江 杰，蒲 鷗，劉剛伯，歐孝奪,2，謝規(guī)球

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西桂林5410044.中交第四公路工程局有限公司， 北京100022)

玉象隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

江 杰1,2,3，蒲 鷗1，劉剛伯1，歐孝奪1,2，謝規(guī)球4

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西桂林5410044.中交第四公路工程局有限公司， 北京100022)

現(xiàn)行公路隧道受到偏壓和淺埋的影響較大，在圍巖穩(wěn)定性不高的情況下，其爆破施工會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生一定影響。廣西玉象隧道圍巖級(jí)別為V級(jí)，從洞口延伸至洞內(nèi)120 m都屬于偏壓淺埋段，文中通過(guò)對(duì)該隧道淺埋段襯砌結(jié)構(gòu)振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到擬合公式，給出測(cè)試條件下的爆破參數(shù)建議值，同時(shí)，通過(guò)擬合公式預(yù)測(cè)距離掌子面較近襯砌結(jié)構(gòu)的振速，并根據(jù)結(jié)果對(duì)爆破方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保障施工的安全。研究方法和結(jié)果可對(duì)類(lèi)似工程提供參考。

隧道爆破；爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)；偏壓淺埋隧道；回歸分析

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)公路隧道日益增多，許多隧道在其洞口段常常受到偏壓、淺埋的影響，在施工過(guò)程中會(huì)面臨圍巖不穩(wěn)定、巖層壓力復(fù)雜等問(wèn)題，當(dāng)隧道進(jìn)行爆破開(kāi)挖時(shí)，洞口的偏壓淺埋段需要謹(jǐn)慎處理才能避免造成工程事故的發(fā)生。在爆破施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)采取合理的監(jiān)測(cè)方案以及數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)爆破方案進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以有效地減少因爆破而產(chǎn)生的不利影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道爆破振速監(jiān)控分析開(kāi)展了相關(guān)研究。孫西濛等[1]對(duì)隧道進(jìn)行了地表爆破振動(dòng)控制研究，通過(guò)對(duì)爆破開(kāi)挖全面監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，對(duì)爆破方案參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的調(diào)整和優(yōu)化；陶鐵軍等[2]針對(duì)爆破三向地震波的傳播進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析，總結(jié)了采礦場(chǎng)三向地震波的傳播規(guī)律；劉玉山等[3]根據(jù)小凈距隧道的特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究小凈距隧道之間在爆破施工時(shí)需要關(guān)注的振速控制關(guān)鍵因素，并總結(jié)了對(duì)應(yīng)圍巖條件的地震波衰減規(guī)律。然而，許多公路隧道因爆破施工使其襯砌結(jié)構(gòu)受到各種形式的破壞[4-9]，特別是在隧道的洞口段，在偏壓淺埋影響較大的情況下，因圍巖不穩(wěn)定、巖層壓力復(fù)雜等使得襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，因此，有必要對(duì)偏壓、淺埋隧道開(kāi)展襯砌結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)控制研究。

本研究以廣西南寧玉象隧道工程為背景，通過(guò)對(duì)該隧道淺埋段襯砌結(jié)構(gòu)的振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到擬合公式，給出測(cè)試條件下的爆破參數(shù)建議值，同時(shí)，預(yù)測(cè)距離掌子面較近襯砌結(jié)構(gòu)的振速并根據(jù)結(jié)果對(duì)爆破方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保障施工的安全。

1 工程概況

廣西玉象隧道為4車(chē)道小凈距公路隧道，長(zhǎng)度440～540 m。穿越的山型高低起伏，場(chǎng)地高程約105.27～210.58 m，相對(duì)高差約105.31 m，邊坡陡峭，坡度一般28～40°，局部45～55°。隧道有很大一部分位于偏壓淺埋區(qū)，其巖土層主要為表土、第四系殘積相的碎石土以及古近系泥巖、砂巖、泥盆系硅質(zhì)砂巖等，為角礫質(zhì)黏性土硬塑狀態(tài)，厚約0.80～6.30 m；下層砂巖結(jié)構(gòu)大部份被破壞，礦物成份變化顯著，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體破碎，碎裂狀結(jié)構(gòu)。圍巖被判定為V級(jí)，穩(wěn)定性較差。

隧道截面設(shè)計(jì)采用四心圓斷面，初期支護(hù)的主要構(gòu)件由錨桿、噴射混凝土、鋼支撐、鋼筋網(wǎng)組成。爆破在隧道內(nèi)進(jìn)行，隧道口周邊200 m范圍內(nèi)無(wú)需保護(hù)建筑，非機(jī)動(dòng)車(chē)道、機(jī)動(dòng)車(chē)道分別采用上下臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。為了控制爆破振動(dòng)，采用松動(dòng)控制爆破方式，爆破方案中周邊孔、輔助孔和掏槽孔的單孔孔深分別為1.5 m、1.5 m和1.8 m，其單孔最大裝藥量分別為0.3 kg、0.6 kg和0.8 kg。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

監(jiān)測(cè)設(shè)備采用成都中科測(cè)控公司(中國(guó)科學(xué)院成都分院)的TC-4850新型測(cè)振儀，微弱振動(dòng)即可觸發(fā)儀器測(cè)量，儀器攜帶、操作方便，可精確地記錄振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)數(shù)值等相關(guān)參數(shù)。

2.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

文獻(xiàn)[10]指出，爆破引起的振動(dòng)強(qiáng)度可以用質(zhì)點(diǎn)的速度、加速度和位移等作為衡量值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量實(shí)踐得出結(jié)論：振動(dòng)速度能夠比較直觀地反映爆破地震波的破壞程度。因此，本研究通過(guò)監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，結(jié)合規(guī)范[12]判斷爆破地震波對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響程度。布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，用米尺量測(cè)掌子面到測(cè)點(diǎn)的距離，把傳感器平放到測(cè)點(diǎn)位置并使其垂直地面，并涂抹石膏，使傳感器能夠固定在測(cè)點(diǎn)位置上，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 傳感器和儀器布點(diǎn)Fig.1 Sensor and instrument layout

2.3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

玉象隧道的主要特點(diǎn)是偏壓和淺埋，因此，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要集中在隧道偏壓淺埋段，其測(cè)點(diǎn)布置在距爆破開(kāi)挖掌子面一定距離的襯砌結(jié)構(gòu)上。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

2016年3～4月，對(duì)玉象隧道右機(jī)動(dòng)車(chē)道的中導(dǎo)洞掌子面K2+615、K2+610、K2+605，左導(dǎo)洞掌子面K2+500、K2+495、K2+490和右導(dǎo)洞掌子面K2+510、K2+505、K2+500進(jìn)行了共26次振速監(jiān)測(cè)，其中有效數(shù)據(jù)23個(gè)。通過(guò)對(duì)該隧道所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，其垂直振速均比水平振速和徑向振速大，因此，選取振速最大的垂直振速進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。鑒于篇幅關(guān)系，選取6個(gè)代表性數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行分析，振速波形圖見(jiàn)圖2。

圖2 仰拱爆破傳感器A點(diǎn)振動(dòng)波形圖Fig.2 A point vibration waveform of inverted arch blasting sensor

表1為隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果?？紤]現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及條件較復(fù)雜，并根據(jù)規(guī)范[11]中振動(dòng)速度要求，確定以下振速峰值作為安全判據(jù)：

①對(duì)新澆大體積混凝土，齡期3～7 d，取5 cm/s；齡期7～28 d，取10 cm/s。

②對(duì)交通隧道，取15 cm/s。

因此，根據(jù)混凝土體積齡期的不同，距離掌子面35 m以?xún)?nèi)襯砌的新澆混凝土取值為5 cm/s，35 m以外取值10 cm/s?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值均滿(mǎn)足以上要求。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
Tab.1 Monitoring Results of Blasting Vibration

位置測(cè)試目標(biāo)爆心距R/m炸藥量Q/kg振速v/(cm·s-1)中導(dǎo)洞K2+615初襯2548113中導(dǎo)洞K2+615初襯4048085左導(dǎo)洞K2+500初襯40721132左導(dǎo)洞K2+500初襯1872209左導(dǎo)洞K2+500初襯2372153右導(dǎo)洞K2+510初襯2572196

3.2 回歸分析

在實(shí)際工程中，最大裝藥量和爆源至測(cè)點(diǎn)的距離是影響爆破質(zhì)點(diǎn)振速最主要的原因，據(jù)此，許多學(xué)者采用薩道夫斯基公式進(jìn)行隧道爆破振速回歸分析。許海亮等[12-14]根據(jù)相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在鉆孔爆破中自由面面積對(duì)振速影響也比較大，因此，以薩道夫斯基公式作為基礎(chǔ)[15-16]，把掌子面自由面面積引進(jìn)計(jì)算公式，據(jù)此研究并提出了修正的薩道夫斯基公式：

式中，v為爆破振動(dòng)速度(cm/s)；Q為同段起爆的最大裝藥量(kg)；R為爆源至測(cè)點(diǎn)之間的距離(m)；A為爆破的自由面面積(m2)；k、α為爆破相關(guān)系數(shù)；β為自由面面積系數(shù)，理論上為負(fù)值。

根據(jù)初襯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用回歸分析的方法擬合出系數(shù)k、α、β值，得到玉象隧道在V級(jí)圍巖進(jìn)出口偏壓淺埋段的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律公式中k=271.5，α=0.835 45，β=-1.064 96。因此，在該段圍巖下爆破開(kāi)挖引起的垂直振動(dòng)速度可表示為：

上式擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.846 88，說(shuō)明回歸的相關(guān)性良好。

因此，在該段圍巖狀況下，在測(cè)量出爆心至測(cè)點(diǎn)距離、爆破自由面面積以及查閱規(guī)范中要求的安全振速后，可根據(jù)回歸公式反算出該次爆破所允許的最大裝藥量，進(jìn)而對(duì)爆破方案的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證施工過(guò)程的安全。

3.3 公式驗(yàn)證與預(yù)測(cè)

為了驗(yàn)證該擬合公式的準(zhǔn)確性，運(yùn)用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證的方法，即在公式擬合完成后對(duì)左導(dǎo)洞掌子面K2+485和掌子面右導(dǎo)洞K2+495的初襯進(jìn)行爆破振速的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，并將實(shí)際監(jiān)測(cè)的振速與相應(yīng)的擬合公式計(jì)算振速進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)際監(jiān)測(cè)值與公式計(jì)算值對(duì)比
Tab.2 Comparison of actual value and formula calculation

位置測(cè)試目標(biāo)方法振速v/(cm·s-1)爆心距R/m裝藥量Q/kg左導(dǎo)洞K2+485初襯實(shí)際監(jiān)測(cè)1282572公式擬合120右導(dǎo)洞K2+495初襯實(shí)際監(jiān)測(cè)1113072公式擬合101

由表2可知，左導(dǎo)洞掌子面K2+485和掌子面右導(dǎo)洞K2+495的實(shí)際監(jiān)測(cè)振速值與其擬合公式計(jì)算值分別相差6.25%和9%，由此驗(yàn)證該隧道爆破振速的擬合公式是比較準(zhǔn)確的。可以在每次爆破施工之前先按照公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保障每次爆破施工的安全。

在現(xiàn)場(chǎng)爆破施工中，出于對(duì)儀器的安全考慮，沒(méi)有把儀器安置在距離掌子面比較近的區(qū)域，因此，在對(duì)此區(qū)域進(jìn)行爆破振速安全評(píng)估時(shí)，可以根據(jù)擬合出的修正薩道夫斯基公式計(jì)算出相應(yīng)的振速。如在計(jì)算距離右導(dǎo)洞K2+490掌子面5 m的初襯振速時(shí)，可以根據(jù)Q=72 kg，R=5 m，A=30 m2，最終計(jì)算得出v=6.22 cm/s，該振速不滿(mǎn)足規(guī)范要求(小于5 cm/s)，因此需要對(duì)爆破方案進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)規(guī)范要求的最大振速，通過(guò)公式反算出最大爆破藥量Q=32.82 kg≈33 kg，經(jīng)與施工方討論，提出該條件下爆破方案藥量應(yīng)調(diào)整為33 kg以下，以保障襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

施工時(shí)，可根據(jù)此方法預(yù)測(cè)距離掌子面較近區(qū)域的振速，驗(yàn)證并實(shí)時(shí)調(diào)整爆破方案，保障爆破施工的安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)玉象隧道的偏壓淺埋段進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析，從距離掌子面18～40 m的襯砌結(jié)構(gòu)采集了26次爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，研究該隧道地震波傳播和衰減規(guī)律，并應(yīng)用于指導(dǎo)爆破施工。

通過(guò)對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合出修正的薩道夫斯基公式，參數(shù)建議值為k=271.5，α=0.835 45，β=-1.064 96，并根據(jù)擬合公式預(yù)測(cè)右導(dǎo)洞K2+490距掌子面5 m初襯的振速。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，按爆破方案進(jìn)行施工并不安全，最終根據(jù)規(guī)范要求，通過(guò)公式進(jìn)行反算得到此爆破條件下的裝藥量應(yīng)不大于33 kg，進(jìn)而對(duì)爆破方案進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保障隧道爆破施工安全。研究方法和結(jié)果對(duì)類(lèi)似工程可提供參考。

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(責(zé)任編輯 唐漢民 裴潤(rùn)梅)

Monitoring and analysis of blasting vibration of Yuxiang tunnel

JIANG Jie1,2,3, PU Ou1, LIU Gang-bo1, OU Xiao-duo1，2, XIE Gui-qiu4

(1.College of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University， Nanning 530004，China;2.Key Laboratory of Ministry of Education of Egineering Disaster Prevention and Structural Safety, Guangxi University， Nanning 530004; 3. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology，Guilin 541004, China; 4.CCCC Fourth Highway Engineering Bureau Ltd，Beijing 100022)

At present, highway tunnels always experience a gradual influence from the surrounding rock due to unsymmetrical pressure and shallow buried-depth. Under the situation of low stability of surrounding rock, the influence cannot be ignored if the tunnels need to be constructed with the method of blasting. The analysis of blasting vibration is based on Guangxi Yu-Xiang tunnel’s monitoring data. The tunnel’s surrounding rock level is V, and the 120 m section from entrance to interior of the tunnel is shallow buried and under unsymmetrical pressure. By monitoring the vibration velocity of lining structure of the section, a formula is fitted from the monitoring data, which gives recommended value for blasting in the tunnel. According to the regression formula, the peak vibration velocity of the lining structure close to the tunnel face is predicted, and whether the velocity is in a safe range is assessed. With the method, the blasting construction program is put into dynamic adjustment. This method gives a reference for the scheme adjustment of the tunnel excavation and optimization of blasting design parameters.

tunnel blasting; blasting vibration monitoring; tunnel being shallow buried and under unsymmetrical pressure; regression analysis

2016-08-14；

2016-09-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51568006，41372361)；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)研究項(xiàng)目(2016ZDX11)；廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題(14-KF-03)

江 杰(1979—)，男，湖北麻城人，廣西大學(xué)研究員，博士；E-mail：jie_jiang001@126.com。

江杰，蒲鷗，劉剛伯,等.玉象隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(6)：1751-1755.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1751

U452

A

1001-7445(2016)06-1751-05