張雯超， 湯金華， 吳志強(qiáng)， 李瑞紅

(南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江蘇 南通 226000)

淺埋隧道下穿高速公路地表震動(dòng)監(jiān)測研究

張雯超， 湯金華， 吳志強(qiáng)， 李瑞紅

(南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江蘇 南通 226000)

以大頂山隧道下穿沈丹高速公路工程為背景，對(duì)現(xiàn)場爆破試驗(yàn)進(jìn)行震動(dòng)監(jiān)測，分析現(xiàn)場爆破試驗(yàn)實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)，研究淺埋隧道掘進(jìn)爆破時(shí)三向震動(dòng)特性；利用最小二乘法對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合數(shù)據(jù)確定大頂山隧道地震波衰減參數(shù)k，α值，得出下穿地段隧道開挖爆破地震波傳播規(guī)律；并對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)FFT分析，得出下穿地段隧道開挖爆破地震波的波譜特性。

淺埋隧道； 鉆爆法; 爆破震動(dòng)； 震動(dòng)監(jiān)測； 下穿高速公路

0 引言

隨著我國高鐵事業(yè)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)交通設(shè)施的不斷完善，線路相互交錯(cuò)的情況不可避免。為控制爆破震害，工程上對(duì)隧道爆破開挖引起地表振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)研究，分析爆破地震引起地表震動(dòng)特性[1-4]。限制最大單段裝藥量的短進(jìn)尺微差爆破技術(shù)措施[5，6]。然而，過小的單循環(huán)進(jìn)尺又會(huì)降低施工效率，影響工程進(jìn)度，使工程成本增大。因此，如何正確處理爆破震害的控制與工程效率之間的矛盾，已成為淺埋隧道爆破施工的關(guān)鍵問題之一[7]。

本文結(jié)合沈-丹客運(yùn)專線大頂山隧道下穿沈丹高速段工程，采用現(xiàn)場監(jiān)測的手段，對(duì)采用鉆爆法開挖時(shí)爆破波對(duì)地表的震動(dòng)特性以及地表振速的衰減規(guī)律進(jìn)行研究。

1 爆破施工方案

為控制爆破震動(dòng)對(duì)高速公路地表的危害，探索淺埋隧道施工中爆破震動(dòng)控制技術(shù)。該段隧道采用微振控制爆破技術(shù)。根據(jù)本工程地質(zhì)情況及開挖施工方法，采用“短進(jìn)尺、多鉆孔、少藥量、弱(不)爆破”技術(shù)進(jìn)行開挖施工。并對(duì)控制效果進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。

本工程決定采用微震光面爆破作為工程的爆破

方案。拱部采用光面爆破，邊墻采用預(yù)裂爆破技術(shù)，以盡可能減輕對(duì)圍巖的擾動(dòng)，維護(hù)圍巖自身的穩(wěn)定性，達(dá)到良好的輪廓成型。分部單獨(dú)爆破進(jìn)行設(shè)計(jì)，第1、3部開挖每循環(huán)進(jìn)尺嚴(yán)格控制在一榀鋼拱架，第2、4、5、6部開挖每循環(huán)進(jìn)尺可適當(dāng)調(diào)整，但不得超過2榀鋼拱架，嚴(yán)格控制裝藥量，以盡可能減輕對(duì)圍巖的擾動(dòng)，維護(hù)圍巖自身的穩(wěn)定性；減輕對(duì)既有公路及新建隧道的振動(dòng)影響。具體的裝藥量及循環(huán)進(jìn)尺以現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。炮眼布置圖見圖1。

圖1 炮眼布置圖

2 震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 震動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)布置

現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)測點(diǎn)位置固定，根據(jù)掌子面推進(jìn)與測點(diǎn)位置的變化，監(jiān)測并分析爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律，并且可以為及時(shí)調(diào)整隧道開挖施工方案和爆破設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。沿隧道軸線方向布置在隧道正上方地表，分為A1、B1、C1；A2、B2、C2兩組，每個(gè)測點(diǎn)上一個(gè)傳感器(標(biāo)準(zhǔn)三向傳感器)，布置位置見圖2、圖3。提前在高速公路地表將傳感器用石膏固定，在放炮前10 min左右將振動(dòng)拾振儀開機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

a) 平面布置

b) 縱向布置

a) 平面布置

b) 縱向布置

2.2 震動(dòng)監(jiān)測設(shè)備

針對(duì)大頂山隧道下穿沈丹高速公路段隧道施工過程對(duì)高速公路地表震動(dòng)效應(yīng)，采用加拿大Instantel公司設(shè)計(jì)的Minimate Plus振動(dòng)和過壓監(jiān)測儀，該儀器是一臺(tái)功能最為全面的振動(dòng)監(jiān)測儀，是工程承包商、咨詢顧問、工程師和爆破人員的最愛。

爆破振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)由爆破振動(dòng)智能監(jiān)測儀的速度傳感器、數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)及配套軟件組成。測量儀器傳感器(標(biāo)準(zhǔn)三向傳感器)、拾振儀見圖4。

a) 傳感器b) 拾振儀

3 結(jié)果與討論

3.1 振動(dòng)速度波形分析

淺埋隧道爆破時(shí)地面監(jiān)測點(diǎn)其復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)由不同頻率的地震波及其反射波等疊加而成。在對(duì)時(shí)域內(nèi)實(shí)測爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究時(shí)，主要分析最大振速、振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化以及頻譜。分別選取掌子面至DK77+715、DK77+711.5，兩次爆破施工過程典型地表實(shí)測振速波形如圖5、圖6。從圖5、圖6，可以看出，為了提高施工效率，上導(dǎo)與中導(dǎo)共同微差爆破兩者的掏槽孔、輔助孔和周邊孔爆破形成的地震波基本沒有產(chǎn)生疊加，能判斷出各段裝藥爆破所對(duì)應(yīng)的地表振動(dòng)速度幅值，其余各測點(diǎn)的波形與此相似；對(duì)比3個(gè)方向的振動(dòng)效應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)垂向振速要明顯大于其他方向的振速；掏槽孔較周邊孔、輔助孔爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)最強(qiáng)烈，這是由于掏槽孔的軸線與爆破自由面的夾角較大，受到較大的夾制作用，因而爆破震動(dòng)強(qiáng)烈，這表明淺埋隧道掘進(jìn)中不同類型炮孔的自由面條件對(duì)地表震動(dòng)效應(yīng)影響差異較大，因此，在分析鉆孔爆破的震動(dòng)效應(yīng)時(shí)，不能僅以單段裝藥量的大小來判斷震動(dòng)的強(qiáng)弱，也必須考慮爆破方式和自由面條件；爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也是研究淺埋隧道爆破地震的一個(gè)重要指標(biāo)，爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長，對(duì)地面結(jié)構(gòu)物的危害程度越大，從2次監(jiān)測數(shù)據(jù)中得到第1次上中導(dǎo)共同爆破開挖震動(dòng)持續(xù)時(shí)間略長為430 ms，第2次上導(dǎo)單獨(dú)微差爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間在380 ms以內(nèi)，可見爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間與爆破方案有直接關(guān)系。

圖5 第1次爆破中C1測點(diǎn)實(shí)測振動(dòng)速度波形

圖6 第2次爆破中A2測點(diǎn)實(shí)測振動(dòng)速度波形

3.2 爆破振動(dòng)頻譜分析(FFT)

震動(dòng)的頻率與結(jié)構(gòu)物的固有頻率相近時(shí)會(huì)引起共振，《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)在規(guī)定爆破振動(dòng)的安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)充分考慮了爆破地震波的頻率的作用。利用頻譜分析(FFT)對(duì)大頂山隧道爆破施工中地表監(jiān)測震動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)頻譜分析，爆破地震波含有頻率成分豐富，而且各種波的含量的差別較大，通過頻譜分析可以展示各頻率震動(dòng)波的能量，確定能量相對(duì)集中的頻帶和主振頻率。見圖7、圖8。

1) 不同區(qū)域、不同方向頻譜差別較大，掌子面后方A1的垂直方向上的主振頻率24 Hz要小于水平徑向的值32.3 Hz與水平軸向的值24.5 Hz；掌子面正上方B2的垂直方向上的主振頻率51 Hz要大于水平徑向的值37 Hz與水平軸向47.5 Hz。而與巖體自振頻率較接近的頻率波段衰減較慢且對(duì)隧道周圍產(chǎn)生的影響也最大，其主震頻率范圍為20～50 Hz之間。因此，考慮爆破地震波的垂直方向分量的影響同時(shí)不能忽視爆破地震波的水平方向分量的影響，這正是淺埋堆到爆破引起的地面爆破振動(dòng)的特征之一。

圖7 第1次爆破中A1測點(diǎn)爆破地震波的頻譜

圖8 第2次爆破中B2測點(diǎn)爆破地震波頻譜

2) 對(duì)比2次不同單段最大起爆藥量，發(fā)現(xiàn)第2次上導(dǎo)單獨(dú)微差爆破藥量較大時(shí)，炮轟氣體膨脹做功能量較大，爆源激發(fā)的地震波頻率較低。雖然振速峰值未超限，但頻率過低會(huì)引起共振效應(yīng)，應(yīng)該嚴(yán)格控制單段最大起爆藥量。

3.3 振動(dòng)速度分析

表1列出了2次爆破試驗(yàn)地表各測點(diǎn)振動(dòng)速度幅值、加速幅值、位移幅值、頻譜特性和測點(diǎn)與爆源的距離、起爆藥量的關(guān)系。

綜上所述波形分析知，掏槽孔爆破的震動(dòng)效應(yīng)對(duì)淺埋隧道爆破震害最大，因此研究其震動(dòng)的變化特征尤為重要。表1列出了2次爆破監(jiān)測掏槽孔爆破引起的地表各方向振動(dòng)速度幅值、各方向位移幅值、各方向振動(dòng)加速度幅值、各方向主振頻率以及其相應(yīng)最大單段裝藥量和測點(diǎn)至爆源的距離。對(duì)比表中掌子面前后各測點(diǎn)的地表振動(dòng)速度發(fā)現(xiàn)，在2次爆破試驗(yàn)中，各方向振速隨距離掌子面距離增加而減小。同時(shí)，對(duì)比表中位移幅值發(fā)現(xiàn)由爆破振動(dòng)引起的位移量較小，一般在1 mm以內(nèi)，這也說明圍巖與地表沉降并非由爆破引起，而是由隨后開挖巖體引起。

從表中可以看出掌子面前后地表振動(dòng)速度的變化特征有明顯的差異。圖9繪出了2次爆破試驗(yàn)掌子面前后各測點(diǎn)各方向振動(dòng)速度的變化特征。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：以掌子面正上方地表測點(diǎn)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)沿隧道軸線衰減，沿隧道掘進(jìn)前方的各測點(diǎn)地表振動(dòng)速度衰減速度遠(yuǎn)大于已開挖區(qū)上部對(duì)應(yīng)測點(diǎn)的地表振動(dòng)速度。這表明隧道開挖區(qū)形成的空腔已改變了隧道上方淺層巖體的完整結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)“空洞效應(yīng)”[8]，即距離爆源(掌子面)相同距離的已開挖區(qū)上部地表振動(dòng)速度大于未開挖部分地表振動(dòng)速度的現(xiàn)象。

表1 地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表測點(diǎn)距爆心的高差H/m距爆心的水平距離L/m爆破參數(shù)/kg質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度/(mm·s-1)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)位移/mm總裝藥量單段最大裝藥量Q最大水平徑向分量最大垂直分量最大水平縱向分量最大水平徑向分量A213.216.5B213.20C213.22.52#巖石炸藥6kg乳化炸藥6kg上導(dǎo)單獨(dú)爆破8.5kg4.77.249.780.02349.7867.119.80.08518.2527.312.60.0155A113.213.1B113.23.5C113.262#巖石炸藥6kg;乳化炸藥9kg上導(dǎo)與中導(dǎo)共同爆破6kg2.676.63.560.008684.1926.510.70.0173.1719.811.20.0093質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)位移/mm質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)加速度頻譜特性/Hz最大垂直分量最大水平縱向分量最大水平徑向分量最大垂直分量最大水平縱向分量最大水平徑向分量最大垂直分量最大水平縱向分量0.0450.05890.212g0.239g0.212g32.32424.50.2560.05610.636g3.05g1.17g253.347.50.0650.0270.477g1.09g0.504g74.374.574.50.0450.02140.133g0.265g0.133g24.523.523.50.1170.03320.239g1.09g0.504g375147.50.0480.02350.186g0.716g0.557g35.55774.8

圖9 2次爆破中各測點(diǎn)振速特征曲線

3.4 爆破地震波振動(dòng)數(shù)據(jù)回歸分析

《爆破安全規(guī)程》采用國內(nèi)外較公認(rèn)的預(yù)測爆破地震動(dòng)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式——薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行爆破振動(dòng)安全距離與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)計(jì)算，故利用最小二乘法對(duì)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其公式的具體形式是：

(1)

對(duì)該公式兩邊同取以10為底的自然對(duì)數(shù)：

(2)

得到：Y=Ax+B

(3)

用origin8.0中對(duì)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，建立振速與爆心距之間的線性關(guān)系。由于淺埋隧道掘進(jìn)爆破引起的地表震動(dòng)存在區(qū)域特點(diǎn)，因而，以爆破掌子面前后的地表振動(dòng)速度實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用最小二乘法對(duì)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行回歸分析的，分別計(jì)算確定相應(yīng)的地震波衰減參數(shù)?；貧w方程為Y=Ax+B，回歸直線見圖10。

圖10 掌子面前、后方爆破振速參數(shù)線性回歸圖

求得掌子面前方振速衰減參數(shù)：B=lgK=2.585，A=α=1.16，進(jìn)一步得到K=384.5，α=1.16；同理對(duì)掌子面后方已成型隧道上方地表進(jìn)行線性回歸得到：B=3.41，A=2.37，進(jìn)一步得到K=2 570.4，α=2.37。顯然，掘進(jìn)后方的爆破地震波不符合薩道夫斯基公式給出的衰減規(guī)律，這正是由于“空洞效應(yīng)”[8]影響所致。而在掘進(jìn)前方的震動(dòng)效應(yīng)可用薩道夫斯基公式預(yù)測，并以此作為控制單段最大裝藥量的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)大頂山隧道下穿沈丹高速合同段地表沉降監(jiān)測，分析比較監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到以下結(jié)論：

1) 無論是采用上導(dǎo)單獨(dú)爆破還是上導(dǎo)與中導(dǎo)共同微差爆破，兩者的掏槽孔、輔助孔和周邊孔爆破形成的地震波基本沒有產(chǎn)生疊加，其中掏槽孔爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)最強(qiáng)烈，所以能判斷出各段裝藥爆破所對(duì)應(yīng)的地表振動(dòng)速度幅值。對(duì)比3個(gè)方向的振動(dòng)效應(yīng)，垂向振速要明顯大于其他方向的振速。

2) 頻譜分析爆破震動(dòng)頻率主要集中在20～80 Hz之間，不同區(qū)域、不同方向頻譜差別也較大，這正是淺埋隧道爆破引起的地面爆破振動(dòng)不同的特征之一。對(duì)比2次不同單段最大起爆藥量，發(fā)現(xiàn)第2次上導(dǎo)單獨(dú)微差爆破藥量較大時(shí)，炮轟氣體膨脹做功能量較大，使爆源激發(fā)的地震波頻率較低，危害較大，應(yīng)該嚴(yán)格控制單段最大起爆藥量。

3) 地表振速具有區(qū)域性，通過最小二乘法對(duì)掌子面前后區(qū)域分別進(jìn)行線性回歸得到掌子面前方振速衰減參數(shù)K=384.5，α=1.16；而掌子面后方已成型隧道正上方地表K=2 570.4，α=2.37，不符合薩道夫斯基公式。掘進(jìn)前方的震動(dòng)效應(yīng)可用薩道夫斯基公式預(yù)測。通過控制單段最大裝藥量，合理的裝藥結(jié)構(gòu)，上部增設(shè)減震孔等可以有效地控制爆破震動(dòng)效應(yīng)。為該地區(qū)相似工程提供參考。

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2016-09-01

張雯超( 1988-) ，男，碩士，現(xiàn)從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)、施工、科研及教學(xué)工作。

1008-844X(2017)01-0156-05

U 455.41

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