葉云斌　方繼偉

(1.寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站　寧波　315040；　2.寧波市交通建設(shè)工程試驗檢測中心有限公司　寧波　315113)

隧道爆破施工對近接既有隧道的影響分析

葉云斌1方繼偉2

(1.寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站寧波315040；2.寧波市交通建設(shè)工程試驗檢測中心有限公司寧波315113)

摘要新建隧道爆破施工對既有隧道影響嚴(yán)重，為了對影響規(guī)律進行分析，對既有隧道進行爆破振動監(jiān)測。通過對監(jiān)測爆破振動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出爆破振動振速傳播規(guī)律，歸納分析得到爆破振動傳播規(guī)律的薩氏公式，并得到振動速度與爆心距和最大段裝藥量的關(guān)系，為有效地減小爆破振速提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞爆破振動振動速度爆心距最大段裝藥量

隨著山區(qū)高速公路快速發(fā)展，為適應(yīng)山區(qū)地形和減少占用耕地，隧道成為很重要的一種公路結(jié)構(gòu)形式。隧道開挖施工需要解決的一個重要問題是：最大限度地降低爆破振動，減少對隧道圍巖和支護體系的振動，減少隧道爆破對地表及附近民房和農(nóng)用構(gòu)筑物的影響。本文通過對爆破振動進行監(jiān)測，對影響爆破振速的因素進行研究分析。

1爆破對臨近結(jié)構(gòu)影響

在爆破振動作用下，建筑物受到振動加速度的作用，產(chǎn)生慣性力，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)破壞[1]。對于爆破振動的危害，主要應(yīng)研究地振波的加速度和造成結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的荷載。

當(dāng)爆破地振波投射入土層后，由于地表的多次反射和巖土界面的反射和透射，與土層頻率接近的振波將被放大，其他頻率的振波在傳播中快速衰減。土層對于爆破振動的放大效應(yīng)，使主振相的前振段振幅急劇增大，而后振段振幅快速衰減。高頻振波的前振段引起建筑物的反應(yīng)，會干擾最大振幅引起結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)[2]。

2既有隧道爆破振動監(jiān)測及安全性評估

本文基于新建隧道爆破施工對既有隧道影響規(guī)律進行分析，對既有隧道進行爆破振動監(jiān)測，以確保既有隧道安全運營。

2.1　爆破振動監(jiān)測儀器及測點布置及測試方法

選用爆破振動智能監(jiān)測儀采集到的爆破現(xiàn)場振動數(shù)據(jù)，之后對其進行分析預(yù)測(v-ρ分析、振速預(yù)測、安全距離預(yù)測和安全裝藥量預(yù)測)和管理。

(1) 測點布置原則。為了研究爆破對近接隧道的影響，測點布置在掘進隧道掌子面和相鄰隧道對應(yīng)樁號的斷面后面，具體的位置是隧道迎爆側(cè)邊墻附近，如有需要也可以在襯砌病害嚴(yán)重斷面或背爆側(cè)。

(2) 爆破振動測試方法。在條件允許的情況下同一測點同時布置豎向和水平向傳感器。爆破前30 min布置測點，采用石膏將傳感器固定到地面或者側(cè)墻上，涂抹在傳感器上的石膏要薄而結(jié)合緊密，必要時需要用石膏對安裝部位進行平整修補[3]。測試過程中儀器及測點布置示意見圖1。

圖1　儀器現(xiàn)場安裝圖

2.2　爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)

我國《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)所規(guī)定的爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)是以質(zhì)點振動速度或振動速度結(jié)合振動頻率為判據(jù)，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)所保護對象結(jié)構(gòu)物的重要程度和類型提出了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1　爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

注：表列頻率為主振頻率，系指最大振幅所對應(yīng)波的頻率。

既有隧道安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)以國標(biāo)規(guī)定的交通隧道為參考和主要依據(jù)，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)既有隧道有多處滲漏水、裂縫等隧道病害，結(jié)合類似隧道施工監(jiān)測中的經(jīng)驗，按國標(biāo)規(guī)定安全振速下限為10 cm/s。

2.3　爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1) 爆破施工報警值。根據(jù)工程實際情況及既有工程經(jīng)驗，為了評估爆破振動的影響，采用4個分區(qū)：振速小于5 cm/s時(理想?yún)^(qū))，可認(rèn)為新建隧道爆破施工對既有隧道基本沒有影響；振速大于5 cm/s而小于8 cm/s時(安全區(qū))，可認(rèn)為新建隧道爆破施工對既有隧道有一定影響，但不危害既有隧道的安全運營；振速大于8 cm/s而小于10 cm/s時(黃色警報區(qū))，新建隧道爆破施工對既有隧道影響較大，對于隧道結(jié)構(gòu)安全存在隱患，需要進行預(yù)警及各方重視；振速大于10 cm/s時(紅色警報區(qū))，新建隧道爆破施工對既有隧道運營及結(jié)構(gòu)安全有非常大的影響，施工單位必須采取相關(guān)控制措施，同時交管部門也需要采取一定限行措施。

(2) 爆破振動傳播規(guī)律分析。振動速度實測數(shù)據(jù)分析表明，影響爆破振動強度的主要因素有裝藥量和爆破介質(zhì)臨空面的條件、爆心距、地質(zhì)條件和迎爆面[4]。

高差變化對振動速度衰減規(guī)律有一定影響，爆破振動數(shù)據(jù)的分析方法因高差不同而不同。在不考慮高差的情況下，垂直振速經(jīng)驗公式為

式中：v為爆破振動峰值垂直振速，cm/s；ρ為比例藥量；Q為爆破最大段藥量，kg；R為爆心距，m；k為場地條件系數(shù)；α為爆破振動衰減指數(shù)。

在比例藥量ρ已知情況下，把該式兩邊取對數(shù)，即可對監(jiān)測爆破振動數(shù)據(jù)進行一元線性回歸得到k，α值，從而得到爆破振動峰值垂直振速衰減方程。

根據(jù)上述理論，對現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)可以做出lgρ-lgv曲線，見圖2。

圖2　史家山隧道爆破振動數(shù)據(jù)擬合圖

2.4　爆破振動分段裝藥量與爆心距影響分級

當(dāng)分段最大裝藥量和爆心距不同時，對爆破振速的影響不同，并建立爆心距與分段最大裝藥量影響分級。根據(jù)隧道安全狀況和以往研究成果，將爆破振動對隧道襯砌的影響根據(jù)爆破振速分為如下4級。

①爆破振速為v<5cm/s時，爆破振動對襯砌結(jié)構(gòu)基本無影響，無需采取措施。

②爆破振速為5cm/s

③爆破振速為8cm/s

④爆破振速滿足v>10cm/s時，爆破振動對襯砌結(jié)構(gòu)有安全性影響，需采取減振措施。除了調(diào)整施工工法，爆破中可采用增加雷管的段別，減少同段雷管起爆藥量來減少爆破地震強度，設(shè)計爆破網(wǎng)格為孔內(nèi)微差，孔外同段的非電微差起爆技術(shù)。導(dǎo)爆管一般跳段使用，使段間間隔時間大于50ms，防止地震波相互疊加產(chǎn)生較大振動。

(1) 最大段藥量分析。考慮分段最大裝藥量影響時，假定爆心距分段最大裝藥量從2~20kg變化，則可得到爆破峰值振速與分段裝藥量的關(guān)系，見圖3。

圖3　隧道爆破振速與最大段炸藥關(guān)系曲線圖

可見，隨著分段裝藥量的增加，振速與之成指數(shù)形式增長，表達式為：v=1.653Q0.635，在爆心距確定的情況下，可以通過增加分段數(shù)或者減少分段炸藥量的方式減小對既有結(jié)構(gòu)的振動。比如，在爆心距為20m時，如果分段裝藥量為20kg，則最大振速達到11.1cm/s；如果分段裝藥量減小到12kg，最大振速可以降低到8cm/s，可以滿足既有隧道安全性要求。

采用回歸分析研究隧道掘進爆破振動傳播規(guī)律，同時可以推導(dǎo)保證隧道結(jié)構(gòu)安全的最大段藥量的控制，公式如下：

對于隧道凈距R=15.8 m和25 m時，分別將振速[v]=5 cm/s，[v]=8 cm/s和[v]=10 cm/s代入上式算出最大段藥量分區(qū)，見表2。

表2　分段最大裝藥量與爆破影響分級

可見不同的振速或者爆心距，最大段藥量的影響均較大，在爆破施工分段設(shè)計時，需要綜合考慮臨近結(jié)構(gòu)位置及地層狀態(tài)。

(2) 爆心距影響分級?？紤]爆心距對最大振速影響時，假定分段最大裝藥量Q=12 kg，爆心距則從5 m到100 m變化，則可得到爆破峰值振速與爆心距的關(guān)系，見圖4。

圖4　隧道爆破振速與爆心距關(guān)系曲線圖

隨著爆心距的增加，振速與之呈指數(shù)形式減小，表達式為：v=2 420R-1.906。

可見，在分段最大裝藥量確定的情況下，爆心距越大，對于既有結(jié)構(gòu)安全影響越小。當(dāng)爆心距小于20 m時，振動速度大于10 cm/s，因此為了保證既有結(jié)構(gòu)的安全需要采取措施；當(dāng)爆心距大于30 m時，最大振速會降低到5 cm/s以下，對于既有結(jié)構(gòu)基本沒有影響；尤其當(dāng)爆心距大于50 m時，可以忽略爆破振動的影響。因此在隧道選線過程中，需要考慮洞口附近建筑及既有隧道影響，由于條件限制無法避免時還需要采取別的措施降低爆破振動對于既有結(jié)構(gòu)的影響[6]。

3結(jié)語

隧道施工過程中，監(jiān)測新建隧道爆破振動對既有隧道的影響，并根據(jù)既有隧道襯砌特征和安全狀況，提出安全振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)，將爆破振動影響分為4級，即無影響、有一定影響，有較大影響和安全性影響。同時，通過對監(jiān)測爆破振動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出爆破振動振速傳播規(guī)律，歸納分析得到爆破振動傳播規(guī)律的薩氏公式，得到振動速度與爆心距和最大段裝藥量的關(guān)系。依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論研究，及時向施工單位反饋，并提出有效的施工措施減小爆破振速。

參考文獻

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[6]楊光.隧道爆破施工對鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響分析與控制研究[D].長沙：中南大學(xué)，2011.

Influence Analysis of the Blasting Construction of New Tunnel on Existing Tunnel

YeYunbin1,FangJiwei2

(1.Ningbo Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Station, Ningbo 315040, China;

2.Ningbo Traffic Construction Experiment and Detection Co., Ltd., Ningbo 315113, China)

Abstract：The new tunnel blasting has serious influence on existing tunnel. In order to analyze the influence regularity, the blasting vibration of old tunnel was monitored. The velocity propagation law and the relationship of vibration speed with blast center distance and charge weight in larger segment are got by analyzing the monitoring data of blasting vibration, which can provide theoretical basis for reducing blasting vibration velocity effectively.

Key words:blasting vibration; vibration velocity; blast center distance; charge weight in larger segment

收稿日期：2015-03-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.041