黃柳云 李俊 韋思達(dá) 許天鋮 劉宗輝

摘? 要：淺埋超大斷面隧道爆破施工時(shí)引起的洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)必須嚴(yán)格控制在規(guī)范容許范圍內(nèi).以柳州市柳東新區(qū)某隧道項(xiàng)目先行洞爆破施工為背景，對(duì)洞內(nèi)不同掌子面爆破施工時(shí)引起的洞內(nèi)主要支護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及理論分析.研究表明：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，洞內(nèi)初期支護(hù)部位振速遠(yuǎn)大于二襯砌施作完畢后的復(fù)合式襯砌部位振速;結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分別采用薩道夫斯基公式和日本化藥株式會(huì)社公式分析了爆破施工時(shí)初期支護(hù)振動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)日本化藥株式會(huì)社公式更為適合當(dāng)前項(xiàng)目;同時(shí)考慮高程效應(yīng)，對(duì)公式進(jìn)行了修正對(duì)比后認(rèn)為，隧道內(nèi)部爆破施工時(shí)，內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)的振速分析和預(yù)測(cè)可以忽略高程的影響.

關(guān)鍵詞：隧道開挖;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè);振速監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U455.7? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.013

0? ? 引言

隧道作為常見(jiàn)的地下結(jié)構(gòu)，在城市道路規(guī)劃中并不鮮見(jiàn)，城市道路系統(tǒng)中的隧道多為淺埋.伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量激增，城市交通系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷加大[1-2]，城市干道寬幅建設(shè)或改造力度愈來(lái)愈大，城市道路隧道也隨之采用超大斷面的形式.當(dāng)淺埋超大斷面隧道施工遇到孤巖或堅(jiān)硬地層導(dǎo)致機(jī)械開挖效率低下或難以進(jìn)行時(shí)，常常結(jié)合鉆爆法推進(jìn)項(xiàng)目的實(shí)施，若隧道圍巖條件復(fù)雜，須采用較為復(fù)雜的支護(hù)形式和施工工序，在此背景下確保鉆爆法施工時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全尤為重要.研究隧道爆破開挖的振動(dòng)效應(yīng)，對(duì)鉆爆法的掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行控制，使爆破作業(yè)對(duì)既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響降到最低，一直是相關(guān)研究關(guān)注的重點(diǎn).

目前，針對(duì)隧道爆破開挖振動(dòng)效應(yīng)的研究主要集中于爆破對(duì)周圍既有建筑的影響.林凱[3]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)淺埋隧道爆破掘進(jìn)時(shí)隧道上方地表震動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究.劉趕平[4]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合的方法研究了隧洞開挖爆破時(shí)鄰近支洞圍巖的爆破振動(dòng)效應(yīng)，并建立了關(guān)鍵位置振速預(yù)測(cè)模型.趙志剛等[5]通過(guò)研究大斷面黃土隧道施工時(shí)爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響，總結(jié)并提出了多種爆破控制措施.上述研究得出了許多有價(jià)值的成果，但當(dāng)隧道施工工序較復(fù)雜，隧道存在多個(gè)掘進(jìn)里程不一的掌子面時(shí)，爆破掘進(jìn)時(shí)隧道內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)受振動(dòng)響應(yīng)的研究相對(duì)較少.本文通過(guò)對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究施工過(guò)程中不同部位掌子面爆破時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受爆破振動(dòng)影響規(guī)律，獲得的結(jié)論對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工具有一定的指導(dǎo)價(jià)值，并對(duì)本地區(qū)同類工程施工具有一定的借鑒意義.

1? ? 工程概況及爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

1.1? ?工程概況

本文隧道項(xiàng)目位于柳州市柳東新區(qū).隧道上行、下行洞分別為長(zhǎng)270.00 m、290.00 m，采用單洞三車道外加非機(jī)動(dòng)車道及人行道布置，單洞最大開挖寬度19.50 m，最大開挖高度13.06 m，開挖面積超過(guò)200.00 m2，最大埋深約57.00 m，是典型的淺埋超大斷面隧道.隧道全段圍巖類別為V類，全段上部圍巖存在全風(fēng)化泥粉質(zhì)砂巖、斷層破碎帶碎石土、第四系坡殘積黏土等不同情況，圍巖穩(wěn)定性較差，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工.項(xiàng)目先行洞自樁號(hào)BK5+640到BK5+690位置附近，在不同掌子面部位陸續(xù)出現(xiàn)堅(jiān)硬巖石，需要采用鉆爆法進(jìn)行施工.為了保證洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全，有必要對(duì)施工時(shí)爆破振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而指導(dǎo)后續(xù)施工時(shí)爆破參數(shù)的設(shè)計(jì).該項(xiàng)目施工時(shí)各部位掌子面位置如圖1所示，開挖順序由1至7.

1.2? ?爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件及洞內(nèi)環(huán)境情況，歷次爆破測(cè)點(diǎn)主要布置在以下位置：測(cè)點(diǎn)1、2位于初支，上臺(tái)階地表以上 1.00 m位置側(cè)壁;測(cè)點(diǎn)3、4位于初支，仰拱回填后地表以上1.00 m位置側(cè)壁;測(cè)點(diǎn)5、6位于二襯位置，仰拱回填地表以上1.00 m位置側(cè)壁;測(cè)點(diǎn)7、8位于仰拱回填后的地面，距離初支側(cè)壁水平距離1.00 m;各點(diǎn)位置如圖2所示.監(jiān)測(cè)儀器采用TC-4850N無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)振儀（見(jiàn)圖3），采樣率選用5 kHz檔，采樣時(shí)間2 s.儀器配2套振動(dòng)速度傳感器，每次爆破時(shí)根據(jù)場(chǎng)地施工情況選取不同位置布置，當(dāng)布置于測(cè)點(diǎn)7、8時(shí)采用石膏固定于地表，其余位置采用膨脹螺栓固定于側(cè)壁內(nèi)側(cè).

2? ? 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

爆破引起的隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)較為復(fù)雜[6-7]，目前國(guó)內(nèi)外的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)多以質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度作為判定標(biāo)準(zhǔn).在《爆破安全規(guī)程》[8]中，爆破時(shí)測(cè)點(diǎn)所在位置的峰值振動(dòng)速度和主振頻率是評(píng)價(jià)振動(dòng)效應(yīng)的重要參數(shù)，常被用作回歸分析.吳波等[9-11]在進(jìn)行振速數(shù)據(jù)回歸分析時(shí)，考慮了測(cè)點(diǎn)和爆破位置之間高程差的影響，從而對(duì)公式進(jìn)行了相應(yīng)的修正.在此次監(jiān)測(cè)條件下，測(cè)點(diǎn)與不同位置掌子面存在一定高程差，因此，在統(tǒng)計(jì)時(shí)考慮高程因素.本輪爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)共采集了合計(jì)44組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，單段最大藥量為2.4～48.0 kg，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，其中距離R為爆心距，藥量Q為最大單段藥量，振速X方向沿隧道縱向指向開挖掌子面，振速Y方向沿隧道橫向指向隧道側(cè)壁.

2.1? ?不同部位測(cè)點(diǎn)振速分析

初期支護(hù)部位的測(cè)點(diǎn)振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示.由于隧道開挖時(shí)場(chǎng)地條件限制，當(dāng)掌子面上臺(tái)階部位進(jìn)行爆破開挖時(shí)，傳感器因布置在附近側(cè)壁，受爆破產(chǎn)生的石塊沖擊產(chǎn)生損壞，因此，位于兩邊導(dǎo)洞上臺(tái)階初期支護(hù)部位測(cè)點(diǎn)1和2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總共得到4組;位于下臺(tái)階初期支護(hù)部位的測(cè)點(diǎn)相對(duì)安全，因此，測(cè)點(diǎn)3和4的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共21組.從表1中可以看出，監(jiān)測(cè)得到的所有數(shù)據(jù)中，X方向測(cè)得最大測(cè)點(diǎn)振速為6.94 cm/s，Y方向最大測(cè)點(diǎn)振速為8.36 cm/s;為導(dǎo)洞上臺(tái)階掌子面爆破時(shí)，由臨近測(cè)點(diǎn)測(cè)得;但除去上述2組較大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合表1數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，初支測(cè)點(diǎn)位置在距離爆破斷面30.00 m以內(nèi)時(shí)，初支部位測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振速大部分在2.00 cm/s以內(nèi);振速大小與測(cè)點(diǎn)距離大小負(fù)相關(guān)，測(cè)點(diǎn)位置距離爆破位置越遠(yuǎn)測(cè)得的振速越小;而振速大小與藥量大小正相關(guān)，掌子面爆破所用藥量越大，測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振速就越大.

二襯砌部位的測(cè)點(diǎn)振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示.測(cè)點(diǎn)5和6設(shè)置于新筑二襯附近，此處為新近拆模完畢的二襯側(cè)壁位置，仍處于養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，同時(shí)該區(qū)域前方可能存在新澆筑完畢而尚未移除鋼撐模的二襯段，因此，該區(qū)域受到爆破振動(dòng)的影響同樣值得關(guān)注，該部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總共得到7組;測(cè)點(diǎn)7和8位于仰拱上方地表部位，此時(shí)仰拱上方已回填完成，得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共12組.從表2中數(shù)據(jù)可以看出，二襯施作位置普遍距離爆破位置較遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振速普遍在0.50 cm/s以內(nèi)，X方向測(cè)得最大測(cè)點(diǎn)振速為0.79 cm/s，Y方向最大測(cè)點(diǎn)振速為? ? ? 0.54 cm/s;從表2中不難發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)位置距離爆破位置越遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)測(cè)得振速越小，仰拱上方部位測(cè)點(diǎn)振速普遍要比二襯側(cè)壁部位測(cè)點(diǎn)振速更小.對(duì)比上述數(shù)據(jù)可知，二襯部位測(cè)點(diǎn)爆破振速往往要遠(yuǎn)小于初支位置所測(cè)得的振速.

以表1和表2中振速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制得到圖4和圖5所示初支和二襯部位的振速分布圖.如圖4所示，測(cè)點(diǎn)1、2和測(cè)點(diǎn)3、4各組數(shù)據(jù)中振速普遍大于1.00 cm/s，只有少部分測(cè)點(diǎn)振速超過(guò)了? ? ?4.00 cm/s;而如圖5所示，測(cè)點(diǎn)5、6和測(cè)點(diǎn)7、8各組數(shù)據(jù)中X方向及Y方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度大多在0.50 cm/s以下，部分?jǐn)?shù)值小于0.10 cm/s.可以看出，位于二襯部位的測(cè)點(diǎn)5—8監(jiān)測(cè)數(shù)值普遍小于初支部位測(cè)點(diǎn)1—4的監(jiān)測(cè)數(shù)值，主要是因?yàn)槎r部位測(cè)點(diǎn)距離爆破掌子面較遠(yuǎn)，受爆破影響遠(yuǎn)不如初支部位測(cè)點(diǎn);同時(shí)二襯施作完畢時(shí)，復(fù)合式襯砌整體剛度大于初支結(jié)構(gòu)，這也使得二襯部位測(cè)點(diǎn)振速更小;初支部位測(cè)點(diǎn)距離爆破位置更近，監(jiān)測(cè)得到的振速數(shù)值較大，說(shuō)明初支結(jié)構(gòu)更易受到掌子面部位爆破的影響.

2.2? ?測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)分析

以受爆破影響較大的初支部位測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象選取典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)測(cè)得的X方向振速和Y方向振速中具有典型特征的振速進(jìn)行快速傅里葉變換處理（FFT），分析爆破時(shí)初支部位振速和頻率的變化規(guī)律.選取表1中的第9組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，X方向測(cè)得最大測(cè)點(diǎn)振速為1.39 cm/s，Y方向最大測(cè)點(diǎn)振速為1.83 cm/s.經(jīng)過(guò)處理后得到如圖6、圖7所示的振速波形圖以及如圖8、圖9所示的頻譜分析圖.

從圖6和圖7可以看出，此輪爆破中測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振速變化曲線存在2個(gè)峰值，其中最大振速出現(xiàn)在爆破過(guò)程的第二波峰值處;2個(gè)波的曲線均在振速達(dá)到峰值后迅速衰減，X方向測(cè)得最大振速為1.39 cm/s，Y方向測(cè)得最大振速為1.83 cm/s;從圖8和圖9 X、Y方向的振速頻譜分析圖可以看出，頻率400 Hz以內(nèi)的范圍為初支部位測(cè)點(diǎn)的能量集中頻帶，最大相對(duì)幅值均出現(xiàn)在200 Hz以內(nèi);從相對(duì)幅值的變化過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，其曲線在200 Hz以內(nèi)存在兩輪上升階段，這與振速波形的變化規(guī)律是一致的.不難看出，初支部位測(cè)點(diǎn)受到隧道內(nèi)局部掌子面爆破開挖影響相對(duì)顯著，沿隧道縱向和橫向（即X方向和Y方向）的振速變化分布情況相近.

3? ? 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析

3.1? ?基于不同公式的振速擬合分析

由于初支結(jié)構(gòu)更易受到爆破振動(dòng)的影響，因此，選用表1中的初支部位測(cè)點(diǎn)1、2、3、4位置各組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，以期對(duì)項(xiàng)目后續(xù)爆破的參數(shù)設(shè)計(jì)及調(diào)整提供參考.實(shí)際工程中常采用薩道夫斯基公式[12]對(duì)監(jiān)測(cè)得到的爆破振動(dòng)振速數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到式（1）：

[v=KQ3Rα]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[v]為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s;[Q]為單段最大藥量，kg;[R]為爆心距，m;[K]和[α]為與地質(zhì)條件有關(guān)的參數(shù).

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)：[lnv=lnK+α（13lnQ-lnR）]，進(jìn)行一元線性回歸分析，分別得到：X方向振速的擬合公式： [vX=14.439 9Q3R3.126 8]，相關(guān)性系數(shù)R2=0.76;Y方向振速的擬合公式：[vY=24.779 1Q3R3.896 2]，相關(guān)性系數(shù)[R2]=0.82.由相關(guān)性系數(shù)可知，采用薩道夫斯基公式的擬合效果仍有待提高.李勝林等[13]采用日本化藥株式會(huì)社公式擬合取得較好的效果，遂嘗試采用相同公式進(jìn)行擬合得到式（2）：

[v=KW34?D-2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[v]為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s;[W]為單段最大藥量，kg;[D]為爆心距，m.

分別得到：X方向振速的擬合公式： [vX=78.401 4W34?D-2]，相關(guān)性系數(shù)[R2]=0.93;Y方向振速的擬合公式：[vY=62.828 3W34?D-2]，相關(guān)性系數(shù)R2=0.94.對(duì)比式（1）擬合的結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本對(duì)式（2）擬合的相關(guān)性更高.

3.2? ?考慮高程因素的擬合公式修正

上述公式并未考慮測(cè)點(diǎn)與爆破位置高程差的影響，鄧華鋒等[14-16]認(rèn)為，進(jìn)行爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮爆破振動(dòng)的高差效應(yīng)，為研究隧道內(nèi)不同部位掌子面爆破開挖時(shí)，高程差對(duì)于測(cè)點(diǎn)部位振速影響，對(duì)上述2個(gè)公式中擬合效果較優(yōu)的式（2）高程差效應(yīng)進(jìn)行修正.

將公式修改得到式（3）：

[v=KW34?D-2?eHD]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：ν為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s;[H]為高程差，m.當(dāng)[H]=0時(shí)，測(cè)點(diǎn)和爆破位置高程一致，式（3）等同于式（2）;當(dāng)[H]=[D]時(shí)，測(cè)點(diǎn)位于爆破位置豎直方向，此時(shí)高程差影響最大.

采用修正后的公式再次進(jìn)行擬合得到：X方向振速的擬合公式： [vX=63.012 5W34?D-2?eHD]，相關(guān)性系數(shù)[R2]=0.95;Y方向振速的擬合公式：[vY=49.595 4W34?D-2?eHD]，相關(guān)性系數(shù)[R2]=0.94.對(duì)比擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在式（2）擬合效果已經(jīng)較好時(shí)，引入高程參數(shù)對(duì)于實(shí)際擬合效果并未產(chǎn)生明顯影響.由此可以判斷，盡管大斷面隧道各個(gè)爆破位置掌子面與初支結(jié)構(gòu)存在一定高程差，但高程因素并未對(duì)隧道內(nèi)不同部位支護(hù)結(jié)構(gòu)的振速產(chǎn)生明顯? ? ?影響.

4? ? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)柳州市某隧道項(xiàng)目爆破作業(yè)時(shí)，對(duì)洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破振速監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，結(jié)合隧道施工時(shí)的具體情況，得出以下結(jié)論：

1）二襯施作完成后形成復(fù)合式襯砌，同時(shí)二襯位置距離各掌子面較遠(yuǎn)，各部位測(cè)點(diǎn)振速普遍較小，受到掌子面部位爆破影響較小;初支部位測(cè)點(diǎn)測(cè)得振速明顯更大，二襯位置相比初支部位的支護(hù)結(jié)構(gòu)更容易受到掌子面部位爆破的影響.

2）由初支部位測(cè)點(diǎn)振速波形和頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，沿隧道縱向傳播的振速和沿橫向傳播的振速兩者變化規(guī)律相近，初支結(jié)構(gòu)部位測(cè)點(diǎn)測(cè)得振速對(duì)應(yīng)的頻率主要分布在頻率400 Hz以內(nèi)的范圍，最大振速對(duì)應(yīng)頻率出現(xiàn)在200 Hz以內(nèi).

3）本文所在隧道項(xiàng)目，掌子面爆破引起初支結(jié)構(gòu)振動(dòng)的速度預(yù)測(cè)采用日本化藥株式會(huì)社的公式更為合適;同時(shí)，測(cè)點(diǎn)振速主要受爆心距和單端最大藥量影響，隧道內(nèi)各掌子面與測(cè)點(diǎn)高程差對(duì)于該公式擬合效果沒(méi)有明顯影響，因此，在后續(xù)進(jìn)行隧道內(nèi)初支結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振速預(yù)測(cè)時(shí)可以忽略高程差的影響.

4）在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，位于初支的測(cè)點(diǎn)只有2組振速數(shù)據(jù)超過(guò)了6.00 cm/s，大部分測(cè)點(diǎn)振速不超過(guò)? ? ?2.00 cm/s，這是因?yàn)樵谒淼啦捎秒p側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)劃分出的掌子面較多，每次爆破作業(yè)量相對(duì)較小，這在一定程度上保證了隧道內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全.

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Monitoring and analysis of support structure vibration caused by blasting construction of shallow buried super large section tunnel

HUANG Liuyun1， LI Jun1， WEI Sida1， XU Tiancheng1 ， LIU Zonghui2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： The vibration of the supporting structure in the tunnel caused by blasting construction of? shallow buried super large section tunnel must be strictly controlled within the allowable range of the specification. Based on the blasting construction of the first tunnel in a road tunnel project， LiuDong new area， Liuzhou City， the vibration of main supporting structures in the tunnel， caused by blasting? ? ? ? construction in different face of the tunnel， is monitored and theoretically analyzed. The results show that when the double side wall heading method is used in construction， the vibration velocity of the? ? initial support part in the tunnel is much higher than that of the composite lining after the secondary? ? lining is completed. Based on the field conditions， the vibration law of the initial support is analyzed by using the Sadolfsky formula and the Japanese Huawa Co. ， Ltd. formula respectively. It is found that the latter is more suitable for the current project. Considering the elevation effect， the paper has? corrected and compared the formula. It is concluded that the influence of elevation can be ignored in the analysis and prediction of the vibration velocity of the internal support structure during the tunnel internal? ? ?blasting construction.

Key words： tunnel excavation; double side heading method; blasting vibration monitoring; vibration? ?velocity monitoring

（責(zé)任編輯：羅小芬、黎? ?婭）