摘要：簡述了爆破地震波傳播原理和傳播特性，以某新建引水隧洞下穿原有鐵路隧道工程爆破施工為例，闡述了選定爆破方法、制定監(jiān)測方案和配備監(jiān)測系統(tǒng)等方面監(jiān)測準備工作。通過實施監(jiān)測結(jié)果可知，爆破振動監(jiān)測數(shù)值符合相關(guān)規(guī)定，可有效控制爆破振動的影響力，爆破作業(yè)未影響原有隧道安全運行。

關(guān)鍵詞：引水隧洞；下穿鐵路隧道；爆破施工；監(jiān)測

0 引言

新建隧道、隧洞爆破施工時產(chǎn)生的振動，極易破壞原有隧道結(jié)構(gòu)，影響其安全運行?；诖?，如何降低新建隧道爆破施工對原有隧道的影響，避免對原有隧道產(chǎn)生破壞，成為目前隧道施工的重點和難點。本文以某新建引水隧洞下穿原有鐵路隧道工程爆破施工為例，闡述了選定爆破方法、制定監(jiān)測方案和配備監(jiān)測系統(tǒng)等方面監(jiān)測準備工作。通過實施監(jiān)測結(jié)果可知，爆破振動監(jiān)測數(shù)值符合相關(guān)規(guī)定，可有效控制爆破振動的影響力，爆破作業(yè)未影響原有隧道安全運行。

1 爆破地震波傳播原理和傳播特性

1.1 傳播原理

外荷載施加作用力在可變形固體的表層，可對部分介質(zhì)質(zhì)點直接產(chǎn)生力的作用，讓介質(zhì)質(zhì)點在平衡區(qū)域形成位移。與相鄰的質(zhì)點比較，這些移動質(zhì)點就形成相對變形，仍在平衡區(qū)域的質(zhì)點會給臨近的位移質(zhì)點帶去防止變形的作用力。平衡區(qū)域的質(zhì)點接收到移動質(zhì)點的反作用力，進而驅(qū)動臨近介質(zhì)的平衡質(zhì)點脫離平衡位置形成位移。由于慣性作用，表層介質(zhì)質(zhì)點的位移將超前于臨近介質(zhì)質(zhì)點的位移。依次類推，外荷載在表層上帶來的運動就由此在介質(zhì)之間從近到遠進行運動傳播[1]。

1.2 傳播特性

爆破地震波能量只是炸藥爆破所產(chǎn)生能量的一小部分，其隨著地震波傳播到遠方。由于介質(zhì)阻尼的吸收作用和波陣面的逐漸變大，爆破地震波帶來的能量會逐漸減小，振幅也會隨之下降。因為地震波頻率的高低受介質(zhì)阻尼作用的影響，且這種作用對高頻振動的影響更大，所以距離爆破地震波越近，其高頻成分越突出。

在距離爆破地震波較遠的部位，它的高頻成分已經(jīng)被阻尼作用吸收，因此大都顯示為低頻振動。巖體和隧道的自振通常處于較低的頻率。當(dāng)較遠區(qū)域的振動主頻與巖體和隧道固有的頻率接近時，若爆破地震波的能量還存在一部分，就會產(chǎn)生共振作用，從而造成隧道圍巖發(fā)生劇烈振動，導(dǎo)致隧道襯砌和圍巖產(chǎn)生損傷。

2 工程實例

2.1 原有隧道現(xiàn)狀

某原有隧道總長559m，寬14.08m，高10.36m。隧道內(nèi)圍巖等級劃分：自隧道入口起0～16m內(nèi)為IV級圍巖，16～529m為Ⅲ級圍巖，剩余部分為IV級圍巖。隧道初期支護采用厚度為8cm的C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)，二次襯砌采用厚度為35cm的C25混凝土結(jié)構(gòu)，建于初期支護基礎(chǔ)上。隧道底板為厚度30cm的鋼筋混凝土底板，混凝土強度等級C30。

2.1 新建引水隧洞工程概況

該地政府批準在該原有隧道位置新建引水工程項目，旨在為城鎮(zhèn)提供生活和生產(chǎn)用水。引水工程項目的4#隧洞與原隧道平面夾角約83.4°，幾乎垂直交叉分布。4#隧洞頂部與原有隧道底板的交叉位置之間有14.4m的距離。新建4#隧洞與該原有隧道過于接近，因此在4#隧洞爆破施工期間會對原有隧道的運行產(chǎn)生較大影響。業(yè)主高度重視4#隧洞施工對原有鐵路隧道的危害，要求施工單位采取科學(xué)可行的4#隧洞爆破方案，進行全流程監(jiān)測和安全管控。

3 選定爆破方法

4#隧道與原隧道交叉點位上、下游各40m范圍的爆破施工采用光面爆破法。掏槽孔間距150mm，采用大直徑空孔桶形掏槽方法。導(dǎo)洞孔深和預(yù)留光面層四周孔深均為2.0m。爆破采用?32mm、?25mm兩種規(guī)格的2#巖石乳化炸藥或2#巖石膨化硝銨炸藥，周邊孔采用?25mm光爆小藥卷。

在指定點位鉆孔、清孔、裝藥，連接非電毫秒導(dǎo)爆雷管起爆系統(tǒng)和簇聯(lián)網(wǎng)路，全面檢查，疏導(dǎo)人員和無關(guān)機具遠離爆破現(xiàn)場，確認安全后開始起爆。以爆破現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為準，及時調(diào)整爆破參數(shù)，實現(xiàn)安全爆破和高效爆破目標。

4 制定監(jiān)測方案和配備監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 監(jiān)測方案

在4#隧洞開展爆破作業(yè)期間，在原有隧道里面配置監(jiān)測點，在隧道與隧洞交叉點相距120m處即可監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷4#隧洞爆破震動特征。爆破重點監(jiān)測范圍為交叉點前、后40m，對應(yīng)樁號為1+594.964～1+674.964。隧道頂、底部相距約8m，道砟和鋼軌已鋪設(shè)到位，現(xiàn)場施工條件加大頂部傳感器安裝難度。

由于隧道下面即是振源，所以隧道的底板和隧道兩側(cè)的邊緣受影響較大。因此，將監(jiān)測點全都被安設(shè)在隧道下方。2臺監(jiān)測設(shè)備使用時，每次能對8處監(jiān)測點進行監(jiān)測。在監(jiān)測時，可以按照現(xiàn)場狀況來調(diào)整監(jiān)測點總數(shù)，但應(yīng)盡最大可能安設(shè)監(jiān)測點。通過對隧道斷面內(nèi)各個區(qū)域的監(jiān)測點進行監(jiān)測并獲取爆破振動數(shù)據(jù)后，就可以研究監(jiān)測點的振動頻率、速度和爆破數(shù)據(jù)之間的關(guān)系以及振動傳播的遞減規(guī)律[2]。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)

選用2臺3850USB型爆破測振儀，每臺測振儀有4個通道，可同時安設(shè)8個監(jiān)測點。爆破測振儀數(shù)據(jù)安排如下：采樣率為5kHz，采樣時長為2s，滿量程為±2V，觸發(fā)電平為0.1V。根據(jù)監(jiān)測方案，在指定監(jiān)測點位粘貼傳感器，粘貼材料采用水和生石膏粉拌制的混合料，待10min漿液凝結(jié)后即可開展監(jiān)測作業(yè)。

5 監(jiān)測結(jié)果與分析

5.1 同次爆破在隧道不同位置的監(jiān)測結(jié)果

按照選定的爆破方法、制定的監(jiān)測方案，在原有隧道內(nèi)布設(shè)配備好的監(jiān)測系統(tǒng)，對4#隧洞爆破施工進行檢測。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，爆破點與監(jiān)測點間距的變化為遠→近→遠，監(jiān)測點質(zhì)點峰值的振動速度相應(yīng)地產(chǎn)生了小→大→小變化。與爆源的間距越遠，隧道襯砌監(jiān)測點的質(zhì)點峰值振速越慢；與爆源的間距越近，隧道襯砌監(jiān)測點的質(zhì)點峰值振速越快。下面對鐵路隧道內(nèi)不同監(jiān)測位置到達質(zhì)點峰值的振動速度進行比較。

同次爆破在隧道不同位置的振動速度波形如圖1所示。1#監(jiān)測點位于隧道邊墻處，由圖1a可知，該監(jiān)測點迎爆面的質(zhì)點峰值振動速度呈現(xiàn)為波形，達到最大值，其質(zhì)點峰值振速參數(shù)為0.6312cm/s；由圖1b可知，5#監(jiān)測點背爆面的質(zhì)點峰值振動速度也呈現(xiàn)為波形，但數(shù)值較小，其質(zhì)點峰值振速參數(shù)為0.3339cm/s[3]。

5.2 引水隧洞在爆破掘進時的監(jiān)測結(jié)果

設(shè)置了9.95m、14.45m、18.96m和23.45m等4個監(jiān)測點進行監(jiān)測，獲得了典型的4條豎向振動速度時程曲線。當(dāng)掌子面與原有隧道距離越近時，獲得的質(zhì)點峰值振動速度的數(shù)值就越高；兩者距離越遠，質(zhì)點峰值振動速度越低。無論掌子面遠離或靠近原有隧道，振動速度均隨間距加大而下降。

就各個位置的監(jiān)測點來說，在與引水隧洞掌子面的距離保持一致的條件下，其靠近原隧道的爆破震動速度大于遠離時。以距爆源15m的監(jiān)測點為例，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制掌子面靠近、遠離原鐵路隧道兩種工況的實測振動波形圖，分別如圖2a、圖2b所示，質(zhì)點峰值振速分別為2.9924cm/s、2.6682cm/s。

5.3 保護原有隧道不受破壞的關(guān)鍵因素

掏槽孔爆破作業(yè)時的孔數(shù)較少，且在爆破期間各處sgMG7iTUeDIO1Hq99FWstgox4+LU6kdGkXP8Tj4IJPw=用藥數(shù)量不是最多，但是掏槽孔爆破作業(yè)的部位是臨空的掌子面，其掏槽爆破以強拋擲爆破形式為主，傳播至巖體的爆炸能量高，振動力強，容易破壞巖體的完整性和穩(wěn)定性。

相比掏槽孔爆破，周邊孔爆破的振動作用小，原因有二：一是采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥量少，爆破結(jié)構(gòu)形式和裝藥方式?jīng)Q定周邊孔爆破震動作用較小的特點；二是此前輔助孔爆破作業(yè)時已經(jīng)形成了條件良好的臨空面。因此有效控制掏槽孔的爆破振動，是保護原有隧道不受破壞的關(guān)鍵。

5.4 爆破地震頻譜分析

爆破地震波具有突變和短時特征，形狀復(fù)雜。爆破地震頻帶寬度大，頻率豐富，現(xiàn)場施工條件復(fù)雜，多種因素共同影響頻率，例如爆破方式、用藥數(shù)量、用藥方式以及爆破地理條件等。

諸多研究證明，不僅質(zhì)點峰值振動速度能對構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞作用，其主振頻率也與此具有密切的關(guān)系。因此，對爆破振動的頻譜組成、遞減規(guī)律、爆破地理環(huán)境以及爆破條件之間的關(guān)系進行研究很有必要。在研究上百個監(jiān)測結(jié)果的功率譜圖之后得知以下結(jié)論：

爆破地震波頻率成分豐富，各波段的占比各異。主振頻率較穩(wěn)定，保持在100～200Hz間，主頻域則處于30～500Hz間。隧道自振頻率屬于低頻帶，由于頻率差異，引水隧洞爆破施工期間原鐵路隧道不會與之產(chǎn)生共振[4]。

在裝藥數(shù)量保持一致條件下，監(jiān)測點與爆源的間距越大，其受到振動的頻率越小。就高頻與低頻的能量遞減程度來看，其能量遞減程程度有所不同：高頻成分的能量遞減速度更快，低頻成分的能量遞減速度則更慢。

6 監(jiān)測結(jié)論

6.1 爆破振動監(jiān)測數(shù)值符合相關(guān)規(guī)定

爆破振動監(jiān)測點的設(shè)置符合施工要求，選擇和調(diào)整監(jiān)測設(shè)施的過程符合施工標準，且監(jiān)測垂直振動速度的科學(xué)性和可靠程度均符合相關(guān)需求，其垂直振動速度數(shù)值全部低于《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）的規(guī)定振動速度。

6.2 可控制爆破振動影響力

單段爆破用藥越少，其爆破振動的影響力就越弱。開展爆破作業(yè)遵循“導(dǎo)洞先行、預(yù)留光爆層”的光面爆破施工模式是可行的。在實地施工期間，須按照監(jiān)測所反饋的消息來及時調(diào)節(jié)爆破數(shù)據(jù)。

通過研究監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，質(zhì)點峰值振動速度隨著爆點測點間距減小而提高，隨間距增加而下降。質(zhì)點峰值振動速度對間距改變的敏感度主要取決于間距大小，例如間距越小則越敏感，質(zhì)點峰值振動速度變化大，反之敏感性下降。

就隧道邊墻處的質(zhì)點峰值振動速度而言，面對爆炸面數(shù)值最大，背對面數(shù)值更小。監(jiān)測點與爆源的間距越大，這類差異越小。就作用炮孔所形成的爆破振動影響而言，掏槽孔影響最大，而周邊孔則最低。

功率譜圖顯示振動能量以30～500Hz為主，主振頻率以100～200Hz為主，根據(jù)頻率關(guān)系可知，引水隧洞施工期間原鐵路隧道不會與之發(fā)生共振。

6.3 爆破未影響原隧道運行安全

《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）要求將振動速度設(shè)置在10～20cm/s，為避免對原有隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，在考慮多方面因素的前提條件下，將振動速度安全參數(shù)設(shè)定為5cm/s。在全部的監(jiān)測參數(shù)內(nèi)，數(shù)值在5cm/s以上的參數(shù)有3個，均未大于10cm/s安全參數(shù)規(guī)定的最低數(shù)值，相比原鐵路隧道固有振動頻率，引水隧洞爆破主頻率（高于180Hz）明顯更高。由于固有振動頻率和爆破主頻率的差異，4#隧洞開展爆破作業(yè)時產(chǎn)生的振動沒有影響原有隧道安全運行。

7 結(jié)束語

綜上所述，引水隧道下穿原鐵路隧道施工條件復(fù)雜，要考慮引水隧道順利建設(shè)性和既有隧道安全運行多方面要求。本文結(jié)合實例，以安全為前提，根據(jù)施工條件提出爆破方案，進行現(xiàn)場監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)評價引水隧洞爆破對原鐵路隧道運行安全的影響，旨在解決爆破施工期間影響現(xiàn)有隧道的爆破振動問題。

監(jiān)測結(jié)果表明，各項爆破測試均符合相關(guān)規(guī)定要求，各項檢測數(shù)據(jù)均達到了預(yù)期數(shù)值，為新建引水隧洞下穿現(xiàn)有鐵路隧道進行爆破施工提供了科學(xué)、合理的依據(jù)。

參考文獻

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