大斷面隧道爆破施工方案及振動(dòng)衰減規(guī)律

摘 要：本文以實(shí)際隧道爆破工程為背景，研究大斷面隧道III級(jí)圍巖上臺(tái)階鉆爆法及爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。在工程實(shí)踐中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集，利用非線(xiàn)性回歸分析建立大斷面隧道III級(jí)圍巖爆破振動(dòng)衰減模型，并且得到上臺(tái)階爆破施工方案，為后期類(lèi)似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：大斷面；隧道工程；方案；非線(xiàn)性分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U 45" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者很早前就對(duì)爆破地震波進(jìn)行研究，并得出規(guī)律?？讘椳奫1]分析了礦山爆破振動(dòng)效應(yīng)，在現(xiàn)場(chǎng)將礦下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，礦下的主頻率高但是持續(xù)時(shí)間短，地表主頻率低但是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。謝烽[2]研究了與爆破點(diǎn)不同距離爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。翟淵博[3]認(rèn)為薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)對(duì)距離爆破點(diǎn)較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)振動(dòng)速度較慢，不適合預(yù)測(cè)距離爆破點(diǎn)較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。賈虎[4]整理分析現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，距離爆破點(diǎn)較遠(yuǎn)的爆破振動(dòng)速度峰值在很大程度上跟最大單段藥量密切相關(guān)，背向自由面的振動(dòng)最大，側(cè)向次之，面向自由面最小。朱傳統(tǒng)等 [5]對(duì)爆破作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行多次監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出爆破施工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)峰值速度表達(dá)式。盧文波等[6]基于傳統(tǒng)爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，采用回歸分析方法得出爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)公式。

1 工程概況

以分離式布置隧道為背景，其長(zhǎng)度為3595m。隧址區(qū)屬于剝蝕丘陵地貌，區(qū)域內(nèi)山體寬大，連綿起伏，自然斜坡多為20°～40°，峰頂海拔一般多為250～350m。區(qū)域內(nèi)多為林地，地勢(shì)稍低處多為旱地或水田，種植水稻等農(nóng)作物。丘陵間沖溝比較發(fā)育，多呈條帶狀分布，局部路段分布比較密集。巖性以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、頁(yè)巖為主。

2 爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 打孔設(shè)備及要求

采用氣腿式鑿巖機(jī)YT28直徑40mm進(jìn)行鉆孔作業(yè)，該型號(hào)鑿巖機(jī)因其高效率、耐用性及適用于硬巖和復(fù)雜地質(zhì)條件而廣泛應(yīng)用于隧道工程領(lǐng)域，并在III級(jí)圍巖條件下能夠高效地完成鉆孔工作，同時(shí)可以保證孔徑滿(mǎn)足裝藥需求和爆破效果設(shè)計(jì)。

準(zhǔn)備階段：標(biāo)定炮孔位置，安裝并調(diào)整氣腿式鑿巖機(jī)YT28，保證其穩(wěn)定可靠。

鉆孔階段：操作人員按照預(yù)定孔位進(jìn)行鉆孔，在過(guò)程中需要檢查孔深和垂直度，并做好記錄。

2.2 循環(huán)進(jìn)尺

循環(huán)進(jìn)尺選擇需要考慮巖石硬度和完整性、設(shè)備性能、爆破效果、安全要求和施工效率等因素：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)進(jìn)尺為3m，即在每次鉆孔并進(jìn)行爆破后，預(yù)計(jì)可以安全有效地破碎和移除深3m的巖石。

2.3 炮孔深度

炮孔利用率為85%，則孔深L=3/0.85=3.52m，取3.6m。

2.4 掏槽孔

掏槽孔深度設(shè)定：根據(jù)實(shí)際情況及巖石特性，確定掏槽孔的深度為4.0m。

掏槽孔布置位置：掏槽孔位于隧道斷面的中下部，這樣可以充分利用掏槽孔破裂巖石的力量，引導(dǎo)主爆破區(qū)域的巖石向中心部位垮落，有利于提高爆破效率和減少?lài)鷰r應(yīng)力集中。

掏槽孔形狀與排布方式：采用復(fù)式楔形掏槽布局，每對(duì)掏槽孔呈對(duì)稱(chēng)或近似對(duì)稱(chēng)排列，形成一個(gè)由淺至深、角度逐漸增加的扇形結(jié)構(gòu)。將掏槽孔與工作面之間的夾角θ設(shè)定為60°～80°，便于逐步擴(kuò)大破碎面積并有效控制爆破能量分布。

鉆孔精度要求：為了保證復(fù)式楔形掏槽達(dá)到預(yù)期的良好爆破效果，要盡量縮小鉆孔偏差，包括保證炮孔軸線(xiàn)的直線(xiàn)性、垂直度以及相對(duì)位置的準(zhǔn)確性等，使每個(gè)炮孔都能按照預(yù)定的角度和深度準(zhǔn)確無(wú)誤地鉆設(shè)。

2.5 周邊孔

周邊孔位置設(shè)定：周邊孔應(yīng)布置在距離開(kāi)挖斷面邊緣0.1～0.2m的位置。當(dāng)有效破碎圍巖時(shí)，這樣設(shè)計(jì)可以保證隧道輪廓線(xiàn)附近的巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減少超挖和欠挖現(xiàn)象。

周邊孔傾斜方向與深度控制：要求周邊孔的孔底向隧道輪廓線(xiàn)方向傾斜。這樣有助于將爆破能量引導(dǎo)至開(kāi)挖輪廓線(xiàn)上，提高爆破效果并保證斷面形狀符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)遇到堅(jiān)硬巖體時(shí)，為了提高破碎硬巖的能力，周邊孔的孔底可以達(dá)到或稍微超出輪廓線(xiàn)位置，從而更有效地破碎這些難以處理的巖層。

2.6 單孔裝藥量

在爆破工程中，需要根據(jù)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、裂縫發(fā)育狀況以及周?chē)h(huán)境條件等因素精確計(jì)算各炮孔的裝藥量。單孔裝藥量的計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

Q=r×n×L （1）

式中：n為炮孔裝藥系數(shù)；L為各炮孔孔深，m；r為每米的炸藥量，采用2號(hào)乳化巖石炸藥，r=1.0kg/m。裝藥量參數(shù)見(jiàn)表1。

2.7 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

在爆破方案的起爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用數(shù)碼電子雷管起爆技術(shù)，保證精準(zhǔn)控制，保障安全性。

數(shù)碼電子雷管應(yīng)用：在每個(gè)炮孔內(nèi)裝入一發(fā)數(shù)碼電子雷管，與傳統(tǒng)雷管相比，數(shù)碼電子雷管具有更高的精度、更高的安全性和更靈活的編程能力。

多段微差起爆設(shè)計(jì)：設(shè)置各段間延時(shí)時(shí)間為50ms，采用多段微差起爆方式，有效控制爆破能量釋放順序和速度，減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖及周?chē)h(huán)境的影響。

起爆順序安排：首先，起爆掏槽孔，利用楔形掏槽的方式引導(dǎo)主爆破區(qū)域巖石破碎垮落。其次，起爆輔助孔，進(jìn)一步擴(kuò)大破碎范圍。再次，起爆底板孔，穩(wěn)定底部巖石結(jié)構(gòu)，防止下部圍巖塌落。最后，同時(shí)起爆周邊孔，按照“由內(nèi)向外”的順序，使爆破效應(yīng)從中心向四周逐步擴(kuò)散，對(duì)隧道斷面進(jìn)行良好控制。

3 基于非線(xiàn)性回歸分析大斷面隧道爆破振動(dòng)

在大斷面隧道爆破施工過(guò)程中，高度重視振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制工作?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集的大斷面隧道爆破引起的振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用非線(xiàn)性回歸分析方法進(jìn)行深入研究和精確計(jì)算。隨著爆破施工的逐步推進(jìn)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置也隨之動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，設(shè)置在二次襯砌到洞口區(qū)域之間，以便全面獲取各個(gè)階段的振動(dòng)信息，為后續(xù)的爆破方案微調(diào)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

目前，在我國(guó)的爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)領(lǐng)域，仍然采用國(guó)外專(zhuān)家薩道夫斯基提出的經(jīng)典振動(dòng)預(yù)測(cè)公式。該公式是在大量現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提煉總結(jié)的，對(duì)我國(guó)爆破工程實(shí)踐具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

式中；V為監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度，cm/s，Q為最大單段藥量；R為爆破點(diǎn)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，m；K、α為爆破區(qū)域以及附近地形有關(guān)的衰減系數(shù)。

在本次研究工作中，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的1stOpt非線(xiàn)性回歸分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和建模。為保證模型優(yōu)化的高效性和準(zhǔn)確性，采用了麥夸特法（Marquardt's method）進(jìn)行計(jì)算。在應(yīng)用該方法的過(guò)程中，將收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為殘差平方和降至10的負(fù)十次方，同時(shí)將最大迭代次數(shù)設(shè)置為1000次，保證在合理計(jì)算資源下充分搜索最優(yōu)解空間。在實(shí)際操作過(guò)程中，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控并控制計(jì)算過(guò)程，每進(jìn)行10次迭代便會(huì)輸出一次當(dāng)前的控制數(shù)信息，以便于觀察模型擬合度的變化趨勢(shì)。此外，所有分析均遵循1stOpt軟件的標(biāo)準(zhǔn)模式設(shè)置，保證結(jié)果的可靠性和可比性。針對(duì)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)集，選取具有代表性的局部數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，總納入10組有效數(shù)據(jù)樣本。對(duì)這些具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，整理結(jié)果見(jiàn)表2。表中展示了各個(gè)炮孔爆破后的振動(dòng)參數(shù)變化情況，將其作為本次非線(xiàn)性回歸分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ń沂敬髷嗝嫠淼辣普駝?dòng)衰減規(guī)律及影響因素。

表2 非線(xiàn)性回歸分析數(shù)據(jù)

序號(hào) 爆心距（m） 最大單段藥量（kg） 振動(dòng)峰值（cm/s）

1 121.8 20.8 0.335

2 136.4 20.8 0.434

3 121.8 20.8 0.335

4 141.6 20.8 0.212

5 288.1 20.8 0.075

6 407.3 20.3 0.032

7 549.7 20.3 0.018

8 156.9 20.3 0.131

9 209.2 20.3 0.091

10 612.5 20.3 0.021

在本研究項(xiàng)目中，針對(duì)大斷面隧道爆破施工過(guò)程中的振動(dòng)衰減現(xiàn)象進(jìn)行定量分析。本文利用高級(jí)非線(xiàn)性回歸分析工具1stOpt軟件揭示這個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程背后的內(nèi)在規(guī)律。該軟件具有強(qiáng)大的優(yōu)化算法和高度靈活的模型構(gòu)建能力，能夠處理多種非線(xiàn)性關(guān)系，并尋找最優(yōu)參數(shù)組合。

從實(shí)際隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中收集大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涵蓋不同距離、不同炸藥量等多種工況下的振動(dòng)幅值變化情況?；谶@些數(shù)據(jù)，通過(guò)1stOpt軟件執(zhí)行非線(xiàn)性最小二乘擬合（Nonlinear Least Squares Fitting），按照預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)及收斂準(zhǔn)則（例如殘差平方和達(dá)到極小精度閾值10的負(fù)10次方，并將最大迭代次數(shù)設(shè)置為1000次，保證算法充分搜索解空間），成功建立了反映大斷面隧道爆破振動(dòng)衰減特性的精確數(shù)學(xué)模型，這個(gè)模型的具體表達(dá)式如公式（3）所示。

（3）

為進(jìn)一步驗(yàn)證與可視化非線(xiàn)性回歸模型的適用性和準(zhǔn)確性，本文運(yùn)用Origin科學(xué)繪圖與數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。在Origin中，導(dǎo)入實(shí)際監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)衰減數(shù)據(jù)點(diǎn)，并采用建立的非線(xiàn)性回歸模型進(jìn)行曲線(xiàn)擬合操作，生成一條緊貼數(shù)據(jù)趨勢(shì)且形態(tài)穩(wěn)定的擬合曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)生動(dòng)地展示了爆破振動(dòng)強(qiáng)度隨著傳播距離或其他相關(guān)變量的變化而逐漸衰減的過(guò)程。

非線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)的結(jié)果以圖表形式呈現(xiàn)，如圖1所示，不僅直觀證實(shí)了使用1stOpt軟件建立模型的有效性，還為后續(xù)類(lèi)似工程實(shí)踐預(yù)測(cè)和控制大斷面隧道爆破引起的振動(dòng)問(wèn)題提供了可靠的理論基礎(chǔ)和支持。誤差分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

在本研究項(xiàng)目中，針對(duì)實(shí)際隧道爆破施工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線(xiàn)性回歸分析。運(yùn)用專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件1stOpt對(duì)經(jīng)典的薩道夫斯基公式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化與模型擬合。經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算過(guò)程，將關(guān)鍵參數(shù)K設(shè)定為213.375，而α值為2.229。采用1stOpt軟件進(jìn)行非線(xiàn)性回歸分析結(jié)果顯示，該模型表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和預(yù)測(cè)性能：均方根誤差（Root Mean Square Error， RMSE）達(dá)到了0.0578，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的平均偏差度較??；殘差平方和（Sum of Squared Errors， SSE）數(shù)值為0.033，表明模型整體上對(duì)數(shù)據(jù)集的擬合效果較為理想；相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.915，這個(gè)結(jié)果揭示了模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間存在顯著的正相關(guān)聯(lián)系；決定系數(shù)為0.838，說(shuō)明模型能夠解釋被觀察變量變化的83.8%，具有較高的解釋力；卡方系數(shù)（Chi-Square）僅為0.066，進(jìn)一步證實(shí)了模型與實(shí)際數(shù)據(jù)之間具備高度的一致性。

表3 誤差分析數(shù)據(jù)

序號(hào) 振動(dòng)峰值（cm/s） 預(yù)測(cè)值（cm/s）

1 0.335 0.3585241

2 0.434 0.2785594

3 0.335 0.3585241

4 0.212 0.2562694

5 0.075 0.0526078

6 0.032 0.0243137

7 0.018 0.0124621

8 0.131 0.2038763

9 0.091 0.1073644

10 0.021 0.0097919

然而，當(dāng)深入探討非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差分布時(shí)，盡管總體擬合效果良好，但在個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)上的預(yù)測(cè)誤差范圍較大，最大單點(diǎn)誤差達(dá)到55.6%，最小誤差為7.02%。

綜上所述，對(duì)大斷面隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線(xiàn)性回歸分析，并結(jié)合經(jīng)典薩道夫斯基公式，得出結(jié)論：在一定程度上，薩道夫斯基公式確實(shí)可以用于大斷面隧道爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析以及對(duì)未來(lái)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)工作。然而，鑒于存在局部預(yù)測(cè)誤差問(wèn)題，建議在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行修正調(diào)整或結(jié)合其他影響因素構(gòu)建更為精確的預(yù)測(cè)模型。

4 結(jié)論

以實(shí)際隧道爆破工程為背景，根據(jù)地質(zhì)資料提出上臺(tái)階爆破施工方案并且通過(guò)監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)采用薩道夫斯基公式進(jìn)行非線(xiàn)性回歸分析，得出以下結(jié)論。1）根據(jù)實(shí)際隧道爆破資料，設(shè)計(jì)III級(jí)圍巖爆破上臺(tái)階施工方案，炮孔共115個(gè)，裝藥量為220.48kg，單次隧道爆破開(kāi)挖進(jìn)尺約3m。2）在實(shí)際爆破施工過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。利用專(zhuān)業(yè)的非線(xiàn)性回歸分析軟件1stOpt，對(duì)經(jīng)典薩道夫斯基公式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化與模型擬合。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，得出以下關(guān)鍵回歸分析結(jié)果：薩道夫斯基公式的K值為213.375；將α值設(shè)定為2.229。

模型預(yù)測(cè)精度相關(guān)指標(biāo)如下。1）均方差（Root Mean Square Error， RMSE）為0.0578，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間平均偏差的大小。2）殘差平方和（Sum of Squared Errors， SSE）為0.033，表明模型整體擬合度良好。3）相關(guān)系數(shù)為0.915，證明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的關(guān)聯(lián)程度極高。4）相關(guān)系數(shù)平方（R2）即決定系數(shù)（Determination Coefficient， DC）為0.838，顯示模型能解釋原始數(shù)據(jù)變異性的83.8%。5）卡方系數(shù)（Chi-Square）僅為0.066，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。

通過(guò)上述非線(xiàn)性回歸分析，本次研究成功建立反映大斷面爆破振動(dòng)衰減規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。然而，當(dāng)模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，最大誤差達(dá)到55.6%，最小誤差為7.02%。盡管模型在一定程度上揭示了爆破振動(dòng)衰減的趨勢(shì)，并具備較高的預(yù)測(cè)能力，但鑒于局部誤差較大，在實(shí)際應(yīng)用中仍須結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和完善，提高預(yù)測(cè)精確度及模型適用性。

參考文獻(xiàn)

[1]孔憲軍.基于 MATLAB的爆破震動(dòng)研究及震動(dòng)強(qiáng)度的智能預(yù)測(cè)[D].青島：山東科技大學(xué)，2006.

[2]謝烽.施工隧道內(nèi)部爆破振動(dòng)效應(yīng)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2017.

[3]翟淵博.隧道爆破震動(dòng)對(duì)民房的危害及安全評(píng)價(jià)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.

[4]賈虎.爆破動(dòng)載下鄰近硐室圍巖穩(wěn)定性的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2006.

[5]朱傳統(tǒng)，劉宏根，梅錦煌.地震波參數(shù)沿邊坡坡面?zhèn)鞑ヒ?guī)律公式的選擇[J].爆破，1988（2）：33-34.

[6]盧文波，張樂(lè)，周俊汝，等.爆破振動(dòng)頻率衰減機(jī)制和衰減規(guī)律的理論分析[J].爆破，2013， 30（2）：1-6.