新建隧道下穿既有道路爆破施工影響范圍

王 睿，袁崠洋，黨發(fā)寧，盧澤霖，楊戰(zhàn)博，楊 歡，鄧祥輝

1)西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安 710048；2)西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安 710021；3)中交第一公路工程局有限公司，北京 100085

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

新建隧道下穿既有道路爆破施工影響范圍

王 睿1,2，袁崠洋2，黨發(fā)寧1，盧澤霖2，楊戰(zhàn)博3，楊 歡3，鄧祥輝2

1)西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安 710048；2)西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安 710021；3)中交第一公路工程局有限公司，北京 100085

以寶漢高速爆破施工為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測關(guān)鍵質(zhì)點爆破振動速度，研究爆破振動對臨近既有道路的影響范圍. 研究結(jié)果表明，爆破振動波的主頻率在10～50 Hz內(nèi)，不會使周圍臨近既有道路與其產(chǎn)生共振. 從現(xiàn)場測試結(jié)果可知，由于垂直振速大于徑向振速和切向振速，且垂直振動對建筑物破壞尤為顯著，故在類似工況下爆破振動監(jiān)測應(yīng)該以監(jiān)測垂直振速為主. 爆破振動波對既有道路的影響范圍為30 m，與理論值相符.當(dāng)淺埋大斷面軟弱圍巖隧道下穿既有道路施工爆破的安全允許質(zhì)點振動速度小于2.0 cm/s時，可確保既有道路結(jié)構(gòu)和交通安全.研究可為此類隧道工程的施工提供借鑒.

隧道工程；爆破施工；爆破振動；振動速度；振動頻率；既有道路

近年來，隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加快，隧道與地下工程的建設(shè)進(jìn)入了大規(guī)模發(fā)展時期. 新建隧道或地下工程常常需要從已有建筑物附近穿越．從技術(shù)和資金等方面考慮，新奧法仍然是目前我國隧道施工的主流方法. 因此，新建隧道工程的爆破開挖施工勢必影響到臨近地層和地表建筑結(jié)構(gòu)，如果爆破參數(shù)設(shè)置不合要求，爆破振動對周圍環(huán)境會造成各種不良的影響，如地面劇烈震動，誘發(fā)人工地震，地表建筑物變形，甚至開裂等. 為了保證施工安全，以及爆破施工現(xiàn)場附近民眾的人身安全，減少不必要的意外損失，確定爆破振動影響范圍十分必要.

迄今，許多學(xué)者在隧道爆破對臨近建筑物的影響方面進(jìn)行了研究[1-6]. 婁建武[7]通過長時間采集和分析爆破振動數(shù)據(jù)、觀測結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)象等，提出了普通民房結(jié)構(gòu)的允許振動速度為2 cm/s. 王利等[8]通過對某海底隧道下穿既有建筑物的爆破振動監(jiān)測，分析了建筑物爆破振動的規(guī)律和振速隨樓層的變化規(guī)律. 翟才雅等[9]以青島地鐵3號線3個工點的隧道工程爆破項目為依托，將數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果對比分析出爆破最大振速、主頻的分布規(guī)律以及內(nèi)部質(zhì)點速度的分布規(guī)律. 樊浩博等[10]依托實際工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，對地表振動速度衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，指出了爆破振動的顯著影響區(qū)域. 傅洪賢等[11]采用現(xiàn)場實測的方法，監(jiān)測掌子面正上方以及側(cè)面圍巖的爆破振動速度，總結(jié)了掌子面正上方、側(cè)面圍巖的爆破振動規(guī)律. 陳中學(xué)等[12]監(jiān)測了城萬快速公路通道某隧道出口臨近建筑物爆破振動速度，指出隧道臨近建筑的垂直振速大于切向振速和徑向振速，應(yīng)以測量其垂直振速為主. 張志毅等[13]對近年來爆破振動波的衰減和傳播規(guī)律、減振控制方法以及實時遠(yuǎn)程爆破振動測試技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，預(yù)測了基于單孔爆破振動基波的疊加組合相應(yīng)的模型，討論了爆破振動安全評價標(biāo)準(zhǔn). 喬雄等[14]針對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)系的研究成果不多的現(xiàn)狀，以寧夏某水工隧道工程為依托，采用現(xiàn)場實驗的方法，對地表關(guān)鍵位置質(zhì)點振動的頻率與振動速度進(jìn)行測試和分析.由此可見，目前研究主要集中在爆破振動對周邊建筑物的影響，而對于新建隧道下穿既有道路時爆破振動影響范圍的判定研究尚屬空白，本研究以寶漢高速某隧道下穿既有道路段爆破施工為例，探討爆破振動對既有道路的影響范圍.

1 工程概況

寶漢高速某隧道位于陜西省留壩縣武關(guān)驛鎮(zhèn)武關(guān)河村南側(cè)約80 m處，G316西側(cè). 隧道按左右線分離式設(shè)計，左線隧道進(jìn)口樁號ZK159+355，出口樁號ZK159+775，長420 m，屬短隧道；右線隧道進(jìn)口樁號YK159+335，出口樁號YK159+844，長509 m，屬中隧道. 隧道采用的是三心圓曲墻式斷面，建筑限界凈寬為14 m，凈高為5 m.

1.1 支護(hù)參數(shù)

隧道右線出口YK159+781.09～YK159+818.25區(qū)段下穿316國道，呈45°斜交.YK159+801 處埋深僅4.05 m，屬于Ⅴ級土質(zhì)超淺埋段，施工難度大風(fēng)險高. 故新建隧道下穿國道段采用交叉中隔墻(center cross diagram，CRD)法進(jìn)行施工，洞頂雙層Φ159 cm×10 mm 管棚超前加固；洞身開挖初期支護(hù)為全斷面噴射C25混凝土，厚28 cm；布設(shè)雙層Φ8 cm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格大小為20 cm×20 cm；全斷面設(shè)I22b型鋼架，間距為50 cm/榀；邊墻采用Φ22 cm砂漿錨桿，錨桿長 4 m，間距 1 m×1 m 梅花形布置；二次支護(hù)為厚60 cm的C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)格柵鋼架加強(qiáng)，格柵鋼架采用4根Φ22 cm主筋，Φ12 cm箍筋間距為20 cm，鋼格柵間距50 cm，并與初期支護(hù)鋼拱架間隔設(shè)置. 臨時中隔壁及臨時仰拱采用噴錨防護(hù)，噴射混凝土厚度為22 cm，設(shè)I18型鋼拱架，間距為50 cm. 中隔壁采用超前小導(dǎo)管支護(hù)，自拱頂向下設(shè)11根間距為40 cm，每隔3.3 m布設(shè)一環(huán)，外插角12°，中隔壁沿墻壁設(shè)間距為1 m的早強(qiáng)砂漿錨桿.

1.2 爆破設(shè)計

該隧道下穿既有道路段開挖采用光面爆破，進(jìn)尺取1.0 m，爆破材料的選擇如表1.

設(shè)計采用分段爆破施工(圖1)，共分為4段. 其中，第①部分單段最大起爆藥質(zhì)量為8.75 kg，裝藥總質(zhì)量為17.8 kg；第②部分單段最大起爆藥量為9.25 kg，裝藥總質(zhì)量為15.75 kg；第③部分單段最大起爆藥質(zhì)量為5 kg，裝藥總質(zhì)量為12.8 kg；第④部分單段最大起爆藥質(zhì)量為6 kg，裝藥總質(zhì)量為12 kg. 具體爆破參數(shù)如表2，實際炮眼布置如圖2.

表1 爆破材料

圖1 支護(hù)設(shè)計圖Fig.1 Supporting design

位置分布炮眼名稱孔數(shù)炮眼深度/m單孔裝藥質(zhì)量/kg封堵長度/m裝藥總質(zhì)量/kg第①部分掏槽眼41.20.700.5017.80輔助眼151.00.250.55周邊眼351.00.250.55底板眼101.00.250.55第②部分輔助眼261.00.250.5515.75周邊眼371.00.250.55第③部分掏槽眼41.20.700.5012.80輔助眼121.00.250.55周邊眼201.00.250.55底板眼81.00.250.55第④部分輔助眼241.00.250.5512.00周邊眼241.00.250.55

圖2 炮眼布置圖Fig. 2 The layout of embrasures

2 爆破振動現(xiàn)場測試

為確保新建隧道下穿既有道路段施工中隧道與G316結(jié)構(gòu)及交通安全，對路面進(jìn)行爆破振動現(xiàn)場測試，具體操作及分析如下.

2.1 測點布置

根據(jù)工程經(jīng)驗和理論分析，在CRD法施工過程中，第①和第③部分距離地表最近，故在隧道爆破過程中對上部既有道路影響較大[15-17]．因此，現(xiàn)場測試僅需針對第①和第③部分施工布置爆破振動監(jiān)測斷面. 由于新建隧道與既有道路斜交，且G316兩側(cè)分別為陡壁和山谷，測線采用垂直于隧道走向布置具有一定的局限性，故本次監(jiān)測測線沿G316走向布置[18-20]. 其中，測線1沿G316漢中方向布置，監(jiān)測第①部分施工，共布設(shè)7個測點，距隧道軸線距離分別為0、10、20、30、40、60和80 m；測線2沿G316留壩方向布置，監(jiān)測第③部分施工，共布設(shè)7個測點，距隧道軸線距離分別為0、10、20、30、40、60和80 m，測線布置如圖3.

2.2 測試方法

1)測點定位.為了準(zhǔn)確測定測點與爆破面的位置關(guān)系，使用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)對測點的坐標(biāo)進(jìn)行定位，并在國道路面上使用道釘進(jìn)行標(biāo)記.

2)爆破振動監(jiān)測.爆破測振系統(tǒng)由TCS-B3型傳感器、低噪聲屏蔽電纜、TC-4850爆破振動記錄儀和計算機(jī)組成，如圖4. 通過現(xiàn)場試波，得到隧道爆破最大振速為8 cm/s，每次爆破周期在1 s左

右. 為了保證有效采集到信號，避免干擾信號致使儀器誤觸發(fā)，將觸發(fā)電平值設(shè)為0.4 cm/s；為了保證監(jiān)測波形的完整性，將爆破振動儀周期設(shè)置為2 s；由于每次爆破觸發(fā)儀器記數(shù)之前的波形均不超過0.1 s，故延時設(shè)置為-100 ms. 同時，為了保證采集波形不失真，本次現(xiàn)場測試選用的采樣頻率為32 kHz.

測試前，配制水灰比為1.0∶3.5的石膏漿，將傳感器固定在測點上，并使傳感器x軸平行于爆破面，y軸指向爆破面方向，z軸垂直于水平面布設(shè).

圖4 爆破測振系統(tǒng)Fig.4 (Color online) The measurement system of blasting vibration

2.3 測試結(jié)果與分析

在第①部分爆破時，測得結(jié)果如表3. 由表3可知，位于隧道軸線正上方處的測點，z方向爆破振動速度最大為8.250cm/s，振動波形如圖5.

表3 測線1上測點爆破振動監(jiān)測結(jié)果

在第③部分爆破時，測得結(jié)果如表4. 由表4可知，測線2中隧道軸線正上方處的測點，z方向爆破振動速度最大為6.717cm/s，振動波形如圖6.

由于布設(shè)儀器范圍比較遠(yuǎn)，在測線1和2中距離爆破面80m的儀器均沒有采集到數(shù)據(jù)，即質(zhì)點振動速度在80m處小于0.400cm/s，沒有觸發(fā)爆破振動儀進(jìn)行記數(shù).

根據(jù)上述兩次的監(jiān)測結(jié)果可知：

1)根據(jù)表3和表4可知，在測線1和2上振動速度最大值均出現(xiàn)在隧道軸線正上方測點的z方向，分別為8.250和6.717cm/s.測線1在0、10、20、30、40和60m處，z方向振速明顯大于x方向和y方向，測線2在0、10、20、30和40m處，z方向的振速也比x方向和y方向大，表明本次隧道爆破過程中，既有道路路面的垂直振速大于徑向振速和切向振速.根據(jù)工程實際經(jīng)驗表明，在爆破振動時，垂直方向的縱波更容易造成路面的開裂，故在此類似工況下隧道爆破振動監(jiān)測中應(yīng)以監(jiān)測其垂直振速為主.

圖5 測線1通道z方向的爆破振動波形圖Fig.5 Blasting vibration wave along z direction

圖6 測線2通道z方向的爆破振動波形圖Fig.6 Blasting vibration wave along z direction

距爆源距離/m振速最大值(cm·s-1)xyz主頻/Hzxyz時間/msxyz05.7494.6716.71729.46644.81817.7582.9963.0482.297105.0744.2366.24525.64532.45719.3562.8242.9454.054202.2682.3492.67828.45735.54624.6843.0463.1264.264301.1691.3111.48727.46833.42129.6344.4675.5725.218400.5930.6370.80119.58122.15339.4515.7825.1786.523600.1930.4390.40329.85128.16944.3266.3907.2257.32880<0.400<0.400<0.400——————

2)由實測結(jié)果可知，隧道爆破產(chǎn)生的地震波主頻率最小值為10.855Hz，最大值為44.818Hz，其主頻率在10～50Hz的范圍內(nèi)變化. 根據(jù)已有研究成果[21]，一般建筑物的固有頻率都在10Hz以下，故既有道路不會與爆破振動波產(chǎn)生共振.

3)監(jiān)測結(jié)果顯示，距隧道拱頂軸線距離越遠(yuǎn)，各點的爆破振動速度越小，其中距離爆破掌子面80m處，最大振速小于0.4cm/s，對既有道路安全性基本上無影響. 根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)[22]中爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)爆破振動主頻率在10～50Hz時，一般民用建筑物的安全允許質(zhì)點振動速度為2.0～2.5cm/s. 本工程中考慮到G316的重要性，且該隧道下穿既有道路段圍巖條件差、埋深小、跨度大，為確保新建隧道和既有道路的安全，質(zhì)點峰值振動最大速度取下限值2.0cm/s. 以此標(biāo)準(zhǔn)，對照此次爆破檢測結(jié)果可知，本次爆破振動波對既有道路的影響范圍小于30m. 在影響范圍內(nèi)應(yīng)增加路面沉降觀測，若變形速率和累計變形量均未超過安全警戒值，可說明道路安全.

2.4 理論分析

根據(jù)薩道夫斯基公式，可求得爆破振動的影響范圍[23-25]. 薩道夫斯基計算公式為

其中，R為爆破振動安全允許距離；Q為炸藥質(zhì)量，齊發(fā)爆破時為炸藥總質(zhì)量，延時爆破時為單段炸藥最大質(zhì)量；V為保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點振動速度；K和α為與爆破點至計算保護(hù)對象間的地形條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可按規(guī)范選取，或通過現(xiàn)場試驗確定.

本工程中采用CRD法開挖時，第①和第③部分為上半部分，距離地表較近，受爆破振動影響較大，故只討論第①和第③部分爆破時的安全允許距離.

施工段圍巖級別為V級，且為軟巖較破碎故取規(guī)范下限K=350，α=2.0， 質(zhì)點振動速度根據(jù)前文實測值取2.0m/s，第①部分單段最大起爆藥質(zhì)量為8.75kg，第③部分單段最大起爆藥質(zhì)量為5.00kg. 由式(1)可得第①部分爆破振動影響范圍為27.21m，第③部分爆破振動影響范圍為22.61m. 與實測結(jié)果較為一致，說明安全距離取30m是安全可靠的.

3 結(jié) 論

根據(jù)寶漢高速某隧道下穿G316，制定了現(xiàn)場爆破振動試驗方案. 通過現(xiàn)場測試結(jié)果，提出了爆破施工對既有道路的影響范圍以及地表道路質(zhì)點振動安全允許速度. 研究認(rèn)為：

1)隧道施工的爆破振動波主頻率在10～50Hz時不會使周圍既有道路與其產(chǎn)生共振. 且垂直振速大于徑向振速和切向振速，而垂直振動對建筑物破壞尤為顯著，故在類似工況下爆破振動監(jiān)測應(yīng)該以監(jiān)測垂直振速為主.

2)新建隧道在下穿既有道路的爆破施工中須綜合考慮隧道埋深，斷面大小，圍巖類別及周邊環(huán)境等因素以確定質(zhì)點振動速度的安全允許值. 根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，工程重要性以及工程地質(zhì)情況，提出在本下穿隧道施工中地表道路質(zhì)點振動安全允許速度為2.0cm/s，可有效確保既有道路結(jié)構(gòu)和交通安全. 同時，綜合實測結(jié)果和理論分析值可以得出爆破施工對既有道路的影響范圍為30m.

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【中文責(zé)編：坪 梓；英文責(zé)編：之 聿】

2016-10-03；Accepted：2017-01-05

Professor Dang Faning．E-mail: dangfn@163.com

Influence scope of blasting vibration for construction of new tunnel undercrossing existing roads

Wang Rui1,2, Yuan Dongyang2, Dang Faning1, Lu Zelin2, Yang Zhanbo3, Yang Huan3, and Deng Xianghui2

1) School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi Province, P.R.China2) School of Civil and Architecture Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021, Shaanxi Province, P.R.China3) First Highway Engineering Bureau Co., Ltd., Beijing 100085, P.R.China

By taking the blasting construction of the Baohan highway project as an example, this paper focuses on the blasting vibration influence on the existing roads nearby by monitoring the blasting vibration velocity. The results show that existing roads nearby will not resonate with the blasting when the dominant frequency of blasting vibration is between 10-50 Hz during monitoring of tunnel blasting construction. Based on the in-situ monitoring results, the vertical vibration velocity should be principally monitored because it is higher than the radial and tangential vibration velocities and it is significantly destructive to the buildings. To ensure the safety of structures and transportation of existing roads, the blasting vibration velocities of key points are supposed to be less than 2.0 cm/s for existing roads of the shallow-buried tunnel underpass with large cross-section and soft surrounding rock. Furthermore, the monitoring data show that the influence scope of blasting vibration wave to existing roads is about 30 m, which is consistent with the theoretical calculation. These results provide references to the general tunnel construction.

highway tunnel; blasting construction; blasting vibration; vibration velocity; vibration frequency; existing roads

：Wang Rui, Yuan Dongyang, Dang Faning,et al．Influence scope of blasting vibration for construction of new tunnel undercrossing existing roads[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(3): 238-244.(in Chinese)

國家自然科學(xué)基金資助項目(51679199)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點實驗室資助項目(2014SZS15-Z01)；西安工業(yè)大學(xué)校長基金資助項目(XAGDXJJ16003)

王 睿(1981—)，男，西安工業(yè)大學(xué)講師、博士研究生．研究方向：巖土與隧道工程．E-mail:wangrui@xatu.edu.cn

U 451

A

10.3724/SP.J.1249.2017.03238

Foundation：National Natural Science Fundation of China (51679199); Key Laboratory Project of Shaanxi Science & Technology Co-ordination & Innovation Project (2014SZS15-Z01); Principal Foundation Program of Xi’an Technological University (XAGDXJJ16003)

引 文：王 睿，袁崠洋，黨發(fā)寧，等．新建隧道下穿既有道路爆破施工影響范圍[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2017，34(3)：238-244.