救援通道施工爆破對已建高鐵隧道的振動安全分析

夏一鳴，鄭明新，胡國平，劉家樺

(華東交通大學(xué)巖土與道橋工程研究所，南昌　330013)

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救援通道施工爆破對已建高鐵隧道的振動安全分析

夏一鳴，鄭明新，胡國平，劉家樺

(華東交通大學(xué)巖土與道橋工程研究所，南昌330013)

摘要:為確保已建金山頂高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全，有必要在救援通道爆破施工過程中對其開展爆破振動監(jiān)測。采用TC－4850N無線網(wǎng)絡(luò)爆破測振儀進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明:既有隧道迎爆側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)斷面振動最大;基于最小二乘法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并得到了爆破振動薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式參數(shù);根據(jù)公式參數(shù)對后續(xù)爆破提出了爆破振動控制措施，做到當(dāng)振動速度超過安全閥值時及時調(diào)整爆破參數(shù)，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞:高鐵隧道;振動監(jiān)測;爆破振動;薩道夫斯基公式

近年來，隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，爆破技術(shù)在鐵路隧道工程的建設(shè)中發(fā)揮著日益重要的作用。目前，國內(nèi)隧道爆破開挖多采用鉆爆法施工［1］，國內(nèi)一些學(xué)者對隧道爆破振動監(jiān)測做過許多研究，蔡凍等［2］對野山河隧道進(jìn)行了爆破振動監(jiān)測，分析了隧道爆破振動對鄰近水電站的影響;宋福［3］對敖包溝隧道進(jìn)行了爆破振動監(jiān)測，分析了隧道爆破振動對鄰近既有房屋建筑物的影響;劉玉山等［4］對大軒嶺隧道進(jìn)行了爆破振動監(jiān)測，分析了隧道爆破振動對在建小凈距隧道的影響。目前針對鄰近大型水電站、鄰近既有房屋建筑物、鄰近在建隧道的振動安全分析比較多，而對鄰近已建高鐵隧道的振動安全分析比較少。爆破開挖過程中會產(chǎn)生爆破地震波，地震波產(chǎn)生的振動會對既有鄰近高鐵隧道產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)為爆破振動會造成高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的不均勻變形，進(jìn)而可能引起襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫［5］。

因此，在隧道爆破開挖過程中，必須加強(qiáng)對爆破振動的監(jiān)測與研究，并采取有效措施控制爆破振動的強(qiáng)度。

以金山頂隧道救援通道爆破施工為研究對象，對隧道爆破開挖施工產(chǎn)生的振動進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)及爆破振動響應(yīng)，及時調(diào)整和優(yōu)化新建隧洞施工的爆破設(shè)計參數(shù)，以保護(hù)既有鄰近已建高鐵隧道免受破壞。

1　工程概況

金山頂隧道救援通道作為金山頂隧道的防災(zāi)疏散工程，設(shè)計為平導(dǎo)式隧道，位于金山頂隧道進(jìn)口右側(cè)平行于主洞，與進(jìn)口段線路右側(cè)的既有綜合洞室(正交里程為DK355+224)相接，與主洞凈距約為30 m，救援通道與主洞相對位置見圖1。平導(dǎo)全長597 m，斷面凈空尺寸為5 m(寬)×6 m(高)，該平導(dǎo)位于剝蝕中低山區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，植被發(fā)育，自然坡度為30°～55°，遂址區(qū)地層主要為燕山期花崗巖，中元古界板橋組粉砂質(zhì)板巖。救援通道隧洞圍巖分為3個工程地質(zhì)段，分別為Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ類巖石，具體劃分見表1。

圖1　金山頂隧道救援通道平面示意(單位:m)

表1　隧洞圍巖分級

金山頂隧道正洞采用復(fù)合式襯砌型結(jié)構(gòu)，洞口段小于150 m范圍內(nèi)襯砌采用C35混凝土結(jié)合鋼筋網(wǎng)型襯砌結(jié)構(gòu)，二次襯砌厚度40～50 cm，混凝土強(qiáng)度35 MPa。洞口段大于150 m范圍采用C30素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，二次襯砌厚度35～40 cm。救援通道施工采用人工爆破作業(yè)。

2　隧道爆破振動監(jiān)測

2.1監(jiān)測儀器及方法

本次隧道爆破振動監(jiān)測擬采用由TC－4850N無線網(wǎng)絡(luò)爆破測振儀、Blasting vibration analysis分析軟件、計算機(jī)、打印機(jī)等組成振動監(jiān)測系統(tǒng)。振動監(jiān)測采集系統(tǒng)如圖2所示，在現(xiàn)場監(jiān)測過程中，在同一測點布置垂向，切向和徑向三個方向速度傳感器，傳感器用502膠水固定在所需監(jiān)測部位，再將傳感器與爆破測振儀相連，當(dāng)爆破振動傳遞到測點時，爆破振動記錄儀自動記錄信號，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上專用服務(wù)器內(nèi)，爆破后可利用配套的爆破振動分析軟件通過網(wǎng)絡(luò)將振動信號下載輸入到電腦中，并進(jìn)行分析處理。

圖2　振動監(jiān)測采集系統(tǒng)示意

2.2測點的布置

將傳感器布設(shè)在既有鐵路隧道迎爆側(cè)拱腳上。為了分析振動場的分布情況，了解爆破振動對既有隧道的影響，在爆破源正對既有隧道交叉40～50 m范圍內(nèi)布置3個斷面測點，每個測點包括3個速度傳感器，分別為垂直地面方向(垂向)、水平徑向(其長軸指向爆破源)、水平切向(垂直于徑向)，每個觀測點同時進(jìn)行垂直和兩個水平方向的觀測。

測試工作和隧道爆破開挖作業(yè)同時展開，根據(jù)測點的布置，測點和爆源之間經(jīng)歷了一個由近及遠(yuǎn)的過程。監(jiān)測點平面布置如圖3所示，監(jiān)測點斷面布置如圖4所示

圖3　監(jiān)測點平面布置示意(單位:m)

圖4　監(jiān)測點斷面布置示意

3　爆破振動監(jiān)測分析

3.1爆破典型振動波形特征

平導(dǎo)隧道施工采用人工爆破作業(yè)，爆破分7段起爆，第1、第2段為掏槽眼爆破，第3～第5段為輔助眼爆破，第6段為底板眼爆破，第7段為周邊眼爆破。為了減小爆破對鄰近隧道的影響，施工采用了光面爆破，根據(jù)圍巖特點，并結(jié)合斷面大小，掏槽眼采用楔形掏槽并分兩段起爆，輔助眼應(yīng)避開節(jié)理、裂隙合理選擇間距布置，周邊眼應(yīng)合理選擇間距并沿開挖輪廓線均勻布置。輔助眼和周邊眼孔深均為1.8 m，而且孔底在同一垂直面上，掏槽眼孔深為2.0 m。輔助眼和周邊眼單孔裝藥量分別為0.9 kg和0.36 kg，掏槽眼單孔裝藥量為1.7～2.0 kg，隧道光面爆破最大單段起爆藥量Q 為20.4～24.6 kg。

在典型監(jiān)測點金山頂隧道DK355+150處得到質(zhì)點在垂向、水平徑向和水平切向3個方向的振動時程曲線如圖5所示。由圖5可知，振動時程曲線有7個變化點，分別對應(yīng)7段起爆順序，最大振速出現(xiàn)在第2段上，即最大振速對應(yīng)為掏槽眼爆破時刻，應(yīng)控制掏槽眼的最大裝藥量。由于采取了合理的微差爆破時間，各段振動波形獨立，沒有產(chǎn)生明顯的振動疊加效應(yīng)。

圖5　DK355+150測點三向振動波形

3.2爆破振動速度變化特征分析

3.2.1監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)的討論

振動的物理量一般用質(zhì)點的振速、加速度、位移和振動頻率等表示［6］。用振動的哪些物理量作為衡量爆破振動效應(yīng)強(qiáng)度的判別標(biāo)準(zhǔn)，在不同的工程實踐中，各有側(cè)重，國內(nèi)外多采用地面質(zhì)點的振動速度作為衡量爆破強(qiáng)度的判別標(biāo)準(zhǔn)，也有學(xué)者研究稱爆破振動的主振頻率也是一個衡量爆破振動強(qiáng)度的判別標(biāo)準(zhǔn)［7-8］，是一個不可忽略的重要因數(shù)，依據(jù)我國的《爆破安全規(guī)程》［9］(GB 6722—2011)中的規(guī)定，也將主振頻率納入了考慮范圍。

結(jié)合本次工程的實際情況和目前的研究成果及工程經(jīng)驗，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)的規(guī)定，鐵路交通隧道安全振動速度標(biāo)準(zhǔn)按10 cm/s＜V＜20 cm/s控制，考慮到金山頂高鐵隧道正在試運營，爆破振動過大可能會導(dǎo)致試運營高鐵線路路床的不均勻變形及造成線路消防、供電照明和通訊等附屬設(shè)施的破壞，為了避免以上嚴(yán)重后果的發(fā)生而影響試運營高鐵的行車安全，為了確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，規(guī)定對既有運營鐵路隧道允許的爆破振動速度不宜超過5 cm/s。

3.2.2振動速度變化趨勢分析

在DK355+150處進(jìn)行了13次爆破監(jiān)測，并運用Blasting vibration analysis分析軟件對振動3個方向的波形進(jìn)行了合成，得到新的波形的矢量振速峰值，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2，測點質(zhì)點振速峰值變化趨勢如圖6所示。

表2　隧道爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

從表2和圖6可以看出。

(1)在樁號為DK355+150測點斷面，除了第一次垂向振動速度5.52 cm/s和第二次垂向振速5.29 cm/s，其他次測試質(zhì)點振動峰值速度均在安全標(biāo)準(zhǔn)5 cm/s內(nèi)。這可能是因為測點與爆心水平距離較短而且單段最大起爆藥量過大造成的，而救援通道是平導(dǎo)式隧道，每次爆破時金山頂隧道必有一個與爆心正對的斷面(此斷面為最危險斷面)，最小水平距離即為測點與爆心的水平距離約為32.6 m。所以只能通過調(diào)整單段最大起爆藥量或其他措施來控制爆破峰值振速。

(2)測點的垂向和徑向的峰值振動速度明顯大于切向，而垂向只在第6次和第7次的峰值振動速度小于徑向，其他次均大于徑向。由此可見，質(zhì)點朝臨空面的峰值振動速度要明顯大于其他方向，矢量合成的振速峰值介于垂向和徑向之間，這可能是由于同一測點3個方向的振速峰值并非同時達(dá)到，具有一定的時間差。因此，在迎爆面垂向是最容易發(fā)生破壞也即最危險的方向，徑向次之，切向峰值振速明顯小于其他方向，在今后類似工程中可只監(jiān)測垂向和徑向振動速度以簡化爆破振動監(jiān)測。

圖6　質(zhì)點振速峰值變化趨勢

(3)在單段最大起爆藥量不改變的情況下，質(zhì)點的振速峰值V和爆心距R有明顯的對應(yīng)關(guān)系，隨著爆破施工的不斷推進(jìn)，測點和爆源經(jīng)歷了一個由近及遠(yuǎn)的過程，測點質(zhì)點的振速峰值也隨著爆心距的逐漸增大而呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢。

(4)振動主頻除若干點小于100 Hz以外，其余均大于100 Hz，爆破振動的三向主振頻率主要集中在100～400 Hz，屬于高頻振動。

3.2.3爆破振動衰減公式的回歸分析

爆破后會急劇釋放能量，并以波動的形式向外傳播，引起介質(zhì)的質(zhì)點振動，但爆破振動衰減快，依據(jù)現(xiàn)有的研究成果，目前國內(nèi)外一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式對爆破振動數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析［10-12］

式中，V為爆破產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度，cm/s; R為爆源與測點的直線距離，m; Q為爆破單段最大起爆藥量，kg; K為與地質(zhì)條件、圍巖特性有關(guān)的系數(shù);α為爆破衰減系數(shù)。

對式(1)兩邊取自然對數(shù)得

令lnV = y，ln(Q1/3/R) = x，lnK = b，α= m，則將式(2)變換得到一元線性回歸公式

利用式(1)～式(3)對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法回歸，得薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式(表3)。

表3　薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式

根據(jù)得到的薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式，可以推算確保高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的爆破振速峰值在安全控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的單段最大起爆藥量

由現(xiàn)場工程實際及安全控制標(biāo)準(zhǔn)可知:Rmin= 32.6 m，Vmax=5 cm/s，代入到表3中的公式進(jìn)行計算，得到單段最大起爆藥量并取其中最小值，得Qmax= 21.5 kg。

4　結(jié)論

根據(jù)設(shè)計要求和《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)，對金山頂隧道救援通道爆破過程進(jìn)行了振動監(jiān)測及分析，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到以下結(jié)論。

(1)在隧道爆破開挖施工過程中，當(dāng)最初始監(jiān)測時爆源正對測點距離爆源最近，產(chǎn)生的峰值振動速度最大;而隨著爆源與測點的距離越來越遠(yuǎn)，對應(yīng)的峰值振動速度也在逐漸衰減，在單段最大起爆藥量不改變的情況下，質(zhì)點的振速峰值V和爆心距R有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

(2)爆破振動的三向主振頻率主要集中在100～400 Hz，屬于高頻振動，比既有金山頂高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的固有頻率高很多，因此不會因爆破而產(chǎn)生共振破壞。

(3)基于最小二乘法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了垂向和徑向的薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式，得到在安全控制標(biāo)準(zhǔn)下的單段最大起爆藥量為21.5 kg。在后續(xù)爆破施工過程中建議將單段最大起爆藥量控制在21.5 kg以內(nèi)效果較好。

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Analysis of Vibration Impact Caused by Relief Channel Blasting on Existing High-speed Railway Tunnel

XIA Yi-ming1，ZHENG Ming-xin1，HU Guo-ping1，LIU Jia-hua1
(1.Institute of Bridge＆Road＆Geotechnical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)

Abstract:To ensure the safety of the lining structure of the existing Jin Shan Ding high-speed railway tunnel，it is necessary to monitor blasting operation with TC－4850N wireless blasting monitoring system.The results show that the lining structure section on the blasting side of the existing tunnel vibrates the most.The blasting vibration Sodev's empirical attenuation formula parameters are obtained based on the least squares regression analysis of the monitoring data.And blasting vibration control measures for subsequent blasting operations are proposed in the light of formula parameters so that blasting parameters are adjusted timely once the vibration velocity exceeds the allowable limit.

Key words:High-speed railway tunnel; vibration monitoring; Blasting vibration; Sodev's empirical formula of attenuation

通信作者:鄭明新(1966—)，男，教授，主要從事路基與邊坡工程研究，E-mail:492001473@ qq.com。

作者簡介:夏一鳴(1991—)，男，碩士研究生，E-mail:835866511 @ qq.com。

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(51068006) ;江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜媱濏椖?KJLD13036)

收稿日期:2015-07-30;修回日期:2015-08-24

文章編號:1004-2954(2016) 03-0097-04

中圖分類號:U458

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.021