隧道爆破施工對近接既有隧道的影響分析

葉云斌　方繼偉

(1.寧波市交通工程質量安全監督站　寧波　315040；　2.寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司　寧波　315113)

隧道爆破施工對近接既有隧道的影響分析

葉云斌1方繼偉2

(1.寧波市交通工程質量安全監督站寧波315040；2.寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司寧波315113)

摘要新建隧道爆破施工對既有隧道影響嚴重，為了對影響規律進行分析，對既有隧道進行爆破振動監測。通過對監測爆破振動數據進行統計分析，得出爆破振動振速傳播規律，歸納分析得到爆破振動傳播規律的薩氏公式，并得到振動速度與爆心距和最大段裝藥量的關系，為有效地減小爆破振速提供理論依據。

關鍵詞爆破振動振動速度爆心距最大段裝藥量

隨著山區高速公路快速發展，為適應山區地形和減少占用耕地，隧道成為很重要的一種公路結構形式。隧道開挖施工需要解決的一個重要問題是：最大限度地降低爆破振動，減少對隧道圍巖和支護體系的振動，減少隧道爆破對地表及附近民房和農用構筑物的影響。本文通過對爆破振動進行監測，對影響爆破振速的因素進行研究分析。

1爆破對臨近結構影響

在爆破振動作用下，建筑物受到振動加速度的作用，產生慣性力，可能引發結構和非結構破壞[1]。對于爆破振動的危害，主要應研究地振波的加速度和造成結構動力響應的荷載。

當爆破地振波投射入土層后，由于地表的多次反射和巖土界面的反射和透射，與土層頻率接近的振波將被放大，其他頻率的振波在傳播中快速衰減。土層對于爆破振動的放大效應，使主振相的前振段振幅急劇增大，而后振段振幅快速衰減。高頻振波的前振段引起建筑物的反應，會干擾最大振幅引起結構物的響應[2]。

2既有隧道爆破振動監測及安全性評估

本文基于新建隧道爆破施工對既有隧道影響規律進行分析，對既有隧道進行爆破振動監測，以確保既有隧道安全運營。

2.1　爆破振動監測儀器及測點布置及測試方法

選用爆破振動智能監測儀采集到的爆破現場振動數據，之后對其進行分析預測(v-ρ分析、振速預測、安全距離預測和安全裝藥量預測)和管理。

(1) 測點布置原則。為了研究爆破對近接隧道的影響，測點布置在掘進隧道掌子面和相鄰隧道對應樁號的斷面后面，具體的位置是隧道迎爆側邊墻附近，如有需要也可以在襯砌病害嚴重斷面或背爆側。

(2) 爆破振動測試方法。在條件允許的情況下同一測點同時布置豎向和水平向傳感器。爆破前30 min布置測點，采用石膏將傳感器固定到地面或者側墻上，涂抹在傳感器上的石膏要薄而結合緊密，必要時需要用石膏對安裝部位進行平整修補[3]。測試過程中儀器及測點布置示意見圖1。

圖1　儀器現場安裝圖

2.2　爆破振動安全標準

我國《爆破安全規程》(GB6722-2003)所規定的爆破振動安全標準是以質點振動速度或振動速度結合振動頻率為判據，該標準根據所保護對象結構物的重要程度和類型提出了相應的控制標準，見表1。

表1　爆破振動安全允許標準

注：表列頻率為主振頻率，系指最大振幅所對應波的頻率。

既有隧道安全振速控制標準以國標規定的交通隧道為參考和主要依據，通過調查發現既有隧道有多處滲漏水、裂縫等隧道病害，結合類似隧道施工監測中的經驗，按國標規定安全振速下限為10 cm/s。

2.3　爆破振動監測數據分析

(1) 爆破施工報警值。根據工程實際情況及既有工程經驗，為了評估爆破振動的影響，采用4個分區：振速小于5 cm/s時(理想區)，可認為新建隧道爆破施工對既有隧道基本沒有影響；振速大于5 cm/s而小于8 cm/s時(安全區)，可認為新建隧道爆破施工對既有隧道有一定影響，但不危害既有隧道的安全運營；振速大于8 cm/s而小于10 cm/s時(黃色警報區)，新建隧道爆破施工對既有隧道影響較大，對于隧道結構安全存在隱患，需要進行預警及各方重視；振速大于10 cm/s時(紅色警報區)，新建隧道爆破施工對既有隧道運營及結構安全有非常大的影響，施工單位必須采取相關控制措施，同時交管部門也需要采取一定限行措施。

(2) 爆破振動傳播規律分析。振動速度實測數據分析表明，影響爆破振動強度的主要因素有裝藥量和爆破介質臨空面的條件、爆心距、地質條件和迎爆面[4]。

高差變化對振動速度衰減規律有一定影響，爆破振動數據的分析方法因高差不同而不同。在不考慮高差的情況下，垂直振速經驗公式為

式中：v為爆破振動峰值垂直振速，cm/s；ρ為比例藥量；Q為爆破最大段藥量，kg；R為爆心距，m；k為場地條件系數；α為爆破振動衰減指數。

在比例藥量ρ已知情況下，把該式兩邊取對數，即可對監測爆破振動數據進行一元線性回歸得到k，α值，從而得到爆破振動峰值垂直振速衰減方程。

根據上述理論，對現場測得的數據可以做出lgρ-lgv曲線，見圖2。

圖2　史家山隧道爆破振動數據擬合圖

2.4　爆破振動分段裝藥量與爆心距影響分級

當分段最大裝藥量和爆心距不同時，對爆破振速的影響不同，并建立爆心距與分段最大裝藥量影響分級。根據隧道安全狀況和以往研究成果，將爆破振動對隧道襯砌的影響根據爆破振速分為如下4級。

①爆破振速為v<5cm/s時，爆破振動對襯砌結構基本無影響，無需采取措施。

②爆破振速為5cm/s

③爆破振速為8cm/s

④爆破振速滿足v>10cm/s時，爆破振動對襯砌結構有安全性影響，需采取減振措施。除了調整施工工法，爆破中可采用增加雷管的段別，減少同段雷管起爆藥量來減少爆破地震強度，設計爆破網格為孔內微差，孔外同段的非電微差起爆技術。導爆管一般跳段使用，使段間間隔時間大于50ms，防止地震波相互疊加產生較大振動。

(1) 最大段藥量分析。考慮分段最大裝藥量影響時，假定爆心距分段最大裝藥量從2~20kg變化，則可得到爆破峰值振速與分段裝藥量的關系，見圖3。

圖3　隧道爆破振速與最大段炸藥關系曲線圖

可見，隨著分段裝藥量的增加，振速與之成指數形式增長，表達式為：v=1.653Q0.635，在爆心距確定的情況下，可以通過增加分段數或者減少分段炸藥量的方式減小對既有結構的振動。比如，在爆心距為20m時，如果分段裝藥量為20kg，則最大振速達到11.1cm/s；如果分段裝藥量減小到12kg，最大振速可以降低到8cm/s，可以滿足既有隧道安全性要求。

采用回歸分析研究隧道掘進爆破振動傳播規律，同時可以推導保證隧道結構安全的最大段藥量的控制，公式如下：

對于隧道凈距R=15.8 m和25 m時，分別將振速[v]=5 cm/s，[v]=8 cm/s和[v]=10 cm/s代入上式算出最大段藥量分區，見表2。

表2　分段最大裝藥量與爆破影響分級

可見不同的振速或者爆心距，最大段藥量的影響均較大，在爆破施工分段設計時，需要綜合考慮臨近結構位置及地層狀態。

(2) 爆心距影響分級。考慮爆心距對最大振速影響時，假定分段最大裝藥量Q=12 kg，爆心距則從5 m到100 m變化，則可得到爆破峰值振速與爆心距的關系，見圖4。

圖4　隧道爆破振速與爆心距關系曲線圖

隨著爆心距的增加，振速與之呈指數形式減小，表達式為：v=2 420R-1.906。

可見，在分段最大裝藥量確定的情況下，爆心距越大，對于既有結構安全影響越小。當爆心距小于20 m時，振動速度大于10 cm/s，因此為了保證既有結構的安全需要采取措施；當爆心距大于30 m時，最大振速會降低到5 cm/s以下，對于既有結構基本沒有影響；尤其當爆心距大于50 m時，可以忽略爆破振動的影響。因此在隧道選線過程中，需要考慮洞口附近建筑及既有隧道影響，由于條件限制無法避免時還需要采取別的措施降低爆破振動對于既有結構的影響[6]。

3結語

隧道施工過程中，監測新建隧道爆破振動對既有隧道的影響，并根據既有隧道襯砌特征和安全狀況，提出安全振動速度控制標準，將爆破振動影響分為4級，即無影響、有一定影響，有較大影響和安全性影響。同時，通過對監測爆破振動數據進行統計分析，得出爆破振動振速傳播規律，歸納分析得到爆破振動傳播規律的薩氏公式，得到振動速度與爆心距和最大段裝藥量的關系。依據監測數據和理論研究，及時向施工單位反饋，并提出有效的施工措施減小爆破振速。

參考文獻

[1]雷明峰,張運良,彭立敏.城市小間距交通隧道爆破安全監測及結果分析[J].現代隧道技術,2007,44(1)：61-64.

[2]李云鵬,艾傳志,韓常領,等.小間距隧道爆破開挖動力效應數值模擬研究[J].爆炸與沖擊,2007,27(1)：75-80.

[3]姜德義，陳玉，任松,等.超小凈距交叉隧道的爆破振動監測與控制技術[J].西部探礦工程,2008(10)：188-191.

[4]李利平,李術才,張慶松,等.小間距隧道爆破動力響應分析[J].公路交通科技,2008(7):100-106.

[5]史秀志,田建軍,王懷勇.冬瓜山礦爆破振動測試數據回歸與時頻分析[J].爆破,2008(2)：77-81.

[6]楊光.隧道爆破施工對鄰近既有隧道結構安全的影響分析與控制研究[D].長沙：中南大學，2011.

Influence Analysis of the Blasting Construction of New Tunnel on Existing Tunnel

YeYunbin1,FangJiwei2

(1.Ningbo Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Station, Ningbo 315040, China;

2.Ningbo Traffic Construction Experiment and Detection Co., Ltd., Ningbo 315113, China)

Abstract：The new tunnel blasting has serious influence on existing tunnel. In order to analyze the influence regularity, the blasting vibration of old tunnel was monitored. The velocity propagation law and the relationship of vibration speed with blast center distance and charge weight in larger segment are got by analyzing the monitoring data of blasting vibration, which can provide theoretical basis for reducing blasting vibration velocity effectively.

Key words:blasting vibration; vibration velocity; blast center distance; charge weight in larger segment

收稿日期：2015-03-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.041