代 勇，周建春

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640)

1 引言

隧道爆破施工時(shí)，炸藥釋放的能量以地震波的形式從震源向四周傳播，經(jīng)過介質(zhì)達(dá)到地表，引起地表松動(dòng)和周邊建筑物損傷，振動(dòng)強(qiáng)度隨著爆距(爆破面到監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離)的增加不斷減弱。在爆區(qū)的一定范圍內(nèi)，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起相鄰建筑物不同程度的破壞。一些隧道施工過程中爆破會(huì)對(duì)周圍環(huán)境的安全產(chǎn)生影響，會(huì)引起相鄰隧道襯砌受力發(fā)生改變，甚至產(chǎn)生安全問題。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)爆破振動(dòng)的研究主要集中在爆破速度對(duì)既有隧道的影響，而對(duì)爆破頻率與結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)引起襯砌受力的危害研究較少。通過工程實(shí)例探討爆破振動(dòng)對(duì)臨近隧道襯砌受力的影響。

2 工程概況

2.1 工程概況

天坪嶺隧道是廣清(廣州至清遠(yuǎn))高速公路位于清遠(yuǎn)龍?zhí)伶?zhèn)附近的1座改擴(kuò)建隧道工程。老天坪嶺隧道左、右洞均位于直線段，左線隧道長(zhǎng)1 525.75 m，左線隧道里程為L(zhǎng)K45+638.330～LK47+164.080;右線隧道長(zhǎng)1 548.75 m，右線隧道里程為RK45+618.396－RK47+167.146，為雙洞4車道隧道，采用分離式布設(shè)。新建天坪嶺左線隧道長(zhǎng)l557 m，隧道里程為L(zhǎng)K45+643～LK47+200，新建天坪嶺右線隧道長(zhǎng)1537 m，隧道里程為RK45+653～RK47+190，改擴(kuò)建方式為在原老隧道兩側(cè)各新建l座隧道，新建天坪嶺左線隧道距相鄰老天坪嶺左線隧道中心線間距約41.8～50.7 m，新建天坪嶺右線隧道距相鄰老天坪嶺右線隧道中心線間距約64.5～108.8 m。新隧道與既有隧道位置關(guān)系見圖1。

圖1 新隧道與既有隧道位置關(guān)系示意(單位:m)

2.2 地質(zhì)概況

隧道穿越丘陵地段山體完整，丘陵脊線明顯，地層巖性主要為燕山期花崗巖及風(fēng)化層，覆蓋層主要為第四系坡殘積土，厚度較薄。隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，含水層為中～微風(fēng)化層，腐蝕性較小。圍巖大致分級(jí)如表1所示。

表1 天坪嶺隧道圍巖分級(jí)

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)的規(guī)定，我國(guó)交通隧道振動(dòng)限值為10～20 cm/s，為了保證舊隧道二襯結(jié)構(gòu)的安全性，爆破振動(dòng)施工時(shí)，須對(duì)舊天坪嶺隧道襯砌爆破振動(dòng)速度、二襯表面應(yīng)變、隧道變形進(jìn)行測(cè)試分析并確認(rèn)爆破施工的安全性。

測(cè)試項(xiàng)目有:舊隧道襯砌表面應(yīng)變、舊隧道二襯表面振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，各兩個(gè)測(cè)試斷面。爆破施工炸藥選用φ32 mm巖石膨化硝銨乳化炸藥，起爆采用延時(shí)毫秒電雷管，引爆電源采用FB－300型起爆器，施工方法為全斷面爆破。爆破施工參數(shù)如表2所示。

表2 爆破施工參數(shù)

3.2 舊隧道襯砌應(yīng)變監(jiān)測(cè)

在舊天坪嶺隧道左線清遠(yuǎn)端，與爆破區(qū)域?qū)?yīng)的縱向1倍和2倍洞徑長(zhǎng)度范圍內(nèi)，爆破四周環(huán)境布置如圖2所示。在舊隧道襯砌離洞門較近處布置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面共6個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)儀器采用金壇海巖儀器廠生產(chǎn)的振弦式混凝土表面應(yīng)變計(jì)，橫斷面布置如圖3所示。

圖2 新天坪嶺隧道爆破區(qū)四周環(huán)境布置(單位:m)

圖3 舊隧道二襯表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

3.3 舊隧道襯砌振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)

目的是了解施工過程中新建隧道爆破施工對(duì)于舊隧道二襯的影響，制定或驗(yàn)證合理的施工順序和爆破裝藥量。在新建隧道左線清遠(yuǎn)端松動(dòng)爆破施工時(shí)，在舊天坪隧道洞內(nèi)設(shè)置2個(gè)爆破振動(dòng)測(cè)試斷面，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工。

監(jiān)測(cè)斷面縱向布置:在距離舊天坪嶺隧道左線清遠(yuǎn)出口端1倍和2倍洞徑處(與二襯混凝土表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面相同樁號(hào))，分別設(shè)置2個(gè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面處，左右側(cè)各設(shè)置1個(gè)三分量高精度磁電式速度傳感器，共計(jì)1個(gè)垂直方向、1個(gè)水平橫向(按照隧道縱向?qū)ΨQ軸線建立坐標(biāo)系)，總計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖4)，采用東華測(cè)試DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀和筆記本電腦連接，與爆破同步采集爆破速度時(shí)程數(shù)據(jù)。

3.4 舊隧道襯砌變形監(jiān)測(cè)

舊隧道襯砌變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容為單位時(shí)間拱頂下沉和周邊收斂量判斷支護(hù)效果。爆破監(jiān)測(cè)區(qū)域舊隧道二襯斷面變形(拱頂下沉和周邊位移)斷面測(cè)線布置如圖5所示，共布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)拱頂下沉、周邊位移觀測(cè)點(diǎn)。

圖4 舊隧道二襯表面爆破振動(dòng)速度傳感器布置

圖5 拱頂下沉和周邊位移測(cè)線布置

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 爆破施工時(shí)既有天坪嶺隧道二襯表面應(yīng)變測(cè)試分析

共進(jìn)行3次爆破振動(dòng)測(cè)試，應(yīng)變測(cè)試包括2個(gè)斷面，分別為洞口段1倍、2倍洞徑處(見圖2)，每個(gè)斷面布置6個(gè)振弦式傳感器(圖3)，2倍洞徑斷面布置同1倍洞徑。爆破前后應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表3～表5。

表3 第1次爆破施工時(shí)天坪嶺隧道二襯表面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

由以上新天坪嶺隧道地表松動(dòng)爆破施工時(shí)既有隧道二襯表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果可知。

(1)爆破施工時(shí)既有隧道二襯表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，所有監(jiān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)混凝土表面壓應(yīng)變最大值為20.69 με，位于第2次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)左側(cè)墻腳處，遠(yuǎn)小于C20混凝土設(shè)計(jì)開裂限值1 400 με。

(2)由以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可見，爆破施工時(shí)既有隧道二襯左、右側(cè)混凝土表面應(yīng)變呈不對(duì)稱分布狀態(tài);第1次爆破施工過后二襯較長(zhǎng)時(shí)間仍有微小殘余應(yīng)變沒有恢復(fù)，原因是第1次爆破裝藥量略大。第2次、第3次爆破施工時(shí)裝藥量略有減小，相應(yīng)的二襯表面混凝土應(yīng)變很小，可認(rèn)為無殘余應(yīng)變發(fā)生。

表4 第2次爆破施工時(shí)天坪嶺隧道二襯表面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表5 第3次爆破施工時(shí)天坪嶺隧道二襯表面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

4.2 爆破施工時(shí)既有天坪嶺隧道二襯表面振動(dòng)速度測(cè)試分析

新天坪嶺隧道地表松動(dòng)爆破施工對(duì)舊隧道振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6～圖8所示，共進(jìn)行3次爆破數(shù)據(jù)采集分析，限于篇幅，只列出第一次爆破振動(dòng)速度測(cè)試圖，后續(xù)2次結(jié)果相似，3次測(cè)試振動(dòng)速度最大值為0.84 cm/s，振動(dòng)衰減很快，說明舊隧道剛度較大。

由以上爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，所有監(jiān)測(cè)斷面各向爆破振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求限值10 cm/s，振動(dòng)衰減較快，說明結(jié)構(gòu)剛度足夠，對(duì)舊隧道襯砌影響不大，因此以此藥量爆破結(jié)構(gòu)偏于安全。

圖6 舊天坪嶺隧道第1次爆破襯砌左側(cè)水平方向振動(dòng)速度(單位:m/s)

圖7 舊天坪嶺隧道第1次爆破襯砌左側(cè)豎向振動(dòng)速度(單位:m/s)

圖8 舊天坪嶺隧道第1次爆破襯砌左側(cè)橫向振動(dòng)速度(單位:m/s)

4.3 爆破施工前后既有天坪嶺隧道二襯變形監(jiān)測(cè)分析

在每次爆破施工前后，采用激光斷面儀監(jiān)測(cè)了上述1倍洞徑處(斷面1)、2倍洞徑處(斷面2)的斷面拱頂下沉和周邊位移。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，爆破施工前后2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面未發(fā)生顯著變形，如圖9～圖12所示，變形呈起伏狀態(tài)，說明爆破前后結(jié)構(gòu)會(huì)有輕微影響，但很快恢復(fù)原狀。

圖9 斷面1拱頂下沉?xí)r程曲線

圖10 斷面1水平位移時(shí)程曲線

圖11 斷面2拱頂下沉?xí)r程曲線

圖12 斷面2水平位移時(shí)程曲線

5 結(jié)論

綜上所述，新天坪嶺隧道爆破施工時(shí)既有隧道二襯表面應(yīng)變、爆破振動(dòng)速度和斷面變形監(jiān)測(cè)分析結(jié)果如下:

(1)爆破施工時(shí)既有隧道二襯表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，所有監(jiān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)混凝土表面壓應(yīng)變最大值為20.69 με，位于第2次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)左側(cè)墻腳處，遠(yuǎn)小于C20混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范開裂限值1 400 με。

(2)由爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，所有監(jiān)測(cè)斷面各向爆破振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求限值10 cm/s，以此標(biāo)準(zhǔn)來控制爆破施工對(duì)今后類似工程提供有益幫助。

(3)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在每次爆破施工前后，1倍洞徑處、2倍洞徑處的斷面拱頂下沉和周邊位移很小，爆破施工前后2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面未發(fā)生顯著變形，說明爆破施工滿足設(shè)計(jì)要求，可供類似工程參考。

總之，測(cè)試通過以上3種方法聯(lián)合使用，能達(dá)到更好的指導(dǎo)工程施工，確保爆破安全，為今后類似爆破提供監(jiān)測(cè)參考。

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