù)的影響規(guī)律[28]。可見(jiàn)，對(duì)于小凈距隧道爆破監(jiān)測(cè)并研究中間巖柱墻的振動(dòng)響應(yīng)非常關(guān)鍵。

2.2 爆破合理的時(shí)差

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

2.3 炮孔布置形式

薛里等通過(guò)增加中心炮孔并優(yōu)化掏槽方案、藥量和起爆時(shí)差，最大程度地減少振動(dòng)響應(yīng)，為了減少掏槽挾制和振動(dòng)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(yōu)化爆破網(wǎng)路，對(duì)振動(dòng)速度進(jìn)行控制[35]。

2.4 增設(shè)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(jié)構(gòu)對(duì)隧道爆破振動(dòng)控制的影響[36]。如圖2所示。隧道開(kāi)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(shù)量或者爆破眼的直徑，并利用水壓爆破的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，達(dá)到爆破振動(dòng)的控制[37]。

總結(jié)以上方面，隧道爆破振動(dòng)控制在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的前提下，將多種爆破減振手段相結(jié)合，才能達(dá)到減振和降低對(duì)結(jié)構(gòu)物的破壞。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）總結(jié)大量關(guān)于隧道爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)速度的衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質(zhì)因子有關(guān);振動(dòng)頻率與能量分布之間存在密切關(guān)系。

（2）總結(jié)大量文獻(xiàn)，隧道爆破施工振動(dòng)控制只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、多種有效減振措施相結(jié)合才會(huì)達(dá)到更好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟淵博.隧道爆破震動(dòng)對(duì)民房的危害及安全評(píng)價(jià)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.

[2]魏海霞.爆破地震波作用下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及安全判據(jù)研究[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2010.

[3]侯?lèi)?ài)軍.地鐵隧道開(kāi)挖爆破對(duì)地表建筑物的振動(dòng)影響[J].四川建筑科學(xué)研究，2010，36（3）：160-163.

[4]林凡濤.隧道開(kāi)挖爆破震動(dòng)對(duì)地表建筑物影響[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[5]高文學(xué)，顏鵬程，李志星，等.淺埋隧道爆破開(kāi)挖及其振動(dòng)效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（S2）：787-791.

[6]李付勝.城市隧道掘進(jìn)爆破數(shù)值模擬及震動(dòng)效應(yīng)控制研究[D].重慶：重慶大學(xué)，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(lè)，等.爆破地震波傳播過(guò)程的振動(dòng)頻率衰減規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（11）：16-23.

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