隧道爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測及動力響應(yīng)分析研究

趙智輝，劉躍成，楊金虎，康躍明

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400050；2.云南交投集團(tuán)投資有限公司，云南 臨滄 675800)

0 引 言

隧道開挖目前多采用爆破開挖，隧道爆破開挖引起的地震波對其周邊環(huán)境必然產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響。主要危害在以下幾個方面：對隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響、對開挖影響范圍內(nèi)的附建筑物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生擾動影響和危害。在工程實(shí)際應(yīng)用中，人們經(jīng)常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)爆破地震大小的計(jì)算，不過爆破地震波的影響因素很多，如：爆破地震波傳播介質(zhì)、爆破施工具體方案、巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)等。爆破振動強(qiáng)度的預(yù)測有2個主要的目的：(1)爆破振動災(zāi)害的控制，(2)對爆破振動效應(yīng)的研究。針對以上問題，經(jīng)過各國學(xué)者不斷探索和實(shí)踐，提出了一系列的振動強(qiáng)度衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式[1-7]。

在現(xiàn)場試驗(yàn)方面，殷延軍等[8-10]通過爆破震動現(xiàn)場試驗(yàn)和分析，得出了主震頻率和爆破質(zhì)點(diǎn)峰值震速之間相互關(guān)系，得出適合爆破規(guī)范安全允許的爆破藥量和安全距離，并用來指導(dǎo)生產(chǎn)爆破設(shè)計(jì)；王永慶[11]對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)回歸分析，歸納出爆破地震頻率的總體規(guī)律。

因此，基于現(xiàn)場試驗(yàn)研究對爆破振動強(qiáng)度的影響規(guī)律，提出精確計(jì)算爆破強(qiáng)度的計(jì)算公式。分析不同巖層爆破強(qiáng)度計(jì)算公式，得出爆破藥量和安全距離，可以很好的安全指導(dǎo)施工。

1 工程概況

鳳凰山隧洞后段穿越的地層除隧洞出口段有第四系覆蓋層外，其余洞段地層以“滇中紅層”侏羅系、白堊系地層為主，后段為白堊系地層。

鳳凰山隧洞后段穿越“滇中紅層”，巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖等。

隧洞沿線主要受地層巖性、構(gòu)造影響，巖體風(fēng)化不均勻。砂巖地層抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，地表出露強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體，溝谷陡壁出露弱風(fēng)化巖體。山坡部位強(qiáng)風(fēng)化帶厚10～30 m，弱風(fēng)化帶厚30～70 m。泥質(zhì)巖為主地層，巖石因膠結(jié)較差，遇水易軟化、崩解，抗風(fēng)化性能差，地表大部已風(fēng)化為碎裂狀、顆粒狀，具垂直分帶特征，突出的山梁和山脊比兩岸溝槽或陡坡表面風(fēng)化厚度要大，一般全風(fēng)化帶厚1～5 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚5～15 m，弱風(fēng)化帶厚20～80 m。受構(gòu)造和砂泥巖互層影響，存在明顯的隔層風(fēng)化、深槽風(fēng)化特征。由于鳳凰山隧洞埋深較大，隧洞均在微風(fēng)化-新鮮巖體中穿越，僅斷層帶及影響帶部位為強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本期試驗(yàn)采用的儀器為Nubox8016型爆破測振儀及相應(yīng)的傳感器。傳感器徑向X分量指向爆破點(diǎn)位置。

爆破振動監(jiān)測原理流程圖，如圖1所示。由于炸藥在巖石中的爆炸作用，使安裝布置在監(jiān)測質(zhì)點(diǎn)上的傳感器隨質(zhì)點(diǎn)振動而振動，使傳感器內(nèi)部的磁系統(tǒng)、空氣隙、線圈之間作相對的運(yùn)動，變成電動勢信號，電動勢信號通過導(dǎo)線輸入可變增益放大器將信號放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換，再通過時鐘、觸發(fā)電路，同時也通過存儲器信號保護(hù)，再通過CPU系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，采用波形顯示和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行波形分析和數(shù)據(jù)處理。

圖1 爆破振動監(jiān)測原理流程圖

2.2 測點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測隧道開挖爆破對隧洞圍巖的振動影響，其中分別在交通洞口外30 m地面、九道河洞口外35 m 地面、交通洞口地面、交通洞口往掌子面10 m處地面、交通洞口往掌子面50 m處地面、交通洞口往掌子面60 m處地面和交通洞口往掌子面70 m處地面、九道河隧道右側(cè)擋墻下方地面，7處位置進(jìn)行爆破振動速度測試，測點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布設(shè)圖

2.3 試驗(yàn)步驟

按照測點(diǎn)布設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測測點(diǎn)，現(xiàn)場掌子面裝設(shè)炸藥，放炮后記錄爆破振動速率值。

3 爆破振動速度規(guī)律研究

3.1 監(jiān)測結(jié)果

本次測試共放7炮，每炮布設(shè)1個測點(diǎn)測試，每次測試時均采用三分量(X方向/水平徑向、Y方向/水平切向、Z方向/垂直方向)傳感器，每炮測得1組監(jiān)測數(shù)據(jù)，3個速度分量值。7炮共測得21個振動速度分量值。測試數(shù)據(jù)見表1所示。測試結(jié)果分述如下。

(1)2020年6月20日進(jìn)行第1次爆破監(jiān)測，測點(diǎn)1在洞口段，距離爆破點(diǎn)149 m，測得振速X為0.02 cm/s、Y為0.04 cm/s、Z為0.15 cm/s，振動頻率X為16.48 Hz、Y為19.54 Hz，Z為26.78 Hz。

(2)2020年6月21日進(jìn)行第2次爆破監(jiān)測，測點(diǎn)1在洞口段，距離爆破點(diǎn)120 m，測得振速X為0.08 cm/s、Y為0.11 cm/s、Z為0.11 cm/s，振動頻率X為45.06 Hz、Y為57.94 Hz，Z為45.06 Hz。

(3)2020年6月21日進(jìn)行第3次爆破監(jiān)測，測點(diǎn)1在洞口段，距離爆破點(diǎn)50 m，測得振速X為2.25 cm/s、Y為2.55 cm/s、Z為3.08 cm/s，振動頻率X為55.62 Hz、Y為56.65 Hz，Z為74.16 Hz。

(4)2020年6月22日進(jìn)行第4次爆破監(jiān)測，測點(diǎn)1在洞口段，距離爆破點(diǎn)71 m，測得振速X為0.54 cm/s、Y為0.22 cm/s、Z為0.30 cm/s，振動頻率X為130.81 Hz、Y為61.80 Hz、Z為65.92 Hz。在金馬廠村民王治平家房屋門口地面(測點(diǎn)2距爆點(diǎn)距離345 m)，三個方向振速小于0.05 cm/s，振速小，儀器未觸發(fā)。

(5)2020年6月22日進(jìn)行第5次爆破監(jiān)測，測點(diǎn)1在洞口段，距離爆破點(diǎn)65 m，測得振速X為0.38 cm/s、Y為0.39 cm/s、Z為0.41 cm/s，振動頻率X為56.65 Hz、Y為57.68 Hz、Z為225.56 Hz。在金馬廠村民張世平家房屋門口地面(測點(diǎn)2距爆點(diǎn)距離395 m)，三個方向振速小于0.05 cm/s，振速小，儀器未觸發(fā)。

(6)2020年6月23日進(jìn)行第6次爆破監(jiān)測，測點(diǎn)1在洞口段，距離爆破點(diǎn)112 m，測得振速X為0.47 cm/s、Y為0.33 cm/s、Z為0.15 cm/s，振動頻率X為187.45 Hz、Y為121.54 Hz、Z為509.83 Hz。在金馬廠村民尹紹軍家房屋門口地面(測點(diǎn)2距爆點(diǎn)距離350 m)，三個方向振速小于0.05 cm/s，振速小，儀器未觸發(fā)。

(7)2020年6月23日進(jìn)行第7次爆破監(jiān)測，測點(diǎn)1在洞口段，距離爆破點(diǎn)55 m，測得振速X為0.12 cm/s、Y為0.07 cm/s、Z為0.09 cm/s，振動頻率X為11 Hz、Y為24.4 Hz、Z為15.9 Hz。在金馬廠村民徐應(yīng)林家房屋門口地面(測點(diǎn)2距爆點(diǎn)距離128 m)，測得振速X為0.08 cm/s、Y為0.05 cm/s、Z為0.10 cm/s，振動頻率X為18.54 Hz、Y為18.54 Hz、Z為14.42 Hz。

3.2 爆破振動速度公式

在獲取實(shí)測爆破參數(shù)后，利用軟件Origin 2017數(shù)據(jù)分析軟件，并結(jié)合Nubox8016型爆破測振儀配套軟件中評估模塊，采用薩道夫斯基公式

K(Q1/3/R)a=V

(1)

式中：V為爆破振動速度，cm/s；Q為藥量，kg；R為距離，m；a為擬合參數(shù)；K為擬合參數(shù)。

進(jìn)行了本次測試數(shù)據(jù)參數(shù)單獨(dú)擬合。

本次測試數(shù)據(jù)參數(shù)單獨(dú)擬合，利用t函數(shù)和f函數(shù)進(jìn)行方差檢驗(yàn)，參數(shù)擬合結(jié)果成功，擬合參數(shù)K和a分別為280.190 8和1.899 31。

3.3 回歸擬合

(1)M.A.薩道夫斯基地振動最大速度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測。

在獲取實(shí)測爆破參數(shù)后，利用軟件Origin 2017數(shù)據(jù)分析軟件，并結(jié)合Nubox8016型爆破測振儀配套軟件中評估模塊，采用薩道夫斯基公式進(jìn)行了本次測試數(shù)據(jù)參數(shù)單獨(dú)擬合。擬合參數(shù)K和a分別為280.190 8和1.899 31。

通過回歸分析得出爆破振動速度公式為

280.190 8(Q1/3/R)1.899 31=V

(2)

在獲得K和a后，為獲得不同藥量Q和距離R下的爆破振動速度V，利用Excel和Origin軟件將不同梯度的藥量Q和距離R帶入薩道夫斯基公式，計(jì)算和繪出最大單段藥量與爆破振動安全距離的關(guān)系數(shù)據(jù)及曲線。

金馬廠村的房屋有土坯房、毛石房屋和一般民用建筑物，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》土坯房的最低振動允許值為0.15 cm/s，根據(jù)回歸擬合的參數(shù)繪制出振速為0.15 cm/s時藥量與安全允許距離關(guān)系圖如圖3所示，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》此處的藥量為延時爆破的最大單段藥量。

圖3 振速為0.15 cm/s時藥量與安全允許距離關(guān)系圖

4 結(jié) 論

(1)爆破振動速率曲線符合M.A.薩道夫斯基地振動最大速度經(jīng)驗(yàn)公式。

(2)爆破作業(yè)時產(chǎn)生的爆破地震波未對周邊的房屋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。按照目前的裝藥量、本工區(qū)地質(zhì)情況、周邊房屋結(jié)構(gòu)情況以及爆破影響的時間累計(jì)效應(yīng)等多方面綜合考慮，對于土坯房結(jié)構(gòu)，爆破地震波的影響范圍在120 m以內(nèi)；對于一般磚房等民用建筑物房屋，爆破地震波的影響范圍在50 m以內(nèi)。超過此范圍的房屋無影響。