某水工隧洞爆破震動對周邊建筑物影響的試驗(yàn)分析①

喬　雄,陳建勛,王夢恕,王曉星

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 4.衢州市公路管理局,浙江 衢州 324000)

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某水工隧洞爆破震動對周邊建筑物影響的試驗(yàn)分析①

喬雄1,2,陳建勛1,王夢恕3,王曉星4

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 4.衢州市公路管理局,浙江 衢州 324000)

隧道開挖時(shí)的爆破震動對周邊建筑物安全影響很大,但目前對不同爆破參數(shù)、周邊建筑的距離與爆破開挖之間關(guān)系的研究成果不多,實(shí)際工程中也難以把握。以寧夏固原市某水工隧道工程為依托,采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法,對地表關(guān)鍵位置質(zhì)點(diǎn)爆破振動頻率與振動速度進(jìn)行測試和分析。結(jié)果表明:(1)經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)房屋主振頻率在10～60 Hz間,而一般房屋建筑的頻率均小于10 Hz,說明此次試驗(yàn)中爆破震動不能與房屋產(chǎn)生共振。(2)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并依據(jù)爆破震動規(guī)范安全振速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判別,發(fā)現(xiàn)此次試驗(yàn)中土坯房的安全距離為160 m,一般磚房為60 m。研究結(jié)果可為隧道爆破的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù),為類似隧道的爆破工程及解決由爆破引起的糾紛提供借鑒。

水工隧洞; 爆破震動; 爆破振速; 現(xiàn)場測試

0　引言

由于圍巖的性質(zhì)一般不均一,故在隧道施工中很難選用隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)TBM(Tunnel boring machine)或者盾構(gòu)法,而較多采用鉆爆法施工。隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展,隧道經(jīng)常需要經(jīng)過工業(yè)或民用建筑附近區(qū)域。在隧道爆破開挖的過程中,爆破產(chǎn)生的地震波對鄰近建筑的安全構(gòu)成了威脅,甚至產(chǎn)生破壞,常引發(fā)施工單位與居民間的糾紛。在隧道與鄰近建筑距離一定的情況下,如何確定爆破振動的影響范圍,優(yōu)化爆破參數(shù)一直是隧道施工中一個(gè)重要研究課題。

截至目前,已有許多學(xué)者對隧道爆破進(jìn)行了研究。如1997年吳德倫等[1]對爆破振動效應(yīng)進(jìn)行了研究,比較了國內(nèi)外常用的安全振動速度準(zhǔn)則,并結(jié)合重慶市地鐵施工爆破振動效應(yīng)的測試結(jié)果,提出了關(guān)于爆破振動安全速度規(guī)定的分類建議值。婁建武[2]于2000年通過長期對爆破振動數(shù)據(jù)的采集分析及對結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)象的觀測,提出了適宜某場區(qū)普通民房結(jié)構(gòu)的容許振動速度為V=2 cm/s。同年楊年華等[3]根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié),對傳感器的選型安裝、記錄儀和分析軟件的要求及輸出結(jié)果形式等各環(huán)節(jié)上存在的問題進(jìn)行了探討,并提出了有益的建議。2003年言志信等[4]通過研究爆破振動測試結(jié)果,將我國《爆破安全規(guī)程》與國外安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,從理論上闡明了爆破安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)將振速限值與振動頻率相關(guān)聯(lián),并提出了改進(jìn)辦法和爆破地震安全振速建議標(biāo)準(zhǔn)。2011年高同偉[5]以青島膠州灣灣口海底隧道青島端接線工程為依托,以現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測為主要研究手段,應(yīng)用UBOX5016爆破振動智能監(jiān)測儀對膠州灣灣口海底隧道青島端接線工程云南路隧道沿線建筑物進(jìn)行了監(jiān)測,首次提出藥距比系數(shù)的概念,并給出了該系數(shù)的計(jì)算公式,提出了劃分建筑物爆破振動區(qū)域等級的新方法。陳中學(xué)等[6]于2012年對城萬快速公路通道某隧道出口臨近建筑物爆破振動速度進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果表明:隧道臨近建筑的垂直振速大于徑向振速和切向振速,應(yīng)以監(jiān)測其垂直振速為主。同年余佳力[7]結(jié)合廈門機(jī)場路一期工程JC2、JC3標(biāo)段工程中隧道鄰近或穿越地表建筑物的實(shí)際,采用理論分析、施工監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,比較系統(tǒng)地研究了隧道施工對周邊建筑物的影響。

通過上述文獻(xiàn)分析可以看出,目前國內(nèi)研究主要集中在爆破速度對建筑物的影響方面,而對于測試方法及范圍判定方面的研究較少。本文以某水工隧道的爆破施工為例,探討爆破振動對臨近建筑物的影響范圍。

1　依托工程概況

1.1工程概況

圖1　隧道襯砌結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure of tunnel lining

1.2施工方法

依托隧洞的圍巖級別主要為Ⅳ級、Ⅴ級,采用全斷面光面爆破法施工,開挖時(shí)預(yù)留變形量,其噴錨支護(hù)段按10 cm控制,管棚支護(hù)段按15 cm控制。Ⅳ級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺1.2～1.8 m,Ⅴ級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺0.8～1.2 m。

爆破材料選擇二號巖石乳化炸藥(?32～200 g,爆速≥3 600 m/s),毫秒導(dǎo)爆雷管(1～7段,導(dǎo)爆管長5.0 m),開挖斷面寬3.3 m、高3.57 m,斷面面積為9.85 m2,設(shè)計(jì)進(jìn)尺2.0 m,設(shè)計(jì)爆破方量19.7 m3,炸藥單耗1.15 kg/m3。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,實(shí)際單孔裝藥量為1 kg,分3段爆破,單段最大起爆藥量為8 kg,總裝藥量為24 kg。實(shí)際圍巖鉆爆圖如圖2所示。

圖2　爆破布孔圖(單位:cm)Fig.2　The drilling layout of actual blasting (Unit:cm)

2　現(xiàn)場測試方案

2.1測點(diǎn)布置

在依托隧道樁號為K19+357處爆破時(shí)對地表質(zhì)點(diǎn)振動速度及振動頻率進(jìn)行現(xiàn)場測試。為較準(zhǔn)確地獲得沿隧道軸線方向上振動速度的傳播規(guī)律,在布設(shè)測線時(shí)盡量避開障礙物,并進(jìn)行多次平行試驗(yàn)測試,以取其平均值。為此共布設(shè)了3條測線,每條側(cè)線上5個(gè)測點(diǎn),共15個(gè)測點(diǎn),分3個(gè)炮次進(jìn)行測試(圖3)。

圖3　測線及測點(diǎn)布設(shè)Fig.3　Survey line and point layout

2.2測試儀器與測試方法

(1)萊卡TPS802全站儀

為準(zhǔn)確測定測點(diǎn)與爆源的位置關(guān)系,使用萊卡TPS802全站儀,利用大地坐標(biāo)系,對測點(diǎn)的點(diǎn)位進(jìn)行測定。

(2)爆破測試系統(tǒng)

選擇爆破振動速度觀測系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,預(yù)估被測信號的幅值范圍和頻率分布范圍,選擇的觀測系統(tǒng)幅值范圍上限應(yīng)高于被測信號幅值上限的20%,頻率響應(yīng)范圍應(yīng)包含被測信號的頻率分布范圍。依據(jù)這個(gè)原則選擇的觀測系統(tǒng)不會出現(xiàn)削波、平臺等情況。本次爆破振動試驗(yàn)的觀測系統(tǒng)由TCS-B3型三向振動速度型傳感器、低噪聲屏蔽電纜、TC-4850爆破振動記錄儀和計(jì)算機(jī)組成(圖4)。

圖4　TC-4850爆破測振系統(tǒng)Fig.4　TC-4850 vibrometer system

測試時(shí),先用全站儀測定埋設(shè)傳感器的點(diǎn)位,點(diǎn)位的布設(shè)沿爆源的半徑,并依據(jù)對數(shù)原理,即10、20、40、80及160 m。后因現(xiàn)場需要,在200 m處亦設(shè)了測點(diǎn)。因測試現(xiàn)場地表為馬蘭黃土,較松軟,為充分與現(xiàn)場環(huán)境擬合,對傳感器采用坑埋的方法布設(shè),即挖一比傳感器稍大的正方形土坑,深15 cm,將傳感器Z面朝上,主軸背離爆源點(diǎn)埋入,并覆土壓實(shí)。

3　測試結(jié)果及分析

經(jīng)過三個(gè)炮次的測試,獲得了三條測線上各測點(diǎn)的地表質(zhì)點(diǎn)振動速度及振動頻率,分列如下。

測線1上5個(gè)測點(diǎn)的測試結(jié)果如表1所列。典型爆破振動效應(yīng)波形如圖5(a)所示。

測線2上5個(gè)測點(diǎn)的測試結(jié)果如表2所列。典型爆破振動效應(yīng)波形如圖5(b)所示。

測線3上5個(gè)測點(diǎn)的測試結(jié)果如表3所列。典型爆破振動效應(yīng)波形如圖5(c)所示。

表1　測線1上測點(diǎn)爆破振動效應(yīng)

圖5　通道Z方向的爆破振動效應(yīng)波形圖 (距爆源20 m)Fig.5　Blast vibration waveform in Z direction (20 m from the explosion source)

表2　測線2上測點(diǎn)爆破振動效應(yīng)

由表1～3中可以看出,Z通道的振速最大,表明隧道臨近建筑的垂直振速大于徑向振速和切向振速,故應(yīng)以監(jiān)測其垂直振速為主。爆破地震波主頻率最小值為13.163 Hz,最大值為64.516 Hz,其主頻率在10～60 Hz范圍內(nèi)變化。根據(jù)我國一些建筑物的固有頻率的實(shí)測資料[9-10]知,一般建筑物的固有頻率都在10 Hz以下。此次爆破的主振頻率都大于10 Hz,可見建筑物對此次爆破地震波的響應(yīng)較弱,破壞性相對較小,但波速較高,應(yīng)從波速角度綜合評價(jià)。

表3　測線三上測點(diǎn)爆破振動效應(yīng)

由圖5可以看出,爆破明顯分為三段,第一段的波速峰值較高,第二段和第三段波速峰值較低。這與現(xiàn)場實(shí)際裝藥與爆破情況相符,驗(yàn)證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

為求得爆破震動的范圍,按照薩道夫斯基[8]公式進(jìn)行回歸,求得K、α值。

(1)

式中:R為爆破振動安全允許距離,單位為m;Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時(shí)爆破為最大一段藥量,單位為(kg);V為保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度,單位為(cm/s);K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),可按規(guī)范選取,或通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

在測線1上,距離爆源10 m處的測點(diǎn)振速較為離散,故采用TC-4850測試系統(tǒng)自帶的回歸功能對剩余4個(gè)點(diǎn)的振速進(jìn)行回歸,回歸界面如圖6所示。

由表4可以看出,測線3所得的K和α值與測線1、2所得值偏離較大,故舍棄,取測線1、2所得的K和α值的平均值作為最終值。即爆破振動安全允許距離的計(jì)算式為:

圖6　薩道夫斯基公式回歸Fig.6　Sadov's regression formula

表4　回歸所得K和α

(2)

(3)

由此可以推算出藥量與安全距離的關(guān)系如表5所列。

表5　振速、藥量與安全距離的關(guān)系

由《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)可知,主頻為10～60 Hz時(shí)一般磚房控制安全振速為2.3～2.8 cm/s,土坯房為0.7～1.2 cm/s;由表5可知,此次監(jiān)測過程中土坯房的安全距離為160 m,一般磚房的安全距離為60 m。

4　結(jié)論

通過對依托隧道的現(xiàn)場測試,給出了測試方法,測定了影響范圍,可為類似工程提供借鑒與參考?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明:

(1)隧道臨近建筑的垂直振速大于徑向振速和切向振速,應(yīng)以監(jiān)測其垂直振速為主。

(2)測試所得主振頻率為10～60 Hz,而一般房屋建筑的頻率均小于10 Hz,說明爆破震動不能與房屋產(chǎn)生共振。

(3)依據(jù)爆破震動規(guī)范的安全振速標(biāo)準(zhǔn),此次測試土坯房的安全距離為160 m,一般磚房的安全距離為60 m。

研究結(jié)果可為隧道爆破的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù),為類似隧道的爆破工程及解決由爆破引起的糾紛提供借鑒。

References)

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Experimental Analysis of Influence of Blasting Vibration in a Hydraulic Tunnel on Surrounding Buildings

QIAO Xiong1,2,CHEN Jian-xun1,WANG Meng-shu3,WANG Xiao-xing4

(1.School of Highway,Chang an University,Xi an 710064,Shaanxi,China;2.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu,China;3.School of Civil Engineering and Architecture,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;4.Quzhou City Highway Administration,Quzhou 324000,Zhejiang,China)

Buildings adjacent to a site are considerably influenced by blasting vibrations.However,limited research has been conducted in this respect.In this paper,therefore,a hydraulic tunnel project in Guyuan city,Ningxia province,is selected as the research site and particle blasting vibration frequency and vibration velocity are tested and analyzed using in-situ tests.Results show that the tested domain frequency of buildings is between 10～60 Hz,which is different from general housing construction with a 10 Hz domain frequency and thus shows that blasting vibrations do not cause resonance in the buildings tested.In addition,according to safe speed standards in blasting vibration specifications,a safe distance for adobe houses is 160 m and that of general brick houses is 60 m.These results provide a theoretical basis for tunnel blasting design and construction,and can also be used as a reference when resolving disputes caused by blasting in similar projects.

hydraulic tunnel; blasting vibration; blasting vibration velocity; in-situ test

2015-08-04

長江學(xué)者獎勵計(jì)劃項(xiàng)目(T2014214);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278063);陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(2014KCT-29);陜西省交通廳建設(shè)科技項(xiàng)目(13-14K);交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(2010 353 361 310)

喬雄(1980-)，男(漢族)，博士研究生，講師，主要從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:qiaoxionglut@163.com。

U451

A

1000-0844(2016)04-0504-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0504