隧道爆破振動監(jiān)測與控制技術研究

作者簡介：何國棟（1972-），男，高級工程師。研究方向為土木工程橋隧。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.023

摘? 要：隧道爆破時，產(chǎn)生的爆破振動會對周圍建（構）筑物造成危害。為充分保證既存建（構）筑物的安全，對隧道爆破引起爆破振動進行監(jiān)測和分析顯得尤為必要，而新建隧道臨近既有隧道的爆破振動要求更高。該文依托吉心村2號隧道，通過理論分析和現(xiàn)場實測對臨近既有隧道的新建隧道爆破振動安全控制進行探討。提出通過采用合理的延期起爆時間、控制單響藥量、采用數(shù)碼電子雷管減振及選用適合的微差起爆延遲時間能達到良好的爆破降振效果，降幅達到47.74%。有效地降低對既有隧道和臨近建筑物的危害，保證工程的施工質量。

關鍵詞：隧道開挖；爆破振動；振動危害；安全控制；現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：U455.6? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0104-05

Abstract： During tunnel blasting， the blasting vibration will cause harm to the surrounding structures. In order to fully ensure the safety of existing structures， it is particularly necessary to monitor and analyze the blasting vibration caused by tunnel blasting， and the blasting vibration requirements of the new tunnel near the existing tunnel are higher. Based on the No.2 tunnel of Jixin Village， this paper discusses the safety control of blasting vibration of the new tunnel adjacent to the existing tunnel through theoretical analysis and field measurement. It is proposed that a good blasting vibration reduction effect can be achieved by adopting reasonable delayed initiation time， controlling single charge quantity， using digital electronic detonator and selecting suitable millisecond initiation delay time， and the reduction rate is 47.74%. It effectively reduces the harm to the existing tunnel and adjacent buildings， and ensures the construction quality of the project.

Keywords： tunnel excavation; blasting vibration; vibration hazard; safety control; on-site monitoring

隨著我國中西部交通運輸建設的快速發(fā)展，公路隧道建設也進入一個新的發(fā)展高潮。隧道開挖有時會穿越城鎮(zhèn)區(qū)，周邊人口及建（構）筑物比較密集，這使得施工難度加大。爆破作為隧道開挖常用的掘進方式，它所產(chǎn)生的種種爆破影響中以爆破振動危害最為嚴重[1]。爆破時不可避免地會對周圍巖體、山體及房建居民區(qū)造成各種程度的擾動。因此，為了減少爆破振動對隧道襯砌、周圍建（構）筑物造成的損害，減少“擾民”及“民擾”事件的發(fā)生[2]，對爆破控制技術進行探討來降低爆破振動的影響是十分有工程價值和現(xiàn)實意義的。

大量學者對爆破振動波的產(chǎn)生以及傳播規(guī)律進行了充分研究。爆破產(chǎn)生的爆破效應是由于爆炸沖擊波或應力波引起地面建（構）筑物的震動。另一方面，人們也越來越重視爆破對周圍結構物的影響[3-4]，如何減少爆破帶來的振動危害成為越來越多學者的研究課題。如葉培旭等[5]提出通過調(diào)控最大段裝藥量控制爆破振動。曹正龍等[6]對爆破振動速衰減規(guī)律及監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究，以此優(yōu)化施工方案的分析方法。一些研究學者通過在爆破現(xiàn)場進行振動試驗和分析，得到主振頻率和爆破質點峰值振速之間的數(shù)值關系以及滿足爆破規(guī)范安全允許的爆破藥量和安全距離。如駱正坤等[7]針對深埋隧道穩(wěn)定較差的區(qū)域采用ANSYS/LS-DDYNA進行了三維數(shù)值模擬其動力響應，總結了隧道開挖的掌子面沉降規(guī)律。趙豐等[8]基于爆破振動速度衰減理論，計算并驗證了新建鐵路隧道上跨隧道的控制爆破安全距離。鐘運秋[9]依托重慶某隧道工程，在爆破振動效應的產(chǎn)生及其影響因素的理論分析結合爆破振動效應實際測試結果的分析基礎上，分析得到相應的隧道爆破減震技術措施。

基于此，本文將針對吉心村2號隧道進行多次爆破振動監(jiān)測試驗，對爆破振動波的產(chǎn)生及傳播進行探討、分析和對比，提出了多個降振措施。并將減震措施應用到實際工程中去，以期達到降低爆破振動的目的。

1? 爆破振動控制理論

由于爆破過程復雜，影響爆破振動的因素具有多樣性[10]。對隧道施工爆破過程中振動監(jiān)測及控制主要是通過分析質點振動峰值速度、振動主頻和振動持續(xù)時間3個關鍵因素，來建立相應的爆破振動經(jīng)驗預測公式，并通過優(yōu)化爆破參數(shù)、改變爆破方法以達到降低爆破振動的目的。

根據(jù)振動特性，爆破振動波可以分為沖擊波、應力波和地震波。在炸藥爆炸的過程中，炸藥瞬時爆炸釋放出巨大能量，這種具有巨大瞬時能量的波形成的是沖擊波。振動波穿過巖土體介質，波速和能量不斷衰減，在振動波傳播到距離爆源120～150倍的裝藥半徑范圍內(nèi)時，此時的單元巖石質點處于非彈性狀態(tài)，即巖石受力不均勻，這一范圍的振動波被稱為應力波。振動波傳播超過距離爆源150倍裝藥半徑范圍之外后，波速和能量不斷衰減至較小值，此時的振動波被稱為地震波，地震波對巖石影響較小，幾乎不會破壞。沖擊波分區(qū)如圖1所示。

圖1? 爆破振動波傳播形成圖

1.1? 爆破振動安全判據(jù)

針對建立爆破振動速度與其他因素之間的關系表達式，我國目前普遍使用的是薩道夫斯基公式[11]

式中：v為質點振動峰值速度；K為場地系數(shù)；Q為單段最大裝藥量；R為爆心距；α為衰減指數(shù)。

張立國等[12]也通過量綱分析法建立振動主頻率的回歸分析表達式

式中：f表示振動主頻率，其余字符含義同上。

高富強等[13]類比天然地震波推導得到爆破振動持續(xù)時間的相似準數(shù)方程

式中：T表示爆破振動持續(xù)時間，其余字符含義同上。

除此之外，還可通過優(yōu)化爆破參數(shù)，如改變爆破孔爆炸材料的種類、量、深度和孔的布局降低振動的強度和頻率。安裝振動傳感器和地震儀器等監(jiān)測儀器，及時檢測振動水平，如果超過預設閾值，可以采取措施進行調(diào)整。也可以實時監(jiān)測振動情況，并根據(jù)監(jiān)測結果進行調(diào)整。這種實時反饋和調(diào)整可以幫助確保振動控制在可接受范圍內(nèi)。合理的爆破序列調(diào)整也可以減少連續(xù)爆破引起的累積振動效應。通過在不同時間進行爆破達到減少振動累積效應的目的。

1.2? 爆破振動控制標準

如何確保爆破所能影響范圍內(nèi)建（構）筑物的安全，評判爆破振動強度的標準，各國有不同的安全控制[14]。德國的相關標準見表1。

表1? （德國）爆破振動安全評判標準

我國目前通常采用的爆破振動控制標準是GB 6722—2014《爆破振動安全規(guī)程》[11]，其中規(guī)定見表2。

表2? 爆破振動安全判據(jù)標準（GB 6722—2014）

吉林心村2號隧道屬于交通隧道，根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中對于交通隧道的規(guī)定以及經(jīng)驗分析得，小凈距交叉隧道的爆破振動控制在5～10 cm/s范圍內(nèi)。

2? 吉心村2號隧道概況

2.1? 原始爆破方案

根據(jù)前期對該隧道的地質勘探，在試爆區(qū)項目采用導爆管逐孔起爆，主要采用9 m臺階深孔爆破，設計單孔藥量約30 kg，孔排距2.5～3 m，延期時間取50 ms。炮孔直徑85 mm，孔深3～9 m，每次起爆的總藥量為500～600 kg。

2.2? 監(jiān)測目的

吉心村2號隧道位于遵義市播州區(qū)芶江鎮(zhèn)吉心村附近。海拔高750～1 400 m，地形山巒起伏，隧道預施工地處中低山及山原盆地，其中局部是丘陵區(qū)，施工條件較差。隧道起止里程DK89+047～DK90+996，全長1 949 m，隧道進口處內(nèi)軌設計標高約為907.3 m，出口處內(nèi)軌設計標高約929.5 m。隧道進口段出現(xiàn)較差地質，斷層附近巖體破碎，上盤局部富水，另外該段隧道淺埋，施工中存在突水突泥及坍塌等地質問題，易引起斷層、附近居民失水等環(huán)境問題，應加強地質超前預報工作和支護及防排水設施。其中，吉心村2號隧道修建近吉心村1號，故需基于對周邊建筑工程的振動影響，對新建隧道的振動評估進行有效安全控制，以起到預先發(fā)現(xiàn)，預防和控制爆破危害，降低爆破振動的有害影響。

2.3? 監(jiān)測點的布置

隧道進口段（DK89+047～DK89+305）為含煤地層，孔內(nèi)瓦斯監(jiān)測含量較低，隧道進口大部分位于較差地層中，洞身穩(wěn)定性差，易坍塌冒頂，此段工程地質問題突出。因此選取吉心村2號隧道DK89+047～DK89+305段分別設置10個監(jiān)測點。平面設置示意圖如圖2所示。

2.4? 監(jiān)測結果分析

通過分析了試爆區(qū)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在原始爆破方案下存在監(jiān)測點振動數(shù)據(jù)甚至達到了17.45 cm/s（如圖3所示），超過了GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》標準，即交通隧道在不同頻率下，振速不應大于20 cm/s，也遠遠超過了小凈距交叉隧道的爆破振動控制在5～10 cm/s范圍內(nèi)的要求。

圖3? 某測點振動速度波形圖

3? 爆破減振技術探討

3.1? 合理的爆破延期時間

合理的爆破延期時間調(diào)整可以降低爆破產(chǎn)生的振動和沖擊對周圍環(huán)境和結構物的影響。爆破孔的布置密度會影響爆破時的能量釋放和振動傳播。需要根據(jù)爆破孔的分布，調(diào)整爆破時差，以避免孔與孔之間的振動相互疊加，從而減少總振動效應。在不同的地層中，振動的傳播速度和衰減程度可能不同，因此需要根據(jù)地質情況合理調(diào)整爆破時差。如果附近有敏感的結構物，如建筑物、橋梁等，同樣需要根據(jù)這些結構物的距離來調(diào)整爆破時差。合理的爆破延期時間調(diào)整需要綜合考慮多個因素來達到降振的最大化。優(yōu)化過后的爆破方案采用分排、延時起爆，同一排采用一種段別的數(shù)碼電子雷管進行起爆，4～6個周邊孔、同排崩落孔并聯(lián)之后，再用MS2段導爆管雷管引爆，這樣可以有效地控制單段起爆藥量[15]。

3.2? 單段最大裝藥量

單段最大裝藥量可以在爆炸時輸出瞬時最大能量，所輸出的能量能夠在短時間內(nèi)對結構物造成巨大沖擊。所以，從爆源控制降低振動是最簡單有效的方法?？刂茊雾懽畲笱b藥量一般手段是通過調(diào)整同時起爆孔的數(shù)量和減少單孔裝藥量實現(xiàn)。

3.3? 微差起爆延遲時間

微差爆破也叫毫秒爆破。其特點是以毫秒為間隔，依次起爆多個炮孔的爆破手段。這種起爆方式不僅可以提高爆破質量，還能降低誘發(fā)的地震效應。采用微差起爆延遲時間爆破在降低爆破振動中是一種常用技術方法。在確定微差起爆延遲時間時，需要考慮孔與孔之間的距離和角度，以及孔的密度、地質條件等，從而實現(xiàn)合理的振動分散效果。根據(jù)案例項目的實踐經(jīng)驗，項目中選擇了奧瑞凱高精度雷管，該裝置的排間延期時間為65 ms/s，孔間時間為25 ms/s，這是控制振動時應重點考慮的問題[16]。

3.4? 采用數(shù)碼電子雷管減振和減振溝降振

數(shù)碼電子雷管是一種新型電能起爆器材，延期時間可以根據(jù)實際需要任意設定并精確實現(xiàn)發(fā)火延期時間[17]。它的延期時間精確度高、設定相對靈活。臺階法開挖淺埋隧道時，把爆破進尺提高為2.5 m，爆破振速降到9.12 cm/s，能夠加快施工進度，降振幅度也達到了47%以上。相較于導爆管，能夠較大程度地降低爆破時產(chǎn)生的振動幅度。

4? 爆破優(yōu)化結果分析

按照上文介紹的參數(shù)和減震方法，此次采用優(yōu)化過后的方案進行爆破，采集到的10組數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，在后期的現(xiàn)場監(jiān)測中，所測得最大振速為9.12 cm/s，振動速度均在安全振動范圍內(nèi)，最大振速相比優(yōu)化前振速降低了47.74%，且也遠低于小凈距隧道的安全爆破振動控制，振動效果得到很好的控制。根據(jù)式（3），采用最小二乘法對表3的數(shù)據(jù)進行擬合，得到下式

式中：各字母代表含義上文公式，相關系數(shù)r=96.7%，該式的擬合精度較高，證明其可以應用于本工程進行預測和計算。

5? 結束語

隧道施工過程中，爆破周邊建（構）筑物的安全是爆破必要關注的首要問題。本文以吉心村2號隧道為工程依托，開展臨近隧道爆破施工監(jiān)測及控制技術研究，從理論上探討了爆破振動波的產(chǎn)生和傳播，羅列了爆破振動安全判據(jù)的發(fā)展完善，也對比分析了不同國家的爆破振動控制標準。并在現(xiàn)場應用了相應的降振措施，得到了良好的降振效果，保證了既有隧道的安全運營和新建隧道的高效修建。

通過對比分析現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，得出以下結論。

1）在小凈距隧道的爆破開挖過程中，爆破的裝藥量以及自由面數(shù)量是影響爆破振速的重要原因，通過控制單段裝藥量、設置隔振孔可以大幅度降低爆破振動效應。

2）優(yōu)化了單段最大裝藥量、設置合理的延期爆破延期時間并采用墊子雷管減振，使得最大振動速度從17.45 cm/s降低到9.12 cm/s，降幅達到了47.74%，振動效果得到了很好的控制。

3）引用高富強[13]在薩式公式基礎進一步推導的預測公式，能夠較精確地對爆破振動速度進行有效預測，預測精度達到了96.7%。

4）臨近既有隧道爆破開挖時，采用數(shù)碼電子雷管能顯著地降低爆破振動帶來的負面影響。

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