輕軌隧道循環(huán)掘進爆破地震效應(yīng)研究

王 輝，常中民，陽生權(quán)，丁 雄

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司，湖州 313000)

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輕軌隧道循環(huán)掘進爆破地震效應(yīng)研究

王 輝1，常中民2，陽生權(quán)1，丁 雄1

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司，湖州 313000)

以重慶軌道交通環(huán)線冉家壩淺埋輕軌隧道工程為背景，進行循環(huán)掘進的地表爆破震動效應(yīng)試驗.通過測量隧道地表不同位置處引起的振動速度波形，研究地表震動特性及爆破地震波的傳播和衰減規(guī)律.試驗研究分析發(fā)現(xiàn)，掌子面前后的地表振動速度存在顯著地差異，已開挖成形隧道改變了巖體的整體結(jié)構(gòu)，爆破振速存在放大效應(yīng)，且放大后的爆破振速隨距離的增大而減小，用常規(guī)的薩道夫公式預(yù)測成形隧道地表的振動速度誤差較大，而通過編寫matlab函數(shù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、多元線性回歸分析求出廣義的爆破震動速度計算公式，預(yù)測成形隧道地表振動速度誤差較小.所以廣義的爆破震動速度公式預(yù)測成形隧道地表振動速度值得推廣.

爆破震動；衰減規(guī)律；回歸分析

隨著我國城市化建設(shè)的發(fā)展，城市交通壓力與日俱增.以鉆爆法為城市地鐵隧道循環(huán)掘進的主要方法，對加 快城市地鐵建設(shè)，減緩城市交通起到重要作用.同時，爆破施工產(chǎn)生的爆炸空氣沖擊波、爆破飛石、爆破噪聲，尤其是爆破地震效應(yīng)對城市復(fù)雜環(huán)境下建筑物的影響是不能忽視的[1-2].在人口和建筑密集的城市進行爆破開挖，對其爆破振速控制有其嚴格的要求.因此要求能夠準確分析爆破地震波的傳播和衰減規(guī)律，預(yù)測爆破振速，通過爆破優(yōu)化設(shè)計與施工有效的減小爆破振動危害.目前，工程中通常采用式(1)薩道夫斯基公式預(yù)測爆破振速的量值[3-5]：

(1)

式中：R為測點到爆破中心的距離(m)；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破取總藥量，微差爆破時取最大段裝藥量(kg)；v為爆破巖石質(zhì)點振動速度(cm/s);k為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)和爆破方法有關(guān)的場地系數(shù)；α為爆破震動衰減系數(shù).

以往工程實際證明，薩道夫斯基公式在平整地形條件下預(yù)測地面的爆破振速有較高的精度，但該公式?jīng)]有考慮已開挖成形隧道對地表振動速度的影響[6].基于這一點認識，也有不少學(xué)者對此進行了研究，文獻[7]認為淺埋隧道開挖區(qū)造成掘進爆破產(chǎn)生的地表震動產(chǎn)生“空洞效應(yīng)”，成形隧道對巖體整體結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致地表振速產(chǎn)生放大效應(yīng)，掘進前方的爆破地震效應(yīng)可以薩道夫斯基公式進行預(yù)測，掘進后方的爆破地震波則不符合這一衰減規(guī)律.

上述學(xué)者的研究表明，開挖成形隧道對地表爆破振速產(chǎn)生影響，并且產(chǎn)生放大效應(yīng)，但未對具體衰減規(guī)律進行分析.本文通過實測爆破振動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，開挖成形隧道對地表爆破振動速度的確產(chǎn)生放大效應(yīng)，同時爆破振速也隨著距離的增加而減小，也應(yīng)滿足某一衰減規(guī)律.因此通過編寫matlab函數(shù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、回歸分析求出廣義的爆破震動速度計算公式，預(yù)測開挖成形隧道地表速度，與實測爆破振速吻合較好.

1 工程實例

1.1 工程概況

冉家壩施工通道輕軌隧道位于重慶市渝北區(qū)境內(nèi)，全長483 m，標準斷面凈寬6 m，凈高5.5 m,埋深16～24 m，該段隧道屬于淺埋隧道，采用鉆爆法施工.隧道圍壓屬于III、IV級，巖性以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主.該段靠近重慶廣電大廈、重慶工商局、楊子江商務(wù)小區(qū)等重點需要保護的高層建筑物，同時下穿已建好的冉家壩輕軌站，因此對爆破振動控制要求嚴格.

1.2 試驗方案與量測方法

由于隧道開挖成形后，掌子面前后的巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力重新分布，爆破條件發(fā)生大的變化，為了對比掌子面前后地表振動速度的傳播和衰減規(guī)律.現(xiàn)場以掘進掌子面為中心，在隧道軸線地表對稱布置振動監(jiān)測點，測點按一定間距布置，正反兩個方向各布置5個測點，掌子面布置一個測點，如圖1所示.

圖1 爆破振動測點的平面布置圖

振動測量系統(tǒng)由拾振器、記錄儀和筆記本電腦組成.采用四川拓普測控科技有限公司生產(chǎn)的UBOX5016數(shù)據(jù)采集設(shè)備及配套軟件進行數(shù)據(jù)采集.現(xiàn)場測試安裝傳感器時，采用生石膏粉加適量的水調(diào)節(jié)成漿糊狀，將傳感器粘結(jié)在測點上，過幾分鐘石膏凝固達到傳感器與地面剛性連接后，保持垂直速度傳感器與水平面垂直，水平徑向速度傳感器與水平面平行，水平切向速度傳感器在水平面內(nèi)與水平徑向速度傳感器垂直，構(gòu)成一個關(guān)于爆心的3維直角坐標系，可以進行爆破震動測試.

1.3 數(shù)據(jù)分析

為了優(yōu)化爆破方案，指導(dǎo)爆破施工，控制爆破地震效應(yīng)對周圍密集的高層建筑的影響.在隧道施工初期，通過對爆破震動進行了監(jiān)測，了解現(xiàn)場條件下的爆破震動傳播與衰減規(guī)律，計算出場地影響系數(shù)k值和衰減指數(shù)α.初期爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1.各測點振動速度的變化特征見圖2.

表1 鉆爆初期施工爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 鉆爆初期地表各測點振動速度的變化特征

隨著鉆爆施工的推進，用薩道夫斯基公式預(yù)測爆破中期爆破震動速度并與實測數(shù)據(jù)對比,由于篇幅原因只列部分數(shù)據(jù)，見表2.例舉第4次測點振動速度的變化特征見圖3.

圖3 鉆爆中期地表各測點振動速度的變化特征

測試次數(shù)最大段藥量(kg)爆心距(m)掌子面前方掌子面后方測點編號預(yù)測振速(cm/s)實測振速(cm/s)絕對誤差(cm/s)相對誤差(%)測點編號預(yù)測振速(cm/s)實測振速(cm/s)絕對誤差(cm/s)相對誤差(%)16.8qc11.9431.8930.0502.57%hc13.7503.3410.40912.24%18.9qc21.5331.6180.0855.54%hc23.0192.8770.1424.94%17.221.9qc31.1401.1670.0272.37%hc32.3032.0150.28814.29%25.6qc40.8330.8750.0425.04%hc41.7281.3590.36927.15%29.7qc50.6180.6350.0172.75%hc51.3141.0570.25724.31%16.8qc12.0851.9890.0964.60%hc14.0003.8940.1062.72%18.9qc21.6461.7210.0754.56%hc23.2212.9590.2628.85%2821.9qc31.2231.1220.1018.26%hc32.4562.1120.34416.29%25.6qc40.8940.8750.0192.13%hc41.8431.4560.38726.58%29.7qc50.6630.6410.0223.32%hc51.4021.1020.30027.22%16.8qc12.2232.0890.1346.03%hc14.2414.0540.1874.61%18.9qc21.7541.6310.1237.01%hc23.4153.1110.3049.77%38.821.9qc31.3051.2050.1007.66%hc32.6042.1340.47022.02%25.6qc40.9780.9250.0535.42%hc41.9541.5410.41326.80%29.7qc50.7070.7250.0182.55%hc51.4871.0560.43140.81%

通過表2數(shù)據(jù)分析可得，對于掌子面前方地表爆破振速用薩道夫斯基預(yù)測與實際測得比較吻合，其絕對誤差和相對誤差均相對較小.而對已開挖成形隧道地表震動速度用薩道夫斯基預(yù)測與實測相差甚遠，其絕對誤差和相對誤差均較大.由圖2、圖3可以看出地表測點振動速度的變化特征：掌子面前后爆破振速存在明顯差異，掌子面后方地表的爆破振速明顯比掌子面前方地表的爆破振動速度大，且掌子面后方地表放大后的爆破振速也隨著距離的增加而衰減，文獻[7]圖五、圖六也反應(yīng)了類似的變化，掌子面后方爆破振速放大后同樣類似于掌子面前方的爆破振動衰減曲線.

對表2中開挖成形地表爆破震動數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，在matlab的M函數(shù)中輸入監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)(Q，R，V)進行多元線性回歸后，計算機輸出結(jié)果b=【 2.9098，0.4556 ，-2.2375】，也就得出公式中的k、α、β值， 分別為k= 821.456 ；α= 0.4556 ；β= -2.2375 ；由此可知，本隧道已開挖成形隧道地表爆破震動傳播的廣義衰減公式為：v=821.456·Q0.4556R-2.2375.運用此公式與薩道夫斯基公式預(yù)測開挖成形隧道地表的爆破振速進行比較如表3所示.

表3 公式預(yù)測與實測數(shù)據(jù)的比較及誤差分析

2 結(jié) 論

(1)掌子面隧道后方地表爆破振速明顯大于掌子面隧道前方地表爆破振速，已開挖成形隧道地表的爆破震動確實有放大效應(yīng)，因此在對城市建筑物爆破地震效應(yīng)控制時，要以掌子面后方測得的爆破振速作為控制標準，最大限度的保護建筑物的安全.

(2)輕軌淺埋隧道掘進前方用薩道夫斯基公式預(yù)測爆破振速與實測振速吻合較好，對冉家壩隧道前方的地震動衰減參數(shù)為k=150.3；α=2.01.而掘進后方的爆破震動用薩道夫斯基公式預(yù)測誤差較大.

(3)輕軌淺埋隧道掘進后方地表爆破振速有放大效應(yīng)，同時爆破振速也會隨著距離的增加而減小，運用編寫matlab函數(shù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、回歸分析求出廣義的爆破震動速度計算公式預(yù)測其爆破公式與實測振速相應(yīng)吻合.其相應(yīng)系數(shù)為k=821.456；α=0.4556；β=-2.2375.用廣義衰減公式預(yù)測隧道掘進后方地表爆破振速誤差較小.

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Experimental Study on Blasting Seismic Effect Resulting from Circular Driving in Light Rail Tunnel

WANG Hui1，CHANG Zhong-min2，YANG Sheng-quan1，DING Xiong1

(1.College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China；2.China Railway 16th Bureau Group Third Engineering Co., LTD.Huzhou 313000， China)

Taking the project of Ranjiaba shallow light rail tunnel of chongqing rail transit circle as the background, the field experiments of blasting vibration effects of the ground in circular driving have been done. Based on the measurement of the waveforms of the vibration velocity in different distances on the ground, the vibration characterist of the ground and the propagation and attenuation laws of lasting seismic wave are studied. The research tests and analysis show that the ground vibration velocity of in the front of and behind the tunnel face exists significant differences. The rock mass of the entire structure has been changed for the tunnel has been forming result from excavating. Blasting vibration velocity is magnified and the blasting vibration velocity decreases with the increase of distance. Predicting the forming tunnel of the ground blasting vibration velocity with sadov's formula has a larger error.And by writing matlab function for data statistics and multivariate linear regression analysis to find the general formula of blasting vibration velocity, the forming tunnel of the groun vibration velocity is predicted with a small error. So using the generalized tunnel blasting vibration velocity formula to predict the forming tunnel of the ground vibration velocity is worth promoting.

blasting vibration;attenuation law;regression analysis

2014-09-01

湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育項目(13CY013).

王 輝(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：巖土工程.

TD235

A

1671-119X(2015)01-0076-04