淺埋超大斷面隧道爆破施工引起的支護結構振動監測分析

黃柳云 李俊 韋思達 許天鋮 劉宗輝

摘? 要：淺埋超大斷面隧道爆破施工時引起的洞內支護結構振動必須嚴格控制在規范容許范圍內.以柳州市柳東新區某隧道項目先行洞爆破施工為背景，對洞內不同掌子面爆破施工時引起的洞內主要支護結構振動進行監測及理論分析.研究表明：雙側壁導坑法施工時，洞內初期支護部位振速遠大于二襯砌施作完畢后的復合式襯砌部位振速;結合現場情況分別采用薩道夫斯基公式和日本化藥株式會社公式分析了爆破施工時初期支護振動規律，發現日本化藥株式會社公式更為適合當前項目;同時考慮高程效應，對公式進行了修正對比后認為，隧道內部爆破施工時，內部支護結構的振速分析和預測可以忽略高程的影響.

關鍵詞：隧道開挖;雙側壁導坑法;爆破振動監測;振速監測

中圖分類號：U455.7? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.013

0? ? 引言

隧道作為常見的地下結構，在城市道路規劃中并不鮮見，城市道路系統中的隧道多為淺埋.伴隨著社會經濟的發展，機動車保有量激增，城市交通系統運行負荷加大[1-2]，城市干道寬幅建設或改造力度愈來愈大，城市道路隧道也隨之采用超大斷面的形式.當淺埋超大斷面隧道施工遇到孤巖或堅硬地層導致機械開挖效率低下或難以進行時，常常結合鉆爆法推進項目的實施，若隧道圍巖條件復雜，須采用較為復雜的支護形式和施工工序，在此背景下確保鉆爆法施工時支護結構的安全尤為重要.研究隧道爆破開挖的振動效應，對鉆爆法的掘進過程進行控制，使爆破作業對既有支護結構的影響降到最低，一直是相關研究關注的重點.

目前，針對隧道爆破開挖振動效應的研究主要集中于爆破對周圍既有建筑的影響.林凱[3]基于現場監測，對淺埋隧道爆破掘進時隧道上方地表震動規律進行了研究.劉趕平[4]采用數值模擬與現場檢測相結合的方法研究了隧洞開挖爆破時鄰近支洞圍巖的爆破振動效應，并建立了關鍵位置振速預測模型.趙志剛等[5]通過研究大斷面黃土隧道施工時爆破振動對既有隧道的影響，總結并提出了多種爆破控制措施.上述研究得出了許多有價值的成果，但當隧道施工工序較復雜，隧道存在多個掘進里程不一的掌子面時，爆破掘進時隧道內的支護結構受振動響應的研究相對較少.本文通過對隧道現場爆破監測數據進行分析，研究施工過程中不同部位掌子面爆破時支護結構的受爆破振動影響規律，獲得的結論對隧道現場施工具有一定的指導價值，并對本地區同類工程施工具有一定的借鑒意義.

1? ? 工程概況及爆破振動監測方案

1.1? ?工程概況

本文隧道項目位于柳州市柳東新區.隧道上行、下行洞分別為長270.00 m、290.00 m，采用單洞三車道外加非機動車道及人行道布置，單洞最大開挖寬度19.50 m，最大開挖高度13.06 m，開挖面積超過200.00 m2，最大埋深約57.00 m，是典型的淺埋超大斷面隧道.隧道全段圍巖類別為V類，全段上部圍巖存在全風化泥粉質砂巖、斷層破碎帶碎石土、第四系坡殘積黏土等不同情況，圍巖穩定性較差，采用雙側壁導坑法施工.項目先行洞自樁號BK5+640到BK5+690位置附近，在不同掌子面部位陸續出現堅硬巖石，需要采用鉆爆法進行施工.為了保證洞內支護結構安全，有必要對施工時爆破振動進行實時監測，從而指導后續施工時爆破參數的設計.該項目施工時各部位掌子面位置如圖1所示，開挖順序由1至7.

1.2? ?爆破振動監測方案

根據現場的施工條件及洞內環境情況，歷次爆破測點主要布置在以下位置：測點1、2位于初支，上臺階地表以上 1.00 m位置側壁;測點3、4位于初支，仰拱回填后地表以上1.00 m位置側壁;測點5、6位于二襯位置，仰拱回填地表以上1.00 m位置側壁;測點7、8位于仰拱回填后的地面，距離初支側壁水平距離1.00 m;各點位置如圖2所示.監測儀器采用TC-4850N無線網絡測振儀（見圖3），采樣率選用5 kHz檔，采樣時間2 s.儀器配2套振動速度傳感器，每次爆破時根據場地施工情況選取不同位置布置，當布置于測點7、8時采用石膏固定于地表，其余位置采用膨脹螺栓固定于側壁內側.

2? ? 爆破振動監測結果

爆破引起的隧道圍巖及支護結構的振動效應較為復雜[6-7]，目前國內外的爆破振動監測多以質點的運動速度作為判定標準.在《爆破安全規程》[8]中，爆破時測點所在位置的峰值振動速度和主振頻率是評價振動效應的重要參數，常被用作回歸分析.吳波等[9-11]在進行振速數據回歸分析時，考慮了測點和爆破位置之間高程差的影響，從而對公式進行了相應的修正.在此次監測條件下，測點與不同位置掌子面存在一定高程差，因此，在統計時考慮高程因素.本輪爆破振動監測共采集了合計44組測點數據，單段最大藥量為2.4～48.0 kg，監測數據如表1所示，其中距離R為爆心距，藥量Q為最大單段藥量，振速X方向沿隧道縱向指向開挖掌子面，振速Y方向沿隧道橫向指向隧道側壁.

2.1? ?不同部位測點振速分析

初期支護部位的測點振速監測數據如表1所示.由于隧道開挖時場地條件限制，當掌子面上臺階部位進行爆破開挖時，傳感器因布置在附近側壁，受爆破產生的石塊沖擊產生損壞，因此，位于兩邊導洞上臺階初期支護部位測點1和2的監測數據總共得到4組;位于下臺階初期支護部位的測點相對安全，因此，測點3和4的監測數據共21組.從表1中可以看出，監測得到的所有數據中，X方向測得最大測點振速為6.94 cm/s，Y方向最大測點振速為8.36 cm/s;為導洞上臺階掌子面爆破時，由臨近測點測得;但除去上述2組較大的監測數據，綜合表1數據可發現，初支測點位置在距離爆破斷面30.00 m以內時，初支部位測點測得的振速大部分在2.00 cm/s以內;振速大小與測點距離大小負相關，測點位置距離爆破位置越遠測得的振速越小;而振速大小與藥量大小正相關，掌子面爆破所用藥量越大，測點測得的振速就越大.

二襯砌部位的測點振速監測數據如表2所示.測點5和6設置于新筑二襯附近，此處為新近拆模完畢的二襯側壁位置，仍處于養護過程中，同時該區域前方可能存在新澆筑完畢而尚未移除鋼撐模的二襯段，因此，該區域受到爆破振動的影響同樣值得關注，該部位的監測數據總共得到7組;測點7和8位于仰拱上方地表部位，此時仰拱上方已回填完成，得到監測數據共12組.從表2中數據可以看出，二襯施作位置普遍距離爆破位置較遠，測點測得的振速普遍在0.50 cm/s以內，X方向測得最大測點振速為0.79 cm/s，Y方向最大測點振速為? ? ? 0.54 cm/s;從表2中不難發現，監測位置距離爆破位置越遠，測點測得振速越小，仰拱上方部位測點振速普遍要比二襯側壁部位測點振速更小.對比上述數據可知，二襯部位測點爆破振速往往要遠小于初支位置所測得的振速.

以表1和表2中振速數據為基礎，繪制得到圖4和圖5所示初支和二襯部位的振速分布圖.如圖4所示，測點1、2和測點3、4各組數據中振速普遍大于1.00 cm/s，只有少部分測點振速超過了? ? ?4.00 cm/s;而如圖5所示，測點5、6和測點7、8各組數據中X方向及Y方向質點振動速度大多在0.50 cm/s以下，部分數值小于0.10 cm/s.可以看出，位于二襯部位的測點5—8監測數值普遍小于初支部位測點1—4的監測數值，主要是因為二襯部位測點距離爆破掌子面較遠，受爆破影響遠不如初支部位測點;同時二襯施作完畢時，復合式襯砌整體剛度大于初支結構，這也使得二襯部位測點振速更小;初支部位測點距離爆破位置更近，監測得到的振速數值較大，說明初支結構更易受到掌子面部位爆破的影響.

2.2? ?測點振動信號分析

以受爆破影響較大的初支部位測點為研究對象選取典型數據進行分析，對測得的X方向振速和Y方向振速中具有典型特征的振速進行快速傅里葉變換處理（FFT），分析爆破時初支部位振速和頻率的變化規律.選取表1中的第9組監測數據，X方向測得最大測點振速為1.39 cm/s，Y方向最大測點振速為1.83 cm/s.經過處理后得到如圖6、圖7所示的振速波形圖以及如圖8、圖9所示的頻譜分析圖.

從圖6和圖7可以看出，此輪爆破中測點測得的振速變化曲線存在2個峰值，其中最大振速出現在爆破過程的第二波峰值處;2個波的曲線均在振速達到峰值后迅速衰減，X方向測得最大振速為1.39 cm/s，Y方向測得最大振速為1.83 cm/s;從圖8和圖9 X、Y方向的振速頻譜分析圖可以看出，頻率400 Hz以內的范圍為初支部位測點的能量集中頻帶，最大相對幅值均出現在200 Hz以內;從相對幅值的變化過程中可以發現，其曲線在200 Hz以內存在兩輪上升階段，這與振速波形的變化規律是一致的.不難看出，初支部位測點受到隧道內局部掌子面爆破開挖影響相對顯著，沿隧道縱向和橫向（即X方向和Y方向）的振速變化分布情況相近.

3? ? 爆破振動監測數據回歸分析

3.1? ?基于不同公式的振速擬合分析

由于初支結構更易受到爆破振動的影響，因此，選用表1中的初支部位測點1、2、3、4位置各組監測數據進行回歸分析，以期對項目后續爆破的參數設計及調整提供參考.實際工程中常采用薩道夫斯基公式[12]對監測得到的爆破振動振速數據進行擬合得到式（1）：

[v=KQ3Rα]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[v]為質點振動速度，cm/s;[Q]為單段最大藥量，kg;[R]為爆心距，m;[K]和[α]為與地質條件有關的參數.

對式（1）兩邊取對數：[lnv=lnK+α（13lnQ-lnR）]，進行一元線性回歸分析，分別得到：X方向振速的擬合公式： [vX=14.439 9Q3R3.126 8]，相關性系數R2=0.76;Y方向振速的擬合公式：[vY=24.779 1Q3R3.896 2]，相關性系數[R2]=0.82.由相關性系數可知，采用薩道夫斯基公式的擬合效果仍有待提高.李勝林等[13]采用日本化藥株式會社公式擬合取得較好的效果，遂嘗試采用相同公式進行擬合得到式（2）：

[v=KW34?D-2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[v]為質點振動速度，cm/s;[W]為單段最大藥量，kg;[D]為爆心距，m.

分別得到：X方向振速的擬合公式： [vX=78.401 4W34?D-2]，相關性系數[R2]=0.93;Y方向振速的擬合公式：[vY=62.828 3W34?D-2]，相關性系數R2=0.94.對比式（1）擬合的結果可知，監測數據樣本對式（2）擬合的相關性更高.

3.2? ?考慮高程因素的擬合公式修正

上述公式并未考慮測點與爆破位置高程差的影響，鄧華鋒等[14-16]認為，進行爆破振動數據分析時應當考慮爆破振動的高差效應，為研究隧道內不同部位掌子面爆破開挖時，高程差對于測點部位振速影響，對上述2個公式中擬合效果較優的式（2）高程差效應進行修正.

將公式修改得到式（3）：

[v=KW34?D-2?eHD]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：ν為質點振動速度，cm/s;[H]為高程差，m.當[H]=0時，測點和爆破位置高程一致，式（3）等同于式（2）;當[H]=[D]時，測點位于爆破位置豎直方向，此時高程差影響最大.

采用修正后的公式再次進行擬合得到：X方向振速的擬合公式： [vX=63.012 5W34?D-2?eHD]，相關性系數[R2]=0.95;Y方向振速的擬合公式：[vY=49.595 4W34?D-2?eHD]，相關性系數[R2]=0.94.對比擬合結果可以發現，在式（2）擬合效果已經較好時，引入高程參數對于實際擬合效果并未產生明顯影響.由此可以判斷，盡管大斷面隧道各個爆破位置掌子面與初支結構存在一定高程差，但高程因素并未對隧道內不同部位支護結構的振速產生明顯? ? ?影響.

4? ? 結論

通過對柳州市某隧道項目爆破作業時，對洞內支護結構進行爆破振速監測所得數據進行處理和分析，結合隧道施工時的具體情況，得出以下結論：

1）二襯施作完成后形成復合式襯砌，同時二襯位置距離各掌子面較遠，各部位測點振速普遍較小，受到掌子面部位爆破影響較小;初支部位測點測得振速明顯更大，二襯位置相比初支部位的支護結構更容易受到掌子面部位爆破的影響.

2）由初支部位測點振速波形和頻譜分析可以發現，沿隧道縱向傳播的振速和沿橫向傳播的振速兩者變化規律相近，初支結構部位測點測得振速對應的頻率主要分布在頻率400 Hz以內的范圍，最大振速對應頻率出現在200 Hz以內.

3）本文所在隧道項目，掌子面爆破引起初支結構振動的速度預測采用日本化藥株式會社的公式更為合適;同時，測點振速主要受爆心距和單端最大藥量影響，隧道內各掌子面與測點高程差對于該公式擬合效果沒有明顯影響，因此，在后續進行隧道內初支結構質點振速預測時可以忽略高程差的影響.

4）在監測過程中，位于初支的測點只有2組振速數據超過了6.00 cm/s，大部分測點振速不超過? ? ?2.00 cm/s，這是因為在隧道采用雙側壁導坑法施工時劃分出的掌子面較多，每次爆破作業量相對較小，這在一定程度上保證了隧道內支護結構的安全.

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Monitoring and analysis of support structure vibration caused by blasting construction of shallow buried super large section tunnel

HUANG Liuyun1， LI Jun1， WEI Sida1， XU Tiancheng1 ， LIU Zonghui2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： The vibration of the supporting structure in the tunnel caused by blasting construction of? shallow buried super large section tunnel must be strictly controlled within the allowable range of the specification. Based on the blasting construction of the first tunnel in a road tunnel project， LiuDong new area， Liuzhou City， the vibration of main supporting structures in the tunnel， caused by blasting? ? ? ? construction in different face of the tunnel， is monitored and theoretically analyzed. The results show that when the double side wall heading method is used in construction， the vibration velocity of the? ? initial support part in the tunnel is much higher than that of the composite lining after the secondary? ? lining is completed. Based on the field conditions， the vibration law of the initial support is analyzed by using the Sadolfsky formula and the Japanese Huawa Co. ， Ltd. formula respectively. It is found that the latter is more suitable for the current project. Considering the elevation effect， the paper has? corrected and compared the formula. It is concluded that the influence of elevation can be ignored in the analysis and prediction of the vibration velocity of the internal support structure during the tunnel internal? ? ?blasting construction.

Key words： tunnel excavation; double side heading method; blasting vibration monitoring; vibration? ?velocity monitoring

（責任編輯：羅小芬、黎? ?婭）