隧道開挖爆破對(duì)臨近既有建筑安全影響分析

李巖松，羅 利，楊根明，張立云，羅建勛

(中國五冶集團(tuán)有限公司，成都 610066)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)入了一個(gè)新的階段，由于我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市人口急速增長(zhǎng)，城市基礎(chǔ)設(shè)施的能源輸送能力、交通通行能力以及環(huán)境承受能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前城市需求，急需對(duì)城市市政設(shè)施進(jìn)行改建、擴(kuò)建。城市向外擴(kuò)張時(shí)不可避免的會(huì)受到老城區(qū)周邊河流、山區(qū)的影響，并且老城區(qū)周邊存在大量村莊、工廠。在工廠、居民樓周邊修建市政基礎(chǔ)設(shè)施，會(huì)對(duì)施工造成一定的影響，更會(huì)對(duì)周邊工廠、居民造成巨大的影響。其中市政公路隧道施工多采用鉆爆法施工，爆破振動(dòng)的影響和開挖引起地表沉降對(duì)周邊建筑、居民的影響不可忽視。因此，在隧道開挖施工時(shí)，如何在保證隧道施工安全和質(zhì)量的同時(shí)，保證周邊工廠正常生產(chǎn)、居民正常生活是城市隧道施工中一大難題。為保證隧道施工安全，減小施工對(duì)周邊生產(chǎn)、生活的影響，科研學(xué)者從不同角度對(duì)隧道爆破振動(dòng)如何影響臨近既有建筑進(jìn)行了研究。

陳慶等[1]以薩道夫斯基公式為基礎(chǔ)，考慮了高差對(duì)爆破振速的影響，修正了薩道夫斯基公式；向亮[2]將爆破振動(dòng)區(qū)域劃分為：爆破前沖影響區(qū)、爆破左右側(cè)向區(qū)、爆破空洞影響區(qū)，獲得了青島硬巖隧道各區(qū)域的地振波振動(dòng)衰減參數(shù)。曹楊等[3]采用減振孔、延時(shí)爆破等手段，確保爆破振動(dòng)速度在穿越老舊建筑物時(shí)處于安全范圍以內(nèi)。孫崔源等[4]發(fā)現(xiàn)普通雷管爆破振動(dòng)大，電子雷管控制精確，最大振速可降低43.78%。王海龍等[5]學(xué)者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振速后，采用經(jīng)驗(yàn)公式得到相關(guān)爆破參數(shù)，提出了優(yōu)化的三段式爆破施工方案。張超[6]采用數(shù)值模擬軟件建立了三維爆破振動(dòng)模型，分析了21種裝藥結(jié)構(gòu)下臨近既有隧道結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)變化規(guī)律。蘇宇[7]通過分析青島地鐵現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合FLAC3D軟件，研究了爆破施工對(duì)地表及臨近建筑的影響。此外還有大量學(xué)者[8-18]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等一系列方法、方式對(duì)爆破控制進(jìn)行研究，力爭(zhēng)將爆破造成的影響降到最低。

以上的爆破控制研究對(duì)于隧道爆破振動(dòng)控制，減小既有建筑振動(dòng)有著重要意義，但是隧道穿越的圍巖類別差異大，變化多，在不同的圍巖、地質(zhì)條件下，爆破控制方法和參數(shù)也會(huì)有所不同，還需要對(duì)隧道爆破開挖控制進(jìn)行更深入、精細(xì)研究。綜上所述，應(yīng)用Matlab計(jì)算軟件回歸分析，得到了不同方向上的爆破振動(dòng)參數(shù)，重點(diǎn)對(duì)考慮圍巖產(chǎn)狀等地質(zhì)條件下的隧道開挖爆破對(duì)臨近既有建筑的安全進(jìn)行研究。

1 工程概況

省道205老龍山隧道左線里程ZK41+340～ZK42+545，全長(zhǎng)1 205m；隧道右線里程YK41+350～YK42+555，全長(zhǎng)1 205m。

隧道橫穿老龍山脈，地形中部高且較平坦，兩端低，北西段為順向坡，地形坡度5°～15°，南東段為逆向坡，地形坡度一般7°～19°，局部見陡崖，軸線最高點(diǎn)標(biāo)高580.23 m，最低點(diǎn)(出口方向)標(biāo)高532.87 m，相對(duì)高差47.36 m。設(shè)計(jì)洞底標(biāo)高477.13～504.61 m，隧道埋深29.4～89.4 m。

隧道圍巖為侏羅系上統(tǒng)七曲寺組(J3q)，巖性以泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖為主(見表1)，夾砂巖，中厚層狀，產(chǎn)狀與隧道軸線近于垂直，傾向南西，傾角 4°，除兩端進(jìn)出口部分為強(qiáng)風(fēng)化外，其余部分為中～微風(fēng)化，屬極軟巖～軟巖，巖體完整，圍巖級(jí)別以Ⅴ級(jí)為主，中部為Ⅳ級(jí)，地面調(diào)查未發(fā)現(xiàn)有斷裂構(gòu)造通過。

表1 地層參數(shù)

老龍山隧道附近居民構(gòu)筑物較多，環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜，隧道進(jìn)口附近58 m處有民房，400 m外有村莊，洞身山頂有居民房，700 m之外是中國工程物理研究院(以下簡(jiǎn)稱九院)所在，并且九院內(nèi)多為高精度儀器設(shè)備，對(duì)于振動(dòng)控制有著極高的要求。雖然九院距離爆破點(diǎn)較遠(yuǎn)，但是必須引起高度重視，做到萬無一失，嚴(yán)格控制爆破振速，爆破振動(dòng)速度要求不得超過《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[19]。

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

為了嚴(yán)格滿足爆破振速要求，防止九院精密儀器發(fā)生損壞，必須嚴(yán)格控制爆破參數(shù)：采用淺孔毫秒延時(shí)光面爆破掘進(jìn)法，盡量減少裝藥量，控制爆破振動(dòng)。

在2017年12月13日～2018年1月3日一共進(jìn)行了4次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，爆破采用單段最大裝藥量23.75 kg，沿隧道軸線及周邊居民構(gòu)筑物共布置19個(gè)測(cè)點(diǎn)(見圖1)。

圖1 測(cè)點(diǎn)與隧道(爆源)位置關(guān)系

爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三向速度傳感器、爆破振動(dòng)記錄儀和計(jì)算機(jī)組成(見圖2)。采用泰測(cè)Blast-NET爆破振動(dòng)記錄儀記錄振動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)自身多功能數(shù)據(jù)接口與計(jì)算機(jī)相接，通過專業(yè)軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出。

圖2 爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4次爆破監(jiān)測(cè)一共獲得48組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，部分現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)波形如圖3所示。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 洞口測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)波形

由圖3可知，洞口監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)最大值出現(xiàn)在徑向方向，最大值為28.937 cm/s，對(duì)應(yīng)的主頻率為32 Hz。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014可知，洞口處振動(dòng)速度已超過安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。爆破時(shí)，洞口監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近嚴(yán)禁逗留，與爆破無關(guān)的設(shè)備、人員需撤離至安全距離。

由表2可知，淺孔毫秒延時(shí)光面爆破掘進(jìn)法對(duì)爆破振動(dòng)控制作用大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)10和監(jiān)測(cè)點(diǎn)11同時(shí)對(duì)九院地表振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在同一次爆破監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)10和監(jiān)測(cè)點(diǎn)11的爆破振動(dòng)速度均小于0.005 cm/s，在最大振動(dòng)頻率為43 Hz時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)10和監(jiān)測(cè)點(diǎn)11的爆破振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)[19]所規(guī)定的最小安全允許標(biāo)準(zhǔn)的十分之一。爆破振動(dòng)速度符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 爆破振動(dòng)特性分析

為了研究爆破對(duì)附近構(gòu)筑物產(chǎn)生的影響，根據(jù)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)爆破地震波傳播衰減監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了3次回歸分析：第1次是沿著隧道軸線，以接近于垂直圍巖產(chǎn)狀方向的25組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(見表3)；第2次是對(duì)隧道軸線兩側(cè)不垂直于圍巖產(chǎn)狀方向的17組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(見表3)；第3次回歸分析以采集到的全部48組數(shù)據(jù)為樣本進(jìn)行回歸分析。通過回歸分析結(jié)果，研究隧道爆破開挖時(shí)圍巖產(chǎn)狀等因素對(duì)臨近既有建筑的影響。

表3 回歸分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)回歸分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[19]規(guī)定，在計(jì)算爆破振動(dòng)傳播和衰減規(guī)律時(shí)一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件與有關(guān)系數(shù)和衰減指數(shù)；Q為最大段裝藥量，取Q=23.75 kg；R為爆破點(diǎn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離。

根據(jù)線性回歸原理，采用最小二乘法，將上一節(jié)所得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果在Matlab計(jì)算軟件中進(jìn)行回歸分析計(jì)算，第1次回歸分析得到K1=58.585 0和α1=1.518 5;第2次回歸分析得到K2=31.952 4和α2= 1.440 7；第3次回歸分析得到K3=58.246 9和α3= 1.551 3。

對(duì)于回歸分析分別得出的K、α值，為保證其相關(guān)性滿足精度要求，采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[20]。將第1次回歸分析所得結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到|F|=0.856 5>C0.001=0.597，相關(guān)性顯著；將第2次回歸分析所得結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到|F|=0.881 8>C0.001=0.693，相關(guān)性顯著；將第3次回歸分析所得結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到|F|=0.886 5>C0.001=0.451，相關(guān)性顯著。K、α系數(shù)滿足精度要求，符合實(shí)際情況。

3次回歸分析得到的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式分別為

(2)

(3)

(4)

將3次回歸分析所得K、α系數(shù)分別與爆破安全規(guī)程[19]中相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考值進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果所計(jì)算出的系數(shù)取值與文獻(xiàn)中所提供的參考值有偏差，爆破安全規(guī)程[19]所提供的參考值可作為初期爆破設(shè)計(jì)的參考，但是僅依靠經(jīng)驗(yàn)參考值控制開挖爆破將會(huì)存在較大誤差?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)因地制宜，通過勘察實(shí)際地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)等方法確定實(shí)際爆破參數(shù)取值，并根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)條件的變化及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。

3.2 地層產(chǎn)狀對(duì)地表振動(dòng)影響分析

根據(jù)回歸分析得出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸曲線式2、式3和式4繪制沿隧道軸線、隧道兩側(cè)爆破振速與距離關(guān)系曲線(見圖4)。

圖4 地層產(chǎn)狀對(duì)爆破振速的影響

從圖4可以看出，沿隧道軸線的爆破振速要明顯大于沿隧道軸線兩側(cè)不垂直于圍巖產(chǎn)狀方向的爆破振速。距離爆破振動(dòng)點(diǎn)越近，沿巖層垂直方向的爆破振速比沿隧道軸線兩側(cè)不垂直于圍巖產(chǎn)狀方向的爆破振速大，最大提高了45.13%。距離爆破振動(dòng)點(diǎn)越遠(yuǎn)爆破振動(dòng)速度在不同方向上均逐漸減小，并且不同方向上的爆破振動(dòng)速度幾乎相等，這可能是由于距離越遠(yuǎn)，地質(zhì)條件越復(fù)雜，相應(yīng)的地層走向在距離較近處較好區(qū)分走向、節(jié)理裂隙，而距離較遠(yuǎn)時(shí)，地層接近于均質(zhì)地層，所以巖層走向等地質(zhì)條件對(duì)爆破振動(dòng)速度影響沒有距離較近時(shí)明顯。

靠近振源時(shí)，不考慮地層走向、產(chǎn)狀的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的爆破振速結(jié)果約為0.55 cm/s與考慮地層產(chǎn)狀為垂直方向的爆破振速計(jì)算結(jié)果0.61 cm/s較為相近。兩者的爆破振速總體遠(yuǎn)高于沿地層產(chǎn)狀平行方向時(shí)0.42 cm/s的爆破振速。分析表明，薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)沿地層產(chǎn)狀平行時(shí)爆破振速的計(jì)算結(jié)果偏于保守，若對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較熟悉時(shí)可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地層產(chǎn)狀對(duì)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)折減。

4 結(jié)論

1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)10和監(jiān)測(cè)點(diǎn)11同時(shí)對(duì)九院地表振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，監(jiān)測(cè)值均小于0.005 cm/s，遠(yuǎn)小于最小安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

2)距離爆破振動(dòng)點(diǎn)越近，爆破振動(dòng)速度與地層產(chǎn)狀關(guān)系越密切，距離爆破振動(dòng)點(diǎn)越遠(yuǎn)，地層產(chǎn)狀影響越小。

3)沿地層產(chǎn)狀垂直方向傳播時(shí)比沿地層產(chǎn)狀平行方向傳播時(shí)爆破振動(dòng)速度大，最大提高了45.13%。

4)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于沿地層產(chǎn)狀平行時(shí)的計(jì)算結(jié)果偏于保守，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較熟悉時(shí)可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地層產(chǎn)狀對(duì)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行適當(dāng)折減。

5)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)K、α系數(shù)與《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014有一定差距，為了更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，K、α系數(shù)應(yīng)盡可能采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。