鉆爆法原位擴(kuò)建隧道的振動(dòng)監(jiān)測分析

毛祚財(cái)

(福州市城鄉(xiāng)建總集團(tuán)有限公司，福州 350003)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為滿足日益增長的市政交通需求，城市中采用鉆爆法修建各類隧道或地下工程的實(shí)例已屢見不鮮。但城市環(huán)境中各類建(構(gòu))筑物、市政基礎(chǔ)設(shè)施密布，采用實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測、優(yōu)化控制爆破等技術(shù)，減輕爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，顯得尤為重要。

許多學(xué)者基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)各類建(構(gòu))筑物(尤其是臨近交通隧道)的影響展開細(xì)致研究。管曉明等[1]對(duì)小凈距下穿既有供水管線的公路隧道施工進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，提出了復(fù)雜條件下隧道超小凈距穿越供水管線的綜合減振爆破技術(shù)。王棟等[2]采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了地鐵區(qū)間隧道鉆爆施工對(duì)鄰近燃?xì)狻㈦娏Φ嚷竦毓艿赖挠绊懀⒘朔从潮频卣鸩▊鞑ヒ?guī)律的薩道夫預(yù)測公式。曹楊等[3]通過對(duì)下穿老舊建筑物的地鐵隧道鉆爆法施工展開實(shí)時(shí)監(jiān)測，從布置減振孔、裝藥結(jié)構(gòu)、延時(shí)時(shí)間3個(gè)方面提出了爆破減振技術(shù)，確保了施工安全。曹峰等[4]通過對(duì)隧道分岔段的爆破振動(dòng)監(jiān)測，得到在連拱段隧道后行洞爆破中隔墻徑向、切向和軸向振速的衰減規(guī)律，建立了估算三向振速的經(jīng)驗(yàn)公式。趙春生[5]在掌子面后方100 m位置對(duì)上跨既有隧道的新建隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，運(yùn)用薩道夫公式分析峰值振速，并推算其允許單段最大藥量。蔣麗麗等[6]對(duì)大跨度小凈距隧道擴(kuò)建中的中間巖柱在爆破作用下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)不同部位振速的差異隨圍巖等級(jí)提高而逐漸減小，且拱腰及拱肩大于拱腳部位。Wu等[7]建立了3個(gè)約束條件的模擬方法，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明混合使用電子雷管和非電子雷管，可以有效降低爆破產(chǎn)生的振動(dòng)。Ismail等[8]利用3種人工智能模型，通過輸入現(xiàn)場測量和實(shí)驗(yàn)室獲得的參數(shù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬得到的空氣超壓進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表其模擬結(jié)果具有相當(dāng)?shù)木取?/p>

相較于新建隧道，原位擴(kuò)建隧道因其節(jié)約建設(shè)用地、展線平順等優(yōu)勢(shì)，在市政交通建設(shè)中漸受青睞。通常情況下，原位擴(kuò)建隧道一側(cè)施工時(shí)，其鄰洞仍保持交通不中斷，這對(duì)鄰洞隧道襯砌的振動(dòng)控制與監(jiān)測預(yù)警提出了嚴(yán)格要求。本文依托福州市馬尾隧道原位擴(kuò)建工程，在其北洞原位擴(kuò)挖過程中，對(duì)其南洞襯砌上的爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為其施工安全提供預(yù)警和保障；同時(shí)通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，探討隧道原位擴(kuò)建過程中爆破振動(dòng)的傳播特點(diǎn)，以期為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

既有馬尾隧道位于福州市福馬路東端，貫穿馬限山，始建于1987年，為整體式襯砌結(jié)構(gòu)；由兩座單洞兩車道機(jī)動(dòng)車隧道組成，分離式布置，其南洞和北洞分別長968.6 m和936.4 m。

隧址位于閩東火山斷坳帶中段的福州斷陷盆地東南側(cè)邊緣和北東向長樂-南澳深斷裂之間，北東向長樂-南澳深斷裂西北邊緣的斷裂變質(zhì)帶之中，出露的巖性為強(qiáng)動(dòng)力變質(zhì)的侏羅系南園組第二段，穿越地層以素填土、殘積黏性土、全風(fēng)化～微風(fēng)化凝灰?guī)r為主，未見大型斷層和破碎帶。

囿于當(dāng)年建設(shè)的技術(shù)水平和長年的超負(fù)荷運(yùn)營，隧道建成30年后已出現(xiàn)許多不同程度的病害，主要有拱頂實(shí)際襯砌厚度普遍不足、拱背存在不密實(shí)或脫空狀態(tài)及出現(xiàn)襯砌滲漏水等。同時(shí)，市政交通的迅猛發(fā)展也迫切要求對(duì)該隧道進(jìn)行改建升級(jí)。因此將其由雙向4車道原位擴(kuò)寬為雙向8車道，擴(kuò)寬前后隧道位置關(guān)系及兩洞相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示(以NK18+200斷面為例)。

圖1 原位擴(kuò)建隧道的相對(duì)位置關(guān)系(NK18+200斷面)Fig.1 Relative position of in-situ expansion tunnel (NK18+200 section)

2 施工方案

馬尾隧道原位擴(kuò)建采用鉆爆法施工，北洞先行開工，在此期間南洞改為雙向兩車道保持市政交通不中斷。北洞鉆爆法原位擴(kuò)挖方案(以II級(jí)圍巖NK18+100～NK18+300為例)的大致步驟為：①完成既有隧道回填及施工輔助措施；②拆除上臺(tái)階既有隧道襯砌；③爆破開挖上臺(tái)階圍巖，施工上臺(tái)階初支；④挖除回填土并拆除下臺(tái)階既有隧道襯砌；⑤爆破開挖下臺(tái)階圍巖，施工下臺(tái)階初支；⑥爆破開挖右拱腳部分，施工右拱腳部分初支；⑦全斷面鋪設(shè)防水層，施做二襯(見圖2)。

注：①～⑥為施工步驟，數(shù)字1～15為雷管段別。圖2 原位擴(kuò)挖方案及炮孔布置(II級(jí)圍巖)Fig.2 The excavation scheme and blasthole layout of in-situ expansion tunnel (ground classification of Grade II)

各段位之間設(shè)置延時(shí)起爆，使前排炮孔有足夠時(shí)間為后排炮孔創(chuàng)造臨空面。輔助孔間距約70～80 cm，周邊孔間距約50 cm，各段位炮孔具體參數(shù)如表1所示(以標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)尺2 m為例)。需要說明的是，即使圍巖條件相同情況下，南側(cè)通行洞病害情況差異較大，病害嚴(yán)重區(qū)段對(duì)爆破振動(dòng)的控制要求更為嚴(yán)格，反之則可相應(yīng)加大進(jìn)尺以縮短工期，實(shí)際爆破將根據(jù)工程條件，靈活調(diào)整進(jìn)尺量，主要可分為3、2、1 m進(jìn)尺，同時(shí)裝藥量及炮孔深度也相應(yīng)地放大或縮小。

表1 炮孔布置參數(shù)(2 m進(jìn)尺)

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測

在北洞鉆爆法施工期間，為保證南洞車輛通行安全，項(xiàng)目組對(duì)其襯砌和路面的振動(dòng)效應(yīng)展開跟蹤監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖3所示。測試儀器采用泰測科技的Mini-BlastⅠ型爆破測振儀。其量程0.001～35 cm/s，采樣頻率1 000 Hz，具有自適應(yīng)模式，監(jiān)測到振動(dòng)時(shí)儀器開始記錄，振動(dòng)停止則采集自動(dòng)停止。

圖3 爆破振動(dòng)測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of monitoring points for blasting vibration

爆破區(qū)域與測點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示，在爆破掌子面同一里程斷面上，分別布設(shè)迎爆側(cè)襯砌拱腳、路面中央及背爆側(cè)拱腳等3個(gè)測點(diǎn)。為直觀描述爆破點(diǎn)與測點(diǎn)的位置關(guān)系，將測點(diǎn)與爆破區(qū)域幾何中心(圖中A點(diǎn)和B點(diǎn))的距離定義為爆心距R。以A-1測線為例，其爆心距RA-1=31.06 m，該測線跨越一個(gè)空洞，其空洞長度6.39 m；B-3測線的爆心距RB-3=42.48 m，該測線跨越兩個(gè)空洞，其空洞長度17.75 m。

圖4 爆破區(qū)域與測點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系Fig.4 Relative position between blasting area and monitoring point

4 爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 監(jiān)測壓力時(shí)程曲線

以里程N(yùn)K18+104處上臺(tái)階爆破為例，其測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的振速時(shí)程曲線如圖5和圖6所示。x方向與z方向上的振速較大，y方向上振速較小，即爆破施工對(duì)鄰洞襯砌的振動(dòng)效應(yīng)主要體現(xiàn)在水平向和垂直向上。另外，振速時(shí)程曲線呈現(xiàn)出多峰值形態(tài)，各峰值出現(xiàn)時(shí)間與爆破方案中的炮孔段位基本吻合，但峰值振速普遍出現(xiàn)在前段(MS1或MS3段)而不是最大藥量段(MS11段)。

圖5 NK18+104斷面1號(hào)測點(diǎn)振速時(shí)程Fig.5 Velocity time history of No.1 monitoring point in NK18+104 section

圖6 NK18+104斷面3號(hào)測點(diǎn)振速時(shí)程Fig.6 Velocity time history of No.3 monitoring point in NK18+104 section

由于路面中央2號(hào)測點(diǎn)的實(shí)測振速遠(yuǎn)小于1號(hào)、3號(hào)測點(diǎn)，故本文主要針對(duì)1號(hào)、3號(hào)測點(diǎn)數(shù)據(jù)展開詳細(xì)分析。在實(shí)測的136條振速時(shí)程曲線中拾取其峰值振速(見表2)。

表2 峰值爆破振速

根據(jù)福州市相關(guān)部門確定的安全標(biāo)準(zhǔn)，南洞(通行洞)襯砌上的爆破振動(dòng)速度限值為5 cm/s，此次Ⅱ級(jí)圍巖段的監(jiān)測峰值振速全部符合安全標(biāo)準(zhǔn)[9]。

4.2 振速峰值的經(jīng)驗(yàn)公式擬合

由于圍巖具有較大的變異性，即使相同條件下(最大單段藥量、爆心距、圍巖等級(jí))，各里程斷面上所測的峰值振速仍有較大差異。為綜合描述Ⅱ級(jí)圍巖的爆破振動(dòng)傳播特征，對(duì)相同最大單段藥量、相同爆心距的峰值振速取其均值，歸納為12種工況(見表3)。

表3 爆破振速平均值

《爆破安全規(guī)程》[9]中推薦以薩道夫斯基公式為基礎(chǔ)，對(duì)最大爆破振速進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式擬合，其基本形式如式(1)所示。

(1)

式中：K和α為地形地質(zhì)相關(guān)系數(shù)和衰減指數(shù)，它們與圍巖地質(zhì)條件有關(guān)，一般通過現(xiàn)場爆破振速測試數(shù)據(jù)擬合得到。

使用origin軟件對(duì)單空洞測線的監(jiān)測數(shù)據(jù)(工況1～6)進(jìn)行擬合，得到其K=108.1，α=1.476(見式2)。對(duì)雙空洞測線的監(jiān)測數(shù)據(jù)(工況7～12)進(jìn)行擬合，得到其K=177.2，α=1.836(見式3)。

(2)

(3)

采用決定系數(shù)R2(Coefficient of Determination)來評(píng)價(jià)擬合公式的優(yōu)度。

(4)

式中：TSS為總均差平方和，由回歸平方和SSreg(取決于回歸模型)與殘差平方和RSS兩部分組成(見式5)。SSreg與TSS的比值(即決定系數(shù)R2)可以作為擬合優(yōu)度的一種度量，該值越接近1，說明擬合優(yōu)度越好。式2和式3中，單空洞和雙空洞測線擬合的決定系數(shù)分別為0.871和0.782，其擬合優(yōu)度較好。

(5)

4.3 擬合結(jié)果討論

Ⅱ級(jí)圍巖屬堅(jiān)硬圍巖，依《爆破安全規(guī)程》[9]，在振動(dòng)連續(xù)傳播時(shí)，地形地質(zhì)相關(guān)系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)取值約為50～150，衰減指數(shù)α的經(jīng)驗(yàn)取值約為1.3～1.5。但在既有空洞阻斷爆轟波連續(xù)傳播的條件下，從上述監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果來看，單空洞情況下，K值仍位于堅(jiān)硬圍巖的推薦范圍內(nèi)，但α已接近中硬圍巖區(qū)間。雙空洞情況下，K值已落入中硬圍巖的推薦取值范圍(150～250)，而α更是落入軟巖的推薦取值范圍(1.8～2.0)。上述結(jié)果印證了既有空洞對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物具有較好的減振作用，并且當(dāng)經(jīng)過空洞數(shù)量增多時(shí)，爆破振動(dòng)的傳播衰減進(jìn)一步加劇。

與同位于福州市區(qū)的金雞山隧道原位擴(kuò)建工程相比較[10]，其Ⅳ級(jí)圍巖段的薩道夫擬合參數(shù)為K=106.8，α=1.594。但金雞山隧道的既有空洞位于測線相反側(cè)，并不阻擋爆破振動(dòng)波的連續(xù)傳播，其振動(dòng)衰減效應(yīng)遠(yuǎn)不如馬尾隧道；其Ⅳ級(jí)圍巖段擬合所得衰減指數(shù)僅略大于馬尾隧道單空洞情況，而遠(yuǎn)小于雙空洞情況。因此，既有空洞是否阻斷振動(dòng)波的連續(xù)傳播對(duì)其衰減程度有很大影響，本文擬合所得公式可應(yīng)用于存在阻斷連續(xù)傳播空洞條件下的爆破振速估算。

同時(shí)，由監(jiān)測振速峰值數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過既有空洞衰減后，振速峰值最大值僅為3.1 cm/s，距5 cm/s的安全限值還有較大余量，施工中的靈活進(jìn)尺仍稍顯保守。建議后續(xù)南洞擴(kuò)挖及類似擴(kuò)建工程，可以充分發(fā)揮既有空洞的減振效應(yīng)，適當(dāng)加大進(jìn)尺、縮短工期、提高施工效率。

5 結(jié)論

1)既有空洞是否阻斷振動(dòng)波的連續(xù)傳播對(duì)其衰減程度有很大影響，且隨空洞數(shù)量增多其衰減程度更為顯著，這有利于減輕臨近結(jié)構(gòu)物的爆破振動(dòng)效應(yīng)。

2)Ⅱ級(jí)圍巖段，單空洞情況下其衰減指數(shù)α為1.476，接近硬巖的上限，而雙空洞情況下其衰減指數(shù)α達(dá)到1.836，已落入軟巖的推薦取值范圍。本文擬合所得公式可應(yīng)用于阻斷連續(xù)傳播空洞條件下的爆破振速估算。