隧道爆破對(duì)臨近高壓輸電鐵塔的振動(dòng)影響分析*

伍 岳，賈永勝，黃小武，劉昌邦，周祥磊，徐華建,劉 芳

(1.江漢大學(xué) 省部共建精細(xì)爆破國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430056；2.武漢爆破有限公司，武漢 430056；3.中鋼集團(tuán) 武漢安全環(huán)保研究院有限公司，武漢 430081)

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的隧道工程越來越多，隧道掘進(jìn)爆破往往會(huì)影響民房、滑坡、燃?xì)夤艿?、高壓輸電鐵塔等振動(dòng)敏感保護(hù)性目標(biāo)。當(dāng)隧道下穿或鄰近高壓輸電鐵塔時(shí)，爆破振動(dòng)會(huì)造成地表的高壓輸電鐵塔塔基下沉或傾斜的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)?dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，給安全生產(chǎn)和正常生活帶來重大威脅。為此，隧道爆破掘進(jìn)作業(yè)必須重點(diǎn)考慮爆炸振動(dòng)對(duì)臨近高壓輸電鐵塔的影響?！侗瓢踩?guī)程》(GB6722—2014)[1]規(guī)定了工業(yè)和商業(yè)建(構(gòu))筑物的安全允許質(zhì)點(diǎn)振速的范圍為3.5～4.5 cm/s，但沒有明確指定電力設(shè)施。我國《電力設(shè)施保護(hù)條例》及各省市關(guān)于電力設(shè)施保護(hù)條例，如表1所示。

表 1 電力設(shè)施保護(hù)條例關(guān)于爆破作業(yè)的規(guī)定

由此可見，關(guān)于高壓輸電鐵塔的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，尚沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范予以準(zhǔn)確描述。我國大多數(shù)省份的電力設(shè)施保護(hù)條例要求電力設(shè)施周圍500 m區(qū)域內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)，必須經(jīng)縣級(jí)以上人民政府電力行政主管部門批準(zhǔn)，并采取安全防護(hù)措施；個(gè)別省份對(duì)電力設(shè)施周邊的爆破作業(yè)要求更加嚴(yán)格。這些法規(guī)條例很大程度上限制了爆破技術(shù)的應(yīng)用范圍，也增加了爆破作業(yè)行政審批的難度。

針對(duì)工程爆破對(duì)周邊高壓輸電鐵塔等建(構(gòu))筑物的影響問題。一方面，有關(guān)學(xué)者以鐵塔為研究對(duì)象，分析了其在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征，并評(píng)估其安全穩(wěn)定狀態(tài)。張鵬研究發(fā)現(xiàn)在爆心距為50～60 m時(shí)[2]，隧道的爆破振動(dòng)已經(jīng)對(duì)鐵塔影響很小，建議采用50 m作為分界線來調(diào)整爆破方案。肖欣欣等利用FLAC3D軟件對(duì)隧道附近高壓輸電鐵塔受到爆破振動(dòng)影響情況進(jìn)行數(shù)值分析[3]，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出振速與測點(diǎn)距隧道開挖中線的距離呈負(fù)相關(guān)。樊浩博[4]、曲勰等采用數(shù)值模擬和有限元分析[5]，研究了隧道掘進(jìn)爆破對(duì)臨近高壓鐵塔的振動(dòng)影響，為實(shí)際工程安全施工提供了理論依據(jù)。另一方面，更多學(xué)者從隧道爆破技術(shù)出發(fā)，通過爆破振動(dòng)監(jiān)測優(yōu)化爆破參數(shù)和爆破網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降振[6,7]。K Iwano等研究了電子雷管延期時(shí)間對(duì)隧道爆破振動(dòng)波疊加效應(yīng)的影響[8]，確定最佳的爆破網(wǎng)絡(luò)延期間隔時(shí)間，降低了地表爆破振動(dòng)效應(yīng)。Xiaoxu Tian等對(duì)某隧道爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜、小波包分析[9]，研究不同區(qū)域振動(dòng)頻率和能量的變化特征，并提出爆破減振方案，將隧道周邊建筑物的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制在1.12 cm/s以內(nèi)。

如何實(shí)現(xiàn)基于臨近高壓鐵塔安全保護(hù)的隧道爆破振動(dòng)主動(dòng)控制，以及研究鐵塔在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，對(duì)豐富爆破工程理論和擴(kuò)大爆破工程應(yīng)用范圍具有重要意義。本文結(jié)合某下穿高壓鐵塔高速公路隧道爆破工程，通過合理的爆破設(shè)計(jì)，進(jìn)行現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，探討了臨近高壓輸電鐵塔在隧道鉆爆開挖施工中的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，并提出了降低爆破振動(dòng)的措施，確保了高壓鐵塔的安全運(yùn)營，可為類似隧道工程提供參考。

1 工程概況

重慶市某高速公路工程，設(shè)計(jì)行車速度80 km/h，分離式、小凈距隧道段采用單心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，拱部采用R=555 cm單心圓，邊墻采用R=850 cm圓弧，仰拱采用R=1500 cm圓弧，仰拱與邊墻間采用R=120 cm小半徑圓弧連接，總高8.65 m，內(nèi)輪廓開挖斷面寬度11.84 m，開挖斷面面積約101 m2。該工程二標(biāo)段中的黃石隧道單線長度2505 m，隧道縱坡為下坡，縱坡坡度為-1.07%，平面呈弧線形展線，最大埋深約279 m。

黃石隧道右線出口左側(cè)斜坡面上，距洞口180 m左右、距離隧道中線約51 m處有一座220 kV高壓線鐵塔，塔高40 m。鐵塔基礎(chǔ)為混凝土基礎(chǔ)，與隧道拱頂垂直凈距為78 m，隧道開挖邊線距塔基最小水平距離約45 m。鐵塔地面高程為118.8 m，隧道地面高程為40.8 m，兩者直線距離最小值約90 m。隧道線位與高壓線鐵塔相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

1.1 地質(zhì)巖性

黃石隧道沿線區(qū)域Ⅳ級(jí)圍巖占比約90%，以粉砂質(zhì)泥巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎多呈碎石狀碎裂結(jié)構(gòu)，完整性系數(shù)為0.63～0.64；巖體富水性弱，圍巖的穩(wěn)定性相對(duì)較好。其余Ⅴ級(jí)圍巖段以粉質(zhì)粘土及粉砂質(zhì)泥巖為主，巖土體富水性弱；泥巖呈碎塊狀松散結(jié)構(gòu)，受風(fēng)化作用影響相對(duì)較重，裂隙較發(fā)育，故穩(wěn)定性差。隧道出口鐵塔下方隧道洞身段主要為Ⅳ級(jí)圍巖，巖體較完整。

圖 1 高壓鐵塔位置示意圖(單位：m)Fig. 1 Diagram of high-voltage tower position(unit:m)

1.2 隧道爆破設(shè)計(jì)

黃石隧道左右線均從隧道出口同向掘進(jìn)，先開挖左線隧道，再開挖右線隧道，以減小對(duì)鐵塔的振動(dòng)影響。由于隧道洞口上方有鄉(xiāng)村水泥公路，對(duì)洞口以機(jī)械開挖掘進(jìn)20 m范圍后，遇堅(jiān)硬巖石段，輔以三臺(tái)階法松動(dòng)爆破掘進(jìn)，循環(huán)進(jìn)尺設(shè)置為2.0 m。掘進(jìn)至50 m深度后的Ⅳ級(jí)圍巖段，改用上下臺(tái)階法爆破掘進(jìn)，循環(huán)進(jìn)尺設(shè)置為3.0 m。

1.2.1 炮孔布置

隧道掘進(jìn)爆破炮孔直徑為40 mm，周邊眼鉆孔垂直深度3.3 m，上下臺(tái)階法炮孔布置如圖2所示。掏槽孔采用單式楔形掏槽，布置在上臺(tái)階掌子面中央及偏下的位置，共設(shè)置12個(gè)掏槽眼，掏槽孔深度4.8 m。周邊孔孔口距離開挖邊界線10 cm，鉆孔時(shí)略向外傾斜，孔底在同一平面處；輔助孔從掏槽孔向四周均勻布置。

圖 2 炮孔布置圖(單位：cm)Fig. 2 The hole layout diagram(unit:cm)

1.2.2 裝藥形式

藥卷采用直徑為32 mm的乳化炸藥，掏槽孔、輔助孔采用連續(xù)裝藥，周邊孔采用不連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)形式，孔內(nèi)采用反向起爆方式。

1.2.3 起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)延時(shí)毫秒微差非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，孔外采用瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管點(diǎn)火起爆。孔內(nèi)采用MS1～MS15毫秒雷管起爆，跳段使用。起爆網(wǎng)路如圖2所示。

隧道Ⅳ級(jí)圍巖斷面上下臺(tái)階爆破參數(shù)如表2所示。上臺(tái)階合計(jì)91個(gè)炮孔，總裝藥量144 kg，炸藥單耗約0.8 kg/m3。下臺(tái)階采用左右錯(cuò)進(jìn)方式爆破掘進(jìn)，單次爆破實(shí)際總裝藥量減半。

表 2 Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法開挖爆破參數(shù)表

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測與分析

2.1 測點(diǎn)布置

為了保障地表高壓輸電鐵塔的安全，在每次進(jìn)行右線隧道上臺(tái)階掌子面爆破作業(yè)時(shí)，對(duì)鐵塔進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測。在鐵塔塔基上表面布置1個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，現(xiàn)場監(jiān)測示意圖如圖3所示。監(jiān)測儀器為加拿大Instantel公司生產(chǎn)的Micromate便攜式爆破振動(dòng)監(jiān)測儀，采集精度高，可滿足本工程監(jiān)測需求。

圖 3 鐵塔基礎(chǔ)監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig. 3 Layout diagram of monitoring points for tower foundation

2.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

為了保證采集到的振動(dòng)信號(hào)的有效性和振動(dòng)波形的完整性，設(shè)置的觸發(fā)電平為0.5 mm/s，采樣頻率4096 sps，監(jiān)測周期3 s，延時(shí)設(shè)置為-0.5 s。在隧道右洞上臺(tái)階爆破開挖掌子面達(dá)到離高壓鐵塔直線距離最近的位置前，總共進(jìn)行了25次振動(dòng)監(jiān)測，去除2組誤差較大的數(shù)據(jù)，余下的23組振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表 3 上臺(tái)階爆破鐵塔測點(diǎn)振動(dòng)速度及主頻

采集得到的振動(dòng)主頻f共69個(gè)數(shù)據(jù)，分布情況見表4?？梢?，該隧道右線爆破作業(yè)時(shí)上部高壓鐵塔塔基的振動(dòng)主頻f主要分布在10～50 Hz范圍內(nèi)；同時(shí)，各組數(shù)據(jù)不同方向的振動(dòng)主頻存在一定的差異，總體上豎直方向的振動(dòng)主頻大于水平方向的振動(dòng)主頻，豎向振動(dòng)主頻在26.5～73.1 Hz之間；各方向振動(dòng)主頻與爆心距沒有明顯的線性關(guān)系，這主要與不同圍巖段巖性、結(jié)構(gòu)面裂隙等因素有關(guān)。

表 4 振動(dòng)主頻分布情況

分析表2中最大單響藥量25.2 kg工況下各組振速峰值數(shù)據(jù)，結(jié)合圖6，可以得到：隨著隧道掌子面的不斷掘進(jìn)，爆源到高壓鐵塔塔基的直線距離(爆心距)不斷減小，塔基處測點(diǎn)豎直方向的振速峰值和振動(dòng)合速度均呈增大趨勢，變化趨勢呈非線性，水平方向振速峰值隨爆心距變化趨勢不明顯；同時(shí)，豎直方向的振速峰值均大于水平徑向和水平切向的振速峰值，表明在隧道爆破作業(yè)時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注高壓鐵塔塔基豎直方向的振動(dòng)危害，必要時(shí)，可采取相關(guān)措施以防止塔基土壤介質(zhì)的沉降。表2中監(jiān)測得到振動(dòng)峰值合速度最大值僅為0.85 cm/s，且在實(shí)際爆破過程中，未見高壓鐵塔產(chǎn)生任何輕微晃動(dòng)，說明本工程隧道爆破參數(shù)條件下，爆破振動(dòng)對(duì)高壓鐵塔的影響較小。

2.3 振動(dòng)波形分析

監(jiān)測得到的典型爆破振動(dòng)波形(R=135.31 m工況下)如圖4所示，整個(gè)衰減持續(xù)時(shí)間約1.0 s，可明顯分辨出各段別的爆破振動(dòng)波形的衰減時(shí)程，且各段別的振速峰值呈現(xiàn)遞減趨勢；各方向的振速峰值均出現(xiàn)在MS1段，這是由于掏槽孔起爆藥量最大，加上MS1～MS5段雷管延期間隔時(shí)間短，存在振動(dòng)波形的疊加。由于采用MS1～MS15多段別延期起爆網(wǎng)路，隨著高段位雷管段間間隔時(shí)間的增加，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間逐漸增長，各分段振動(dòng)波的疊加程度依次減弱，前一段振波波峰與后一段振波波峰相遇的概率降低，從而達(dá)到降低峰值振速的效果。因此，采用多段別延期起爆網(wǎng)路，嚴(yán)格控制低段別雷管的最大起爆藥量，在一定程度上可有效控制高壓鐵塔處的爆破振動(dòng)。

圖 4 測點(diǎn)爆破振動(dòng)時(shí)程曲線Fig. 4 Time-history curve of blasting vibration at measuring points

由前面數(shù)據(jù)分析可知各組測點(diǎn)豎向振速值最大，鑒于篇幅有限，選取直線距離分別為135.31 m、117.45 m、96.18 m三組爆破振動(dòng)信號(hào)，對(duì)其豎向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換處理，得到的頻譜圖如圖5所示。由頻譜圖可看出：各測點(diǎn)的豎向振動(dòng)頻率成分較為復(fù)雜，這主要受隧道圍巖裂隙較發(fā)育這一特點(diǎn)影響；測點(diǎn)主頻主要集中在 10～65 Hz之間，符合隧道爆破主頻分布范圍；隨著爆心距的減小，各測點(diǎn)的最大振幅值逐漸變大，能量集中帶逐漸向低頻發(fā)展，更容易達(dá)到鐵塔等構(gòu)筑物的自振頻率范圍，因此要加強(qiáng)高壓鐵塔近距離隧道段爆破時(shí)的振動(dòng)監(jiān)測。

圖 5 測點(diǎn)豎向振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖Fig. 5 Spectrum of vertical vibration signals at measuring points

3 振動(dòng)數(shù)據(jù)擬合

由于爆破現(xiàn)場地形復(fù)雜，影響爆破振動(dòng)強(qiáng)度的因素多，目前，國內(nèi)外學(xué)者多采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式來表述爆破振動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)爆破地震安全距離與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算分析。因此，基于表2中最大單響藥量為25.2 kg工況下的20組振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行非線性擬合，進(jìn)行現(xiàn)場爆破特性規(guī)律的分析及研究。薩道夫斯基公式為

(1)

式中：v為地震波波速，cm/s；Q為最大單響藥量，kg；R為爆源中心到測點(diǎn)的直線距離，m；k、α為場地相關(guān)系數(shù)，與介質(zhì)和爆破條件因素有關(guān)。

擬合結(jié)果如圖6所示，得到的擬合公式為

(2)

數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.913，表明監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合效果較好，式(2)可反映出本工程隧道爆破作用下質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與爆心距、最大單響藥量之間的一般規(guī)律。

4 結(jié)論

經(jīng)過下穿高壓鐵塔高速公路隧道百余次爆破實(shí)踐，以及對(duì)爆破振動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測，分析爆破作用下高壓鐵塔塔基的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

圖 6 振動(dòng)峰值合速度擬合曲線Fig. 6 Vibration peak velocity fitting curve

(1)測點(diǎn)振動(dòng)頻率成分較為復(fù)雜，振動(dòng)主頻主要分布在10 Hz

(2)通過數(shù)據(jù)擬合，得出本工程條件下隧道爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傳播規(guī)律及薩道夫斯基公式。

(3)開展單循環(huán)200 kg工業(yè)炸藥量級(jí)的隧道掘進(jìn)爆破作業(yè)，爆破振動(dòng)對(duì)凈距100 m處高壓輸電鐵塔的影響甚微；通過爆破振動(dòng)和位移沉降實(shí)時(shí)觀測，可反饋鐵塔的安全運(yùn)營狀態(tài)，建議電力主管部門和制法機(jī)關(guān)適當(dāng)放寬電力設(shè)施周邊爆破作業(yè)的管控范圍。