基于薩道夫斯基公式分段修正的隧道爆破振動(dòng)研究

徐言

（中交一公局集團(tuán)有限公司，北京100024）

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路、高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也迎來(lái)了快速的發(fā)展時(shí)期。隧道掘進(jìn)工程因地層條件和巖石性質(zhì)等復(fù)雜因素的影響，往往是高速鐵路工程施工的關(guān)鍵性控制工程，其施工質(zhì)量與施工進(jìn)度情況嚴(yán)重制約著整個(gè)工程施工過(guò)程。在我國(guó)，大約有95%的山嶺隧道開(kāi)挖采用鉆爆法進(jìn)行施工[1]。在隧道掌子面進(jìn)行鉆孔、安放炸藥而后爆破開(kāi)挖的整個(gè)施工過(guò)程中，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量除了用于目標(biāo)巖體開(kāi)挖外，剩余的能量還會(huì)以振動(dòng)波的形式向外傳播，產(chǎn)生爆破振動(dòng)災(zāi)害[2]。爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波會(huì)隨著距離爆破位置的不斷增加而逐漸減小，從最初的爆炸沖擊波衰減為應(yīng)力波進(jìn)而衰減為彈性振動(dòng)波，圍巖體也在爆破沖擊波、應(yīng)力波和振動(dòng)波的作用下產(chǎn)生圍巖壓碎帶、裂隙帶以及彈性振動(dòng)帶。圍巖壓碎與裂隙帶構(gòu)成開(kāi)挖巖體，振動(dòng)波則形成了一個(gè)有一定影響范圍的爆破振動(dòng)場(chǎng)[3]。若該場(chǎng)內(nèi)存在一些構(gòu)筑物，如民房、電塔等，爆破振動(dòng)波作用在構(gòu)筑物的基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)上，造成構(gòu)筑物振動(dòng)、損傷乃至破壞[4]。如何衡量爆破振動(dòng)產(chǎn)生的影響及范圍一直是工程爆破領(lǐng)域重要的研究方向之一。運(yùn)用爆破振動(dòng)波誘發(fā)的振動(dòng)場(chǎng)內(nèi)既有構(gòu)筑物節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度或加速度作為爆破設(shè)計(jì)與施工安全的判據(jù)，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者在大量工程爆破和長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上取得的共識(shí)[5]。但是，如何計(jì)算爆破振動(dòng)速度，不同國(guó)家根據(jù)自身的試驗(yàn)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式形式不盡相同。

式中: K、α 分別為與工程爆破參數(shù)、巖石條件等有關(guān)的系數(shù)；Q為毫秒延時(shí)爆破中最大段裝藥量（kg）；R 為爆心距（m）；V 為監(jiān)測(cè)的峰值振動(dòng)速度（cm/s）。通過(guò)上述公式可以看出，薩道夫斯基公式中各項(xiàng)參數(shù)的物理意義明確，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用起來(lái)也較為方便，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)與峰值振動(dòng)速度的獲取可為爆破設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，因此，該方法至今仍是各種工程爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化重要依據(jù)。眾所周知，工程爆破是炸藥在化學(xué)反應(yīng)后作用在巖體上的一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，且施工過(guò)程中隧道的地層條件和圍巖等級(jí)也是在不斷變化的，而薩氏公式中僅考慮了裝藥量、爆心距離等主要參數(shù)，圍巖條件、地形參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等參數(shù)都未能加以考慮，爆破振動(dòng)速度與這些參數(shù)和條件之間存在著極其復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此就會(huì)導(dǎo)致采用薩道夫斯基公式進(jìn)行振動(dòng)速度擬合過(guò)程中出現(xiàn)擬合精度不夠等問(wèn)題。基于上述分析，本文將針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本文針對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行分段線性擬合研究，使其擬合精度更高，為隧道工程爆破振動(dòng)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

2 工程背景與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 工程概況。三棱山隧道是京沈客專線路上重要的隧道工程，隧道位于遼寧省阜新市阜新蒙古自治縣紫都臺(tái)鄉(xiāng)南部。隧道全長(zhǎng)8888m，最深處的最大埋深為217.56m，隧道為雙向高鐵線路隧道，隧道斷面大，地層條件差，現(xiàn)場(chǎng)爆破施工需盡量控制爆破振動(dòng)影響。

2.2 隧道爆破方案。隧道采用鉆爆法進(jìn)行施工，爆破炸藥為2 號(hào)巖石乳化炸藥，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1 所示。爆破采用常規(guī)的爆破孔布置方式，即布置有掏槽孔、輔助孔、崩落孔、周邊孔、底孔等爆破孔。其中，掏槽孔位于掌子面中下位置，采用楔形掏槽的方式進(jìn)行布置。爆破孔間距大多為在0.5-0.7m，鉆孔深度為3.0m，具體的爆破分段如圖1 所示。采用預(yù)裂爆破以確保爆破質(zhì)量和控制圍巖損傷，因此周邊孔（MS11）和拱頂孔（MS13）采用間隔裝藥，其余爆破孔采用不耦合裝藥，裝藥長(zhǎng)度為2.5m。各段間采用毫秒延時(shí)的爆破方式進(jìn)行，分段時(shí)間間隔如表2 所示。

表1 爆破參數(shù)

圖1 爆破孔位置及分段情況示意圖

表2 分段爆破的時(shí)間間隔

2.3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為了更好的研究爆破振動(dòng)波的傳播規(guī)律和其衰減規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)在爆破過(guò)程同步采用U-Box振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)儀器對(duì)隧道爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了提高監(jiān)測(cè)效率，采用2-3 臺(tái)U-Box振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)儀按一定的距離線性布置同時(shí)對(duì)隧道章子面爆破振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器及傳感器布置方式見(jiàn)圖2 所示。

圖2 U-Box 儀器及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置圖

3 分段線性擬合修正的薩氏公式

通過(guò)大量監(jiān)測(cè)，共選取了隧道內(nèi)及隧道外山體上20 個(gè)距離章子面不同位置的爆破距離進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，詳細(xì)的監(jiān)測(cè)信息與初步數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3 所示。

表3 不同距離振動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

采用公式（2）中的薩道夫斯基公式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)20 組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖3（a）所示，發(fā)現(xiàn)擬合精度很低，考慮到爆破振動(dòng)波的衰減特性，本節(jié)創(chuàng)新性的采用了分段線性擬合的方式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，分段線性的擬合結(jié)果如圖3（b）所示。

圖3 隧道振動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的線性擬合圖

如圖3 所示，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)論是采用線性擬合還是分段線性擬合的方式進(jìn)行擬合，都可知爆破峰值速度的變化規(guī)律與距離爆破掌子面間的距離有關(guān)。但是采用全部數(shù)據(jù)的線性擬合曲線可知其擬合精度較低，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)與炸藥參數(shù)優(yōu)化的需求。從可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的需求出發(fā)，將距離不同爆破章子面的距離劃分成兩類，分別定義為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)間的分界距離為110m，圖3（b）中兩組數(shù)據(jù)（藍(lán)色與紅色）分別代表兩組采用薩道夫斯基公式進(jìn)行分段擬合的線性關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)于近場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果曲線比較平緩，擬合效果非常好，擬合精度高達(dá)95%，斜率α=1.082，截距l(xiāng)nK=2.96，K值為19.3。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果曲線比較陡，擬合效果也有所提高，擬合精度為81%，斜率α=0.372，截距l(xiāng)nK=0.294，K值約為1.23。總體結(jié)果反映出近場(chǎng)爆破峰值振速隨距離增大衰減較慢，而遠(yuǎn)場(chǎng)爆破峰值振速隨距離增大衰減較快。

4 結(jié)論

本文針對(duì)隧道爆破振動(dòng)災(zāi)害問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，取得如下研究成果：

4.1 本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，列舉了我國(guó)《爆破規(guī)程》中推薦的薩道夫斯基公式，并總結(jié)歸納了其優(yōu)點(diǎn)與存在的潛在問(wèn)題，提出了可采用分段線性擬合的方式對(duì)其進(jìn)行修正以提高擬合精度。

4.2 以三棱山隧道工程爆破施工為背景，采用U-Box振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)儀器，開(kāi)展了20 組爆破振動(dòng)峰值速度監(jiān)測(cè)，獲得距離爆破位置不同距離的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 針對(duì)采用傳統(tǒng)薩道夫斯基公式擬合精度不夠的問(wèn)題，本文創(chuàng)新性的采用了分段線性擬合的方式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，界定了爆破振動(dòng)災(zāi)害的近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)，并總結(jié)提出各自對(duì)應(yīng)的振速衰減特征。