硬巖地層淺埋地鐵隧道爆破振動衰減規(guī)律分析*

雷 剛 馬全武 孫吉晨 胡新濤 祝建業(yè)

(1.浙江大學建筑工程學院，310058，杭州;2.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，100037，北京;3.青島地鐵集團有限公司，266101，青島;4.青島市地鐵四號線有限公司，266101，青島∥第一作者，正高級工程師)

隨著地鐵建設蓬勃發(fā)展，鉆爆法施工以其型式靈活、施工便捷、造價低廉的突出優(yōu)勢，在很多以巖石地質為主的城市地鐵工程中得到大量應用，如重慶、青島、大連、廈門等地［1-4］。城市地鐵鉆爆開挖受周邊建筑物、管線等因素影響較大，老舊城區(qū)建筑、管線已使用較長年限，對爆破振動速度敏感，因此，城區(qū)等復雜環(huán)境的地鐵建設中，了解并掌握爆破振動衰減規(guī)律、控制爆破振動速度、減輕對周邊環(huán)境的不利影響，成為礦山法施工的重難點。

目前，針對工程爆破及其減振措施方面的研究日趨成熟。文獻［5］采用多段定制非電雷管，通過確定微差爆破間隔時間來實現(xiàn)控制爆破;文獻［6］采用多級楔形掏槽、分部爆破及孔內外延時來控制爆破振動速度;文獻［7］研究隧道爆破近區(qū)與遠區(qū)振動傳播差異，重點分析了爆破近區(qū)爆破振動的測試方法及規(guī)律。

結合青島地鐵3號線(以下簡為“3號線”)工程，通過對該線路試驗段橫通道爆破振動進行連續(xù)監(jiān)測，研究了硬巖地層淺埋隧道爆破振動衰減規(guī)律;對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析并得到其衰減規(guī)律擬合公式，預測并驗證最大單響藥量，提出爆破振動控制措施。

1 工程概況

3號線保爾站—河西站區(qū)間隧道為全線試驗段工程，設計里程為K14+500—K15+995，全長約1 495 m。區(qū)間采用礦山法施工。爆破測試地點位于豎井橫通道，里程為HK15+200—HK15+225。其西側緊鄰河西小學，東側為居民區(qū)，道路兩側建筑物密集，建筑物基礎底距橫通道拱頂?shù)拇怪本嚯x僅為7～12 m。橫通道上覆的第四系土層不發(fā)育，洞身位于中微風化花崗巖中，圍巖級別為Ⅱ—Ⅵ級。該區(qū)段建筑物距離隧道較近，對爆破振動控制要求更嚴格。根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的要求，爆破振動速度控制在1.5 cm/s以內方可滿足允許振動速度。

2 試驗段橫通道爆破設計方案

試驗段橫通道采用臺階法開挖，上下臺階間隔為5～10 m。為降低爆破振動效應，掏槽眼布置在上臺階底部，增加掏槽部分到地表的距離，采用雙楔型斜眼掏槽，掏槽區(qū)域設有空孔，增加巖石碎脹空間和自由面;周邊孔采用密集減振孔，隔孔裝藥選用毫秒延時起爆以控制爆破振動影響。炮眼布置圖如圖1所示。

圖1 橫通道炮眼布置圖Fig.1 Layout of cross channel gun hole

3 爆破振動監(jiān)測與分析

3.1 爆破振動監(jiān)測方案

為研究隧道爆破施工引起的地表振動衰減規(guī)律，在沿隧道掘進方向的地表設置振動測點，分析不同爆心距離時的地表振動速度和振動頻率等規(guī)律。地表爆破振動監(jiān)測點布設如圖2所示。

圖2 地表爆破振動監(jiān)測點布設示意圖Fig.2 Layout of surface blasting vibration monitoring points

實際工程中，不同爆破次數(shù)時藥量、炮眼布置等因素均不能保證完全一致，這必然會對測試數(shù)據(jù)的分析造成影響。為綜合考慮變量影響，將爆心距轉化為比例距離處理［8］。比例距離R0定義如下:

式中:

R——爆心距;

Q——一次爆破時，Q為總藥量，延時爆破時，Q為各單段對應的藥量。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 爆破振動速度實測分析

結合施工實際，典型測點豎向振動速度時程曲線如圖3所示。

圖3 典型測點豎向振動速度時程曲線Fig.3 Time history curve of vibration velocity in Z direction of typical blasting measuring points

由圖3得到如下規(guī)律:

1)爆破振動波隨傳播距離的增加而衰減。爆破振動波由起爆點傳播到無限遠處的過程中，其能量不斷消耗直至消失。

2)不同段位起爆方式上掏槽眼爆破振動速度最大，且最大振動速度的出現(xiàn)時間與掏槽眼起爆時間基本吻合。由此推斷，不同段位起爆方式上掏槽眼爆破產生的振動最大，主要是因為掏槽眼起爆時只有掌子面后方存在一個臨空面，圍巖“夾制”作用最為強烈，起爆過程中振動波能量向巖體內部傳播，造成圍巖強烈振動。

3)采用分段起爆可以很好地控制爆破總能量的分布形式，從而減小振動。圖3中各段位爆破能量未相互疊加，由此可見，分段裝藥起爆有效地削減了橫通道斷面整體爆破能量。

4)根據(jù)橫通道現(xiàn)場爆破振動速度測試結果，爆破振動速度峰值均未超過規(guī)范要求的1.5 cm/s，說明該橫通道爆破設計方案安全有效，滿足爆破設計及規(guī)范安全要求。

3.2.2 爆破振動速度回歸分析

隧道工程中常利用薩道夫斯基經(jīng)驗公式預測爆破振動速度及估計最大藥量。我國將薩道夫斯基公式編入GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》。薩道夫斯基經(jīng)驗公式如下:

式中:

V——振動速度峰值;

K、α——分別為與傳播介質、起爆方式等因素相關的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場測試結果，按照式(1)計算各組數(shù)據(jù)的比例距離，對橫通道上下臺階及整體斷面的爆破數(shù)據(jù)進行回歸分析，繪制豎向振動速度峰值隨比例距離的衰減曲線，如圖4所示。

采用最小二乘法做回歸分析，得到相應的回歸值K、α，以及線性相關系數(shù)γ?；貧w值及線性相關系數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 橫通道爆破數(shù)據(jù)回歸值及線性相關系數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Statistics of regression value and linear correlation coefficient of cross channel blasting data

由圖4可知，V隨R的增加基本呈指數(shù)衰減的趨勢。K、α中，上臺階爆破數(shù)據(jù)相關性較高，下臺階爆破和整體爆破數(shù)據(jù)相關性較低。究其主要原因為現(xiàn)場爆破條件和爆破方式參差不齊，上臺階爆破發(fā)生在拱架架立及噴射混凝土之后，斷面輪廓清晰;而下臺階補炮等情況時有發(fā)生，下臺階爆破受到的影響因素更多，故其爆破數(shù)據(jù)相關性較低。

圖4 橫通道上、下臺階爆破豎向峰值振動速度衰減規(guī)律回歸分析圖Fig.4 Attenuation law regression analysis of peak vibration velocity in cross channel Z direction

選取相關性最高的上臺階爆破數(shù)據(jù)，將其進行回歸分析計算后所得的K、α值作為表征該隧道圍巖振動特性的系數(shù)。由式(2)擬合出的冪函數(shù)為:

依據(jù)式(3)可以實時對爆破安全距離及最大單響藥量進行合理調整。

3.2.3 回歸公式驗證及最大單響藥量預測

為了驗證由薩道夫斯基經(jīng)驗公式回歸擬合的隧道爆破地表振動衰減規(guī)律的準確性，將橫通道掌子面里程HK15+221處上臺階爆破地表振動現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與式(3)所預測的地表爆破振動速度峰值數(shù)據(jù)進行對比。對比結果見表2。

由表2可知，橫通道掌子面HK15+221處上臺階測點爆心距為12 m、18 m及25 m時，地表振動速度峰值現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與式(3)擬合值的相對誤差分別為6.1%、9.7%及12.8%。由此可知，經(jīng)擬合的振動衰減冪函數(shù)對爆破振動速度的預測較準確。本次爆破振動速度的上限值為1.5 cm/s，依據(jù)式(3)可以預測爆破施工最大單響藥量為38.32 kg。

表2 橫通爆破振動速度峰值實測值與回歸預測值對比Tab.2 Comparison of measured value and regression prediction value of vibration velocity peak value in cross blasting

3.2.4 爆破振動頻譜分析

實際工程中爆破產生的振動波頻率對在建隧道及周邊建筑物也有較大影響。當爆破振動波主頻頻率與建(構)筑物自振頻率接近或者一致時，爆破振動波與地表建(構)筑物發(fā)生共振作用，導致建(構)筑物振動加劇，極易造成破壞。爆破振動主頻分布如圖5所示。

由圖5可見，硬質巖層淺埋隧道爆破振動3個方向主頻分布廣泛，占比約90%的主頻集中于20～70 Hz頻帶之內。由于在建隧道結構及周邊建筑物的自振頻率均較小，當建(構)筑物自振頻率位于20～70 Hz頻帶之內時，爆破振動波對其影響尤其強烈。為避免或減小爆破振動波與建(構)筑物產生共振現(xiàn)象，應當避免多段雷管同時起爆，嚴格控制最大單響藥量，并采取必要措施對建(構)筑物進行加固。

4 結論

1)淺埋硬巖隧道爆破振動波傳遞到地表各個方向中的豎向振動速度最大，振動速度隨傳播距離的增加而逐漸衰減，其中最大振動速度隨比例距離呈指數(shù)形式衰減。

2)對于硬質圍巖，爆破振動波傳遞速度較快，對振動速度削減作用較弱。當隧道埋深較淺時，爆破振動對地面建(構)筑物影響強烈，采用分段起爆方式可以很好地控制爆破振動波能量分布，其中由于掏槽眼爆破時臨空面少，受到圍巖夾制作用最強，因此掏槽眼在所有起爆段位中振動最強烈。在設計爆破減振方案時，增加臨空面和隔振帶、采用延時分段起爆等措施可以有效降低爆破振動影響。

4)對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行振動頻譜分析得知，主頻大小與爆心距、最大單響藥量等參數(shù)無法形成相關關系，各個方向爆破振動主頻主要集中在20～70 Hz，使得橫通道易與自振頻率為低頻的在建隧道結構及周邊建筑物發(fā)生共振，因此爆破時應盡量減少多段雷管同時起爆，同時嚴格控制最大單響藥量，避免產生共振現(xiàn)象。