隧道爆破自由面數量對地表振動影響研究

冀新宇，王海亮，高 尚，王萬仁，劉光輝

(1.山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590；2.中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100043；3.中鐵八局發展建設有限公司，山東 青島 266000)

自由面的數量和種類以及自由面面積對爆破效果存在很大程度的影響。爆破工程中增加自由面數量不僅可以改善爆破效果，還能有效降低炸藥消耗量，尤其對降低爆破振動起著顯著的作用[1-8]。但研究中爆區多集中在地形平坦的土體或測點與炮孔同一水平的探洞中，尚無特大斷面地鐵隧道進行爆破時自由面數量對爆破振動的影響研究。

在研究自由面數量對隧道爆破振速的影響時，何闖等[9]、賴廣文等[10]、季相臣等[11]通過現場試驗研究了1～2個自由面條件下爆破區域的場地、衰減系數K、α的變化規律，總結了自由面對爆破振動的影響；但以上研究者均未進行2個以上自由面數量條件下的隧道爆破振動規律研究。《爆破安全規程》(GB6722-2014)中的爆破振動速度計算公式也未考慮自由面數量這一重要參數，已無法滿足2個及2個以上自由面條件下的爆破振動速度計算。因此，探究特大斷面隧道爆破中不同數量自由面下爆破振動速度衰減規律，具有一定的理論和現實意義。

1 工程概況

青島地鐵1號線貴州路站-西鎮站區間(以下簡稱“貴-西區間”)隧道全長約546.9 m，里程為ZK31+869.2-ZK32+416.2，拱頂距地表16.9～28.7 m，區間隧道位于臺西五路及部分居民小區正下方。

該區間隧道地表建筑物主要為多層磚混結構，要求振速控制在0.5～1.0 cm/s。因此隧道采用振動較小的TBM開挖方式進行掘進，2臺TBM平行向前掘進過程中未進行管片安裝作業，而后在已經形成的2個直徑6.2 m的TBM導洞的基礎上進行爆破擴挖，以便在西鎮站站前設置雙存車線，形成面積約214 m2的四線特大斷面隧道。

貴西區間四線大斷面隧道存在Ⅱ級和Ⅳ級圍巖類型，TBM掘進后隧道現場斷面如圖1所示。

圖1 隧道斷面

2 爆破試驗方案

為通過現場試驗數據分析得出地表振動速度衰減規律，提出1個、2個及3個自由面條件下的爆破振動速度計算公式，計劃在區間里程ZK32+172.2處開展3種不同自由面數量條件下的爆破試驗。此處拱頂距離正上方地表最小距離為25 m。

試驗現場使用的炸藥與雷管為山東銀光民爆器材有限公司生產的2號巖石乳化炸藥與毫秒延期導爆管雷管，藥卷直徑32 mm，長度300 mm，藥卷密度1.13 g·cm-3，單卷質量0.3 kg。鉆孔機械為氣腿式風動鑿巖機，孔徑42 mm，人工鉆鑿炮眼。

為便于理解，將試驗條件下自由面數量以Ns表示。

2.1 1個自由面

試驗位置選擇在四線大斷面隧道左線TBM導洞拱頂挑高段部位。炮孔方向與隧道方向垂直，豎直向上鉆鑿，將左線TBM導洞表面作為僅有的一個自由面進行爆破試驗。本次試驗炮孔深度1.5 m，炮孔直徑42 mm，總裝藥量0.6 kg，裝藥結構采用反向不耦合裝藥，炮孔剩余長度使用水袋、炮泥等進行堵塞。Ns=1時炮孔位置關系如圖2所示。

圖2 1個自由面條件炮孔位置關系(單位:mm)

將毫秒5段導爆管雷管與炮孔內炸藥相連，進行挑高段爆破。Ns=1的現場布置如圖3所示。

圖3 爆破現場布置

2.2 2個自由面

當隧道左線挑高段爆破完成后，即開挖出如圖1所示的斷面。當開挖隧道左線上臺階時，爆破的自由面數量為兩個(左線TBM導洞面、工作面)。隧道左線上臺階開挖尺寸為10.8 m×6.7 m，共布置121個炮孔，所有炮孔均為沿隧道方向水平方向，炮孔直徑42 mm，單段最大起爆藥量為1.2 kg。Ns=2時炮孔布置如圖4所示(炮孔之間的連接線表示使用同一段別雷管)。

圖4 2個自由面條件炮孔布置(單位:mm)

開展2個自由面條件下的爆破試驗，試驗地點里程為ZK32+181.4。隧道左線上臺階爆破參數見表1。

表1 隧道左線上臺階爆破參數

合理的炮孔間排距可以有效地減少炸藥單耗，獲得更好地爆破效果。藥卷采用反向連續不耦合裝藥，炮孔剩余長度使用水袋、炮泥進行堵塞，提高炸藥能量的有效利用率。本次試驗過程中炮孔間排距嚴格按照爆破設計方案進行鉆鑿，現場炮孔間距60 cm。

本次起爆方式采用毫秒延時起爆網路，孔外延期，起爆雷管與連接雷管均采用毫秒5段導爆管雷管。Ns=2時起爆網路如圖5所示。

圖5 2個自由面條件起爆網路

現場試驗嚴格按照爆破設計方案執行。起爆前對爆破網路連接進行檢查，以避免盲炮導致的二次起爆。Ns=2時爆破現場布置如圖3所示。

2.3 3個自由面

當1個自由面條件的挑高段爆破結束后，2個自由面條件的隧道左線上臺階爆破也已超前開挖一段距離，則此時隧道右線上臺階區域進行開挖爆破時存在三個自由面條件，即左線隧道面、右線TBM導洞面及工作面。

隧道右線上臺階開挖尺寸為8.7 m×6.55 m，共布置84個炮孔，炮孔均為沿隧道水平方向，炮孔直徑42 mm。其中輔助眼61個，孔深2.0 m，最小抵抗線為650 mm，排距650 mm，間距800 mm。周邊眼23個，孔深2.0 m，間距500 mm。單段最大起爆藥量為1.2 kg，Ns=3時炮孔布置如圖6所示。

圖6 3個自由面條件炮孔布置(單位:mm)

3個自由面條件下爆破振動試驗的裝藥結構與2個自由面條件爆破試驗相同。炮孔間排距嚴格按照爆破設計進行鉆鑿，四線大斷面隧道右線上臺階爆破參數見表2。

表2 隧道右線上臺階爆破參數

起爆方式采用毫秒延時網路，孔外延期，連接雷管采用毫秒5段導爆管雷管。由于炮孔密集程度較大，起爆網路無法清晰表示。為了便于理解，在不影響文章表述前提下簡化起爆網路設計圖，Ns=3時起爆網路如圖7所示，爆破現場布置如圖3所示。

圖7 3個自由面起爆網路

3 爆破振動監測

3.1 監測儀器

試驗采用成都中科測控有限公司生產的TC-4850爆破測振儀(以下簡稱“測振儀”)進行振動數據收集。

3.2 測點布置

正式起爆前，將8臺測振儀分別沿隧道軸線方向布置在工作面的前方，并提前進行校準設置。在測點布置過程中，1號測振儀布置在工作面正上方地表(測振儀與工作面水平距離為0 m)，2-8號測振儀分別與1號測振儀保持不同的水平間距，布置于工作面前方地表。監測點與爆源距離見表3。

表3 監測點與爆源距離

爆破測振儀觸發模式設定為內觸發。考慮到雷管延期時間、地震波傳播時間及留有一定富余系數，因此采集時長設置為10 s。爆破測振儀的采樣頻率設置為振動信號頻率的10～100倍。由于前期試炮得到爆破振動主頻基本處在40～120 Hz范圍內，故將儀器采樣頻率設置為8 kHz。記錄精度設定為1‰，觸發天平設定為0.01 cm·s-1。

3.3 監測數據

進行爆破振動監測時，因測點周圍環境較為復雜，因此，在統計實測條件下的爆破振動信號時，應當先通過數據分析軟件Blasting Vibration Analysis對采集到的振動數據進行濾波消噪[12]處理，保留0～500 Hz頻率范圍內的信號，剔除車輛、行人等產生的信號，從而得到真實的爆破振動信號。

2個及3個自由面條件下為單段最大藥量為1.2 kg，1個自由面條件下單段最大藥量為0.6 kg。為方便不同起爆藥量條件下研究，提出比例藥量Qb概念，即單位質量炸藥與測點至藥包中心之間距離的比值，單位為kg·m-1。由于不同自由面條件采用炸藥量可能存在不同，所以當探究不同起爆藥量和自由面數量條件下的爆破振動速度關系時，可以采用比例藥量進行比較。

4 爆破振速衰減擬合與分析

4.1 場地、衰減系數擬合分析

利用所測振動數據，采用最小二乘法分別擬合不同自由面數量條件下的場地、衰減系數K、α，擬合參數見表4。比例藥量Qb與振動速度V關系如圖8、圖9所示。

表4 不同自由面條件下的回歸參數

圖8 單個自由面條件比例藥量Qb與振動速度V擬合關系

圖9 不同自由面條件比例藥量Qb與振動速度V擬合關系

實際工程應用中，如果爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件的變化不大，則K值、α值基本可以保持不變。根據爆破安全規程，在同一K、α值下，爆破振動主要受單段最大藥量和爆心距影響。明確同一K、α值下振動隨比例藥量的規律，可以指導現場工程爆破施工。

由圖8、圖9可見，隨比例藥量的升高，爆破振動速度整體呈增大趨勢，且增長速率逐漸趨緩。

對比表4中擬合參數可見，自由面數量不同時，場地系數K、衰減系數α的值也不同。場地系數K隨自由面數量的增加而逐漸減小，Ns=1時K值最大，Ns=3時K值最小，減小速率分別為68.65%、95.31%。衰減系數α也隨自由面的增加而逐漸減小，減小速率分別為24.23%、40.61%。可見K值較α值的衰減速率更為顯著。且Ns=1、2時，擬合所得K值與α值均超出《爆破安全規程》(GB6722-2014)對于堅硬巖石K、α分別為50～150、1.3～1.5的取值范圍。因此在進行爆破設計時，應將自由面數量作為一個重要參數加以考慮。

4.2 爆破振速衰減規律探究

理論研究和工程實踐表明，單段最大起爆藥量保持一致時，振速峰值隨爆心距的增大整體呈現減小的趨勢。但通過現場試驗得出，不同自由面條件下，爆破振動速度峰值的出現位置均不在工作面正上方，而是在爆源水平距離4～7 m處。為探究振動速度V與爆源水平距離Rb的關系，繪制振動速度V與爆源水平距離Rb的關系曲線，如圖10、圖11所示。

圖10 單個自由面條件振動速度V與爆源水平距離Rb關系

圖11 不同自由面數量條件下振動速度V與爆源水平距離Rb關系

由圖10～圖11可見，隧道爆破產生的振動，其峰值不在工作面正上方，而是在爆源水平距離4～7 m處。不同自由面條件下，爆破振動速度均隨爆源水平距離的增加整體呈現先迅速增大后緩慢減小的趨勢。在爆源水平距離4～7 m處，爆破振動速度達到峰值，振動速度的增長速率隨自由面增加而逐漸減小。振動速度達到峰值后便開始衰減，且衰減速率隨水平距離的增大而逐漸減小。

同一試驗條件下，所測得數據的主頻和峰值振速存在一定誤差，分析認為可能是現場實測時的條件差異導致的。試驗過程中監測點布置在由步道磚鋪成的人行道上，在雨水、行人踩踏等多種原因綜合作用下，磚的下部可能存在空洞。在空洞的作用下，爆破振速出現了放大現象。試驗時采用的雷管為導爆管雷管，雷管延期時間不如數碼電子雷管精確，可能出現延期時間短于設計時間的現象。延期時間過短，波形也會產生重疊放大現象。

由圖11可見，在單段最大起爆藥量、爆心距等參數一致時，Ns=2時的地表振動速度幾乎全部大于Ns=3時相同位置測點的地表振動速度。當單段最大起爆藥量為1.2 kg、爆心距相同時，Ns=3條件下爆破峰值振動速度約為Ns=2條件下峰值振動速度的60.5%。

在單段最大起爆藥量、爆心距等參數一致時，隨著自由面數量的增加，爆破振動速度V整體呈現減小的趨勢，峰值振動速度呈現非線性降低的趨勢。3個自由面條件下所測兩組數據，振速由峰值衰減到最小值，衰減率分別為55.618%、66.610%，平均衰減率為61.114%。2個自由面條件下所測3組數據，振速由峰值衰減到最小值的衰減率分別為79.655%、75.594%、63.703%，平均衰減率為72.984%。由此可見自由面數量越多，爆破振動速度的衰減速率越小。

5 結論

在貴西區間隧道分別開展單個、2個及3個自由面條件下的爆破試驗，通過研究爆破振動速度與爆心距、比例藥量的關系，主要得到以下結論：

(1)自由面數量不同時，場地系數K、衰減系數α的值也不同。場地系數K、衰減系數α隨自由面數量的增加而逐漸減小，K值較α值的衰減速率更為顯著。

(2)振動速度V隨比例藥量Qb的增加而呈現逐漸增大的趨勢，且增長速率逐漸趨緩。

(3)爆破振動速度峰值的出現位置不在工作面正上方，而是在爆源水平距離4～7 m處。不同自由面條件下，隨爆源水平距離的增加，爆破振動速度均呈現先迅速增大后緩慢減小的趨勢。振動速度的增長速率隨自由面增加而逐漸減小。振動速度達到峰值后便開始衰減，且衰減速率隨爆源水平距離的增大而逐漸減小。

(4)在單段最大起爆藥量、爆心距相同的條件下，隨著自由面數量的增加，爆破振動速度V整體呈現出減小的趨勢。峰值振動速度隨自由面數量的增加呈現非線性降低的趨勢，且自由面數量越多，爆破振動速度的衰減速率越小。