爆破振動自動化監測在地鐵施工中的應用研究

楊東仁

（上海勘察設計研究院（集團）有限公司青島分公司，山東 青島 266000）

1 引言

隨著國內經濟的持續高速發展，城市交通壓力越來越繁重，為緩解地面交通壓力，我國開拓地下空間，大力發展地鐵建設項目。城市地鐵隧道具有埋藏淺、地表建筑物密集的特點，采用鉆爆法進行施工時，爆破振動會對鄰近建筑物的結構安全及附近居民的正常生產生活造成負面影響[1]，尤其要考慮爆破施工對周邊環境產生的振動影響[2-5]。

鉆爆法是硬巖地區地鐵隧道開挖的主要施工方法之一。青島地鐵穿越的地層大部分以硬巖地層為主，沿線地面大多是繁華的居民區和商業區，人口稠密，地面建筑物密集，加之地鐵隧道埋深較小，在16～25 m，因而施工爆破所產生的沖擊波超壓、爆破噪聲和地面振動等次生效應會對周圍的建筑物、設施及人員造成不同程度和范圍的影響，其中對城市環境影響最為顯著的是爆破振動效應，尤其是地鐵施工穿越密集建筑群和人群，對爆破的控制要求會很高，因此，需要一種智能的爆破振動監測手段和管理手段，隨時掌控爆破動態，更為準確地實現振動的測量與分析[6]。

2 工程概況

青島市地鐵某線路為青島市主城區東西向的骨干線，連接了市南區、市北區、嶗山區，線路總體呈東西走向，從青島城區的中部東西向連接老城區、東部新區以及嶗山區沙子口鎮，未來將成為青島市民重要的地鐵交通路線。

全線設多處暗挖車站、礦山法導洞。地鐵車站長度通常在150～200 m，多設在強風化-中風化花崗巖中，底板坐落在中風化-微風化花崗巖中，穩定性較強。因圍巖等級為Ⅱ～Ⅲ級，圍巖等級好，開挖難度大，故采用鉆爆法進行開挖施工。周邊建筑物、管線等密集，錯綜復雜，且距離車站較近，爆破施工控制不當將對周邊建（構）物產生巨大影響，造成建（構）物開裂、滲漏等情況。

青島市地貌類型按成因主要為構造-剝蝕區、山麓斜坡堆積區及河流侵蝕堆積區，地下水類型主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，第四系孔隙水又分為上層滯水、潛水和承壓水。圖1 為工程地質剖面圖。

圖1 青島市地鐵某線路工程地質剖面圖

3 監測實施

3.1 測點布設

爆破施工影響50 m 范圍內的所有建（構）筑物需進行爆破振動監測。

爆破振動測點應布置在所需監測的地表、建筑物結構支撐柱上、隧道側壁上。安裝傳感器時必須安裝穩固，避免質點的振動監測數據產生失真現象，一般采用玻璃膠進行固定。

爆破振動監測采用爆破振動自動化監測，監測點選取原則為“最近原則”“最弱原則”和“重點原則”。

3.2 監測方案

爆破振動自動化監測采用TC-6850 網絡測振儀（見圖2），儀器采用最先進的智能化傳感器，自帶WiFi/3G/4G 網絡。

圖2 TC-6850 型爆破測振儀

當爆破發生時，系統會自動記錄爆破振動信號的動態波形，將其轉換為數字信號存儲，測試人員在遠離震源現場處通過終端測控軟件，即可將數據文件傳回本地進行操作分析，并實時監控系統工作狀態。

與爆破振動人工監測對比，自動化爆破振動監測的優勢：

1）傳感器和主機集成一體，體積小，便于攜帶，易安裝；

2）內置WiFi/4G/3G 通信模塊；連接網絡，可以實現數據無線傳輸、遠程監控管理，實時生成監測報告，方便隨時查看；

3）供電方式采用太陽能供電或由就近位置接電口直接供電；

4）可以實現無人值守，減少人力物力的投入；

5）可以實現長期監測，減少經常拆卸給儀器帶來的損傷。

爆破自動化硬件主要包括兩大部分：儀器主體部分和儀器供電部分。

儀器主體：由TC-6850 型爆破測振儀，路由器（內置通信卡，提供4G 信號）組成；供電系統：由太陽能電板，蓄電池，控制器組成。爆破自動化數據采集、傳輸組成部分如圖3 所示。

圖3 爆破自動化數據采集、傳輸組成部分

4 監測數據分析

4.1 相同位置下的監測數據對比分析

為了驗證傳統爆破振動監測（TC-4850）與自動化爆破振動監測（TC-6850）數據的差異性，結合青島地鐵某線路在建項目，進行爆破監測數據的對比分析。

試驗使用3 臺儀器在3 個爆破工點車站D、車站E 及區間F 進行了同等條件自動化監測、施工方監測和第三方監測下的3 方數據對比試驗。傳感器分別為自動化監測的TC-6850（傳感器A）和兩臺傳統監測的TC-4850（傳感器B1、B2）。3 臺傳感器均使用石膏粘接在爆破附近的地面上（見圖4），可近似認為三者處在同一環境的同一位置。

圖4 相同位置下爆破監測測試試驗

根據現場監測，得出如表1 所示數據。如圖5 所示，通過相同位置下的爆破監測數據對比分析發現，在相同位置條件下，兩種監測手段的監測數據相差不大，最大相差0.11 cm/s，但傳統爆破監測需要連接主機才能讀取數據，自動化爆破監測實現了網絡連接，當爆破發生后，數據同步到平臺，直接生成數據和爆破振速波形圖。

表1 相同位置下爆破監測測試試驗數據對比cm/s

圖5 相同位置下爆破監測數據對比分析圖

4.2 不同位置下的監測數據對比分析

線路區間側穿一棟小區住宅樓L，該處隧道埋深約25 m，距離住宅樓水平距離約42 m，隧道采用爆破開挖，考慮爆破對周邊環境的影響，進行了傳統爆破和自動化爆破監測，測點分別布設在一樓樓道內，傳統爆破監測點使用石膏粘接在一層地面上，自動化爆破監測點固定在一層承重結構上。

選取該隧道開挖期間某個月內15 次的爆破數據，對兩種爆破監測手段得到的數據進行對比分析，得到以下分析結果（見表2 和圖6）。

圖6 不同位置下爆破監測數據對比分析圖

通過不同位置條件下的爆破監測數據對比分析發現，在不同位置條件下，監測數據存在較大的差異，最大相差0.48 cm/s，主要原因是自動化監測系統TC-6850 固定在建筑物沉重結構上，本身就比較穩固，且墻體受到周邊振動環境的影響較小，能夠較為準確地反映建筑物的振動速率；而固定在地面的TC-4850，受到周邊環境振動的影響較大，且采用石膏固定在地面上，存在一定的人為因素，對建筑物的振動速率反應有一定的誤差。在相同的監測環境下，傳統爆破監測未觸發率達到了46.67%，而自動化爆破監測均能正常觸發。

5 結論

1）傳統爆破需要投入人工和設備，成本較高；測點的反復拆裝，受安裝位置的限制，造成數據準確性低，而自動化爆破系統，避免了反復拆裝，位置也可以隨便選取，固定也更加牢固，數據的準確率高。

2）通過與傳統爆破監測的對比，自動化監測系統更穩定，數據也更接近真實性，更加適應在地鐵工程中應用。