鉆爆法原位擴建隧道的振動監測分析

毛祚財

(福州市城鄉建總集團有限公司，福州 350003)

隨著國民經濟的高速發展，為滿足日益增長的市政交通需求，城市中采用鉆爆法修建各類隧道或地下工程的實例已屢見不鮮。但城市環境中各類建(構)筑物、市政基礎設施密布，采用實時振動監測、優化控制爆破等技術，減輕爆破振動對周邊環境的影響，顯得尤為重要。

許多學者基于現場實測數據，對爆破振動對各類建(構)筑物(尤其是臨近交通隧道)的影響展開細致研究。管曉明等[1]對小凈距下穿既有供水管線的公路隧道施工進行爆破振動監測，提出了復雜條件下隧道超小凈距穿越供水管線的綜合減振爆破技術。王棟等[2]采用現場實測和數值模擬相結合的方法，研究了地鐵區間隧道鉆爆施工對鄰近燃氣、電力等埋地管道的影響，建立了反映爆破地震波傳播規律的薩道夫預測公式。曹楊等[3]通過對下穿老舊建筑物的地鐵隧道鉆爆法施工展開實時監測，從布置減振孔、裝藥結構、延時時間3個方面提出了爆破減振技術，確保了施工安全。曹峰等[4]通過對隧道分岔段的爆破振動監測，得到在連拱段隧道后行洞爆破中隔墻徑向、切向和軸向振速的衰減規律，建立了估算三向振速的經驗公式。趙春生[5]在掌子面后方100 m位置對上跨既有隧道的新建隧道進行爆破振動監測，運用薩道夫公式分析峰值振速，并推算其允許單段最大藥量。蔣麗麗等[6]對大跨度小凈距隧道擴建中的中間巖柱在爆破作用下的振動響應進行監測，發現不同部位振速的差異隨圍巖等級提高而逐漸減小，且拱腰及拱肩大于拱腳部位。Wu等[7]建立了3個約束條件的模擬方法，并進行了數學建模和現場實驗研究，結果表明混合使用電子雷管和非電子雷管，可以有效降低爆破產生的振動。Ismail等[8]利用3種人工智能模型，通過輸入現場測量和實驗室獲得的參數對神經網絡模擬得到的空氣超壓進行評估，結果表其模擬結果具有相當的精度。

相較于新建隧道，原位擴建隧道因其節約建設用地、展線平順等優勢，在市政交通建設中漸受青睞。通常情況下，原位擴建隧道一側施工時，其鄰洞仍保持交通不中斷，這對鄰洞隧道襯砌的振動控制與監測預警提出了嚴格要求。本文依托福州市馬尾隧道原位擴建工程，在其北洞原位擴挖過程中，對其南洞襯砌上的爆破振動效應進行實時監測，為其施工安全提供預警和保障；同時通過對監測數據的細致分析，探討隧道原位擴建過程中爆破振動的傳播特點，以期為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

既有馬尾隧道位于福州市福馬路東端，貫穿馬限山，始建于1987年，為整體式襯砌結構；由兩座單洞兩車道機動車隧道組成，分離式布置，其南洞和北洞分別長968.6 m和936.4 m。

隧址位于閩東火山斷坳帶中段的福州斷陷盆地東南側邊緣和北東向長樂-南澳深斷裂之間，北東向長樂-南澳深斷裂西北邊緣的斷裂變質帶之中，出露的巖性為強動力變質的侏羅系南園組第二段，穿越地層以素填土、殘積黏性土、全風化～微風化凝灰巖為主，未見大型斷層和破碎帶。

囿于當年建設的技術水平和長年的超負荷運營，隧道建成30年后已出現許多不同程度的病害，主要有拱頂實際襯砌厚度普遍不足、拱背存在不密實或脫空狀態及出現襯砌滲漏水等。同時，市政交通的迅猛發展也迫切要求對該隧道進行改建升級。因此將其由雙向4車道原位擴寬為雙向8車道，擴寬前后隧道位置關系及兩洞相對位置關系如圖1所示(以NK18+200斷面為例)。

圖1 原位擴建隧道的相對位置關系(NK18+200斷面)Fig.1 Relative position of in-situ expansion tunnel (NK18+200 section)

2 施工方案

馬尾隧道原位擴建采用鉆爆法施工，北洞先行開工，在此期間南洞改為雙向兩車道保持市政交通不中斷。北洞鉆爆法原位擴挖方案(以II級圍巖NK18+100～NK18+300為例)的大致步驟為：①完成既有隧道回填及施工輔助措施；②拆除上臺階既有隧道襯砌；③爆破開挖上臺階圍巖，施工上臺階初支；④挖除回填土并拆除下臺階既有隧道襯砌；⑤爆破開挖下臺階圍巖，施工下臺階初支；⑥爆破開挖右拱腳部分，施工右拱腳部分初支；⑦全斷面鋪設防水層，施做二襯(見圖2)。

注：①～⑥為施工步驟，數字1～15為雷管段別。圖2 原位擴挖方案及炮孔布置(II級圍巖)Fig.2 The excavation scheme and blasthole layout of in-situ expansion tunnel (ground classification of Grade II)

各段位之間設置延時起爆，使前排炮孔有足夠時間為后排炮孔創造臨空面。輔助孔間距約70～80 cm，周邊孔間距約50 cm，各段位炮孔具體參數如表1所示(以標準進尺2 m為例)。需要說明的是，即使圍巖條件相同情況下，南側通行洞病害情況差異較大，病害嚴重區段對爆破振動的控制要求更為嚴格，反之則可相應加大進尺以縮短工期，實際爆破將根據工程條件，靈活調整進尺量，主要可分為3、2、1 m進尺，同時裝藥量及炮孔深度也相應地放大或縮小。

表1 炮孔布置參數(2 m進尺)

3 爆破振動監測

在北洞鉆爆法施工期間，為保證南洞車輛通行安全，項目組對其襯砌和路面的振動效應展開跟蹤監測，測點布置如圖3所示。測試儀器采用泰測科技的Mini-BlastⅠ型爆破測振儀。其量程0.001～35 cm/s，采樣頻率1 000 Hz，具有自適應模式，監測到振動時儀器開始記錄，振動停止則采集自動停止。

圖3 爆破振動測點布置Fig.3 Layout of monitoring points for blasting vibration

爆破區域與測點的相對位置關系如圖4所示，在爆破掌子面同一里程斷面上，分別布設迎爆側襯砌拱腳、路面中央及背爆側拱腳等3個測點。為直觀描述爆破點與測點的位置關系，將測點與爆破區域幾何中心(圖中A點和B點)的距離定義為爆心距R。以A-1測線為例，其爆心距RA-1=31.06 m，該測線跨越一個空洞，其空洞長度6.39 m；B-3測線的爆心距RB-3=42.48 m，該測線跨越兩個空洞，其空洞長度17.75 m。

圖4 爆破區域與測點的相對位置關系Fig.4 Relative position between blasting area and monitoring point

4 爆破振動監測結果及分析

4.1 監測壓力時程曲線

以里程NK18+104處上臺階爆破為例，其測點1和測點2的振速時程曲線如圖5和圖6所示。x方向與z方向上的振速較大，y方向上振速較小，即爆破施工對鄰洞襯砌的振動效應主要體現在水平向和垂直向上。另外，振速時程曲線呈現出多峰值形態，各峰值出現時間與爆破方案中的炮孔段位基本吻合，但峰值振速普遍出現在前段(MS1或MS3段)而不是最大藥量段(MS11段)。

圖5 NK18+104斷面1號測點振速時程Fig.5 Velocity time history of No.1 monitoring point in NK18+104 section

圖6 NK18+104斷面3號測點振速時程Fig.6 Velocity time history of No.3 monitoring point in NK18+104 section

由于路面中央2號測點的實測振速遠小于1號、3號測點，故本文主要針對1號、3號測點數據展開詳細分析。在實測的136條振速時程曲線中拾取其峰值振速(見表2)。

表2 峰值爆破振速

根據福州市相關部門確定的安全標準，南洞(通行洞)襯砌上的爆破振動速度限值為5 cm/s，此次Ⅱ級圍巖段的監測峰值振速全部符合安全標準[9]。

4.2 振速峰值的經驗公式擬合

由于圍巖具有較大的變異性，即使相同條件下(最大單段藥量、爆心距、圍巖等級)，各里程斷面上所測的峰值振速仍有較大差異。為綜合描述Ⅱ級圍巖的爆破振動傳播特征，對相同最大單段藥量、相同爆心距的峰值振速取其均值，歸納為12種工況(見表3)。

表3 爆破振速平均值

《爆破安全規程》[9]中推薦以薩道夫斯基公式為基礎，對最大爆破振速進行經驗公式擬合，其基本形式如式(1)所示。

(1)

式中：K和α為地形地質相關系數和衰減指數，它們與圍巖地質條件有關，一般通過現場爆破振速測試數據擬合得到。

使用origin軟件對單空洞測線的監測數據(工況1～6)進行擬合，得到其K=108.1，α=1.476(見式2)。對雙空洞測線的監測數據(工況7～12)進行擬合，得到其K=177.2，α=1.836(見式3)。

(2)

(3)

采用決定系數R2(Coefficient of Determination)來評價擬合公式的優度。

(4)

式中：TSS為總均差平方和，由回歸平方和SSreg(取決于回歸模型)與殘差平方和RSS兩部分組成(見式5)。SSreg與TSS的比值(即決定系數R2)可以作為擬合優度的一種度量，該值越接近1，說明擬合優度越好。式2和式3中，單空洞和雙空洞測線擬合的決定系數分別為0.871和0.782，其擬合優度較好。

(5)

4.3 擬合結果討論

Ⅱ級圍巖屬堅硬圍巖，依《爆破安全規程》[9]，在振動連續傳播時，地形地質相關系數K的經驗取值約為50～150，衰減指數α的經驗取值約為1.3～1.5。但在既有空洞阻斷爆轟波連續傳播的條件下，從上述監測數據的擬合結果來看，單空洞情況下，K值仍位于堅硬圍巖的推薦范圍內，但α已接近中硬圍巖區間。雙空洞情況下，K值已落入中硬圍巖的推薦取值范圍(150～250)，而α更是落入軟巖的推薦取值范圍(1.8～2.0)。上述結果印證了既有空洞對臨近結構物具有較好的減振作用，并且當經過空洞數量增多時，爆破振動的傳播衰減進一步加劇。

與同位于福州市區的金雞山隧道原位擴建工程相比較[10]，其Ⅳ級圍巖段的薩道夫擬合參數為K=106.8，α=1.594。但金雞山隧道的既有空洞位于測線相反側，并不阻擋爆破振動波的連續傳播，其振動衰減效應遠不如馬尾隧道；其Ⅳ級圍巖段擬合所得衰減指數僅略大于馬尾隧道單空洞情況，而遠小于雙空洞情況。因此，既有空洞是否阻斷振動波的連續傳播對其衰減程度有很大影響，本文擬合所得公式可應用于存在阻斷連續傳播空洞條件下的爆破振速估算。

同時，由監測振速峰值數據可知，經過既有空洞衰減后，振速峰值最大值僅為3.1 cm/s，距5 cm/s的安全限值還有較大余量，施工中的靈活進尺仍稍顯保守。建議后續南洞擴挖及類似擴建工程，可以充分發揮既有空洞的減振效應，適當加大進尺、縮短工期、提高施工效率。

5 結論

1)既有空洞是否阻斷振動波的連續傳播對其衰減程度有很大影響，且隨空洞數量增多其衰減程度更為顯著，這有利于減輕臨近結構物的爆破振動效應。

2)Ⅱ級圍巖段，單空洞情況下其衰減指數α為1.476，接近硬巖的上限，而雙空洞情況下其衰減指數α達到1.836，已落入軟巖的推薦取值范圍。本文擬合所得公式可應用于阻斷連續傳播空洞條件下的爆破振速估算。