鄰近既有公路隧道爆破振動衰減傳播規律

丁海洋, 韓翔宇, 鄭軍華, 陳橋楓, 杜飛天

(1. 浙江省交通規劃設計研究院, 浙江杭州 310006; 2. 西南交通大學, 四川成都 610031)

鄰近既有公路隧道爆破振動衰減傳播規律

丁海洋1, 韓翔宇2, 鄭軍華1, 陳橋楓2, 杜飛天1

(1. 浙江省交通規劃設計研究院, 浙江杭州 310006; 2. 西南交通大學, 四川成都 610031)

以杭金衢高速公路段新嶺隧道擴建工程為背景，運用理論分析及現場監測等方法，分析隧道爆破施工振動對鄰近既有隧道安全穩定的影響，總結推導爆破振動在地層中衰減傳播的規律，確保洞室中施工作業的正常進行，并對爆破方案進行優化。結果表明：(1)測點處水平徑向即水平垂直于既有隧道方向峰值振動速度最大，明顯大于Y和Z方向，監測時重點關注；(2)通過現場監測點收集的數據，運用理論分析手段推導出爆源，距離及炸藥量和速度之間的關系，來優化爆破參數設計，同時為分析爆破振動衰減規律提供參考。

爆破工程; 爆破振動; 衰減規律; 測試

新嶺隧道屬于杭金衢高速公路擴建工程諸暨至蕭山段，左洞隧道起訖樁號ZK46+590至ZK47+950，長1 360 m，右洞隧道起訖樁號為YK46+606至YK48+065，長1 459 m。既有新嶺隧道設計采用雙向四車道的標準設計，單洞行車道寬度2×3.75 m，單個隧道寬度10.75 m，凈高5.0 m，隧道軸線走向160°，隧道最大埋深156 m，設計行車速度120 km/h。新嶺隧道為上、下行獨立分離式隧道，兩隧道軸線間距為41.3 m，于2003年建成通車。新建隧道左側進洞口距離原左側隧道最近距離27.29 m，出洞口距離原左側隧道最近距離35.62 m；新建隧道右側進洞口距離原右側隧道最近距離23.08 m，新建隧道右側出洞口距離原右側隧道最近距離28.16 m,新建隧道與既有新嶺隧道空間關系見圖1。

圖1 新舊隧道空間關系

由于新、老隧道間距離較小，老隧道在施工期間也將會保持營運狀態，新隧道的開挖施工將不可避免地對老隧道的圍巖穩定、結構安全及營運舒適產生極大影響。目前我國山嶺隧道基本采用鉆爆法施工技術，施工過程中爆破發生的動力振動會在很大程度上影響既有運營老隧道圍巖穩定和結構安全，甚至在施工中起到關鍵性的控制作用。為此，必須對新建隧道對既有隧道的爆破振動影響以及衰減傳播規律進行深入研究，以確定新老隧道結構安全。

為了研究分析爆破振動衰減傳播的規律，以該項目為依托背景，在新建隧道爆破開挖過程中對既有新嶺隧道洞室進行監測，通過記錄分析爆破地震波的峰值速度、主頻等參數，研究邊坡爆破開挖對下方洞室安全與穩定的影響。

1 爆破方案及其參數

1.1 鉆爆設計

以較為薄弱的Ⅴ級圍巖隧道爆破施工進行說明，其他不做贅述。施工鉆爆設計每個循環0.6～0.8 m，采用平行空眼直線掏槽、光面爆破技術爆破，共分四部分施工，其炮眼布置見圖2圍巖掏槽孔布置見圖3，Ⅴ級圍巖開挖炮眼參數見表1。

1.2 爆破網絡聯接

隧道爆破主要是非電雷管起爆，通過導爆管引爆非電毫秒雷管而達到引爆炸藥的目的。采用非電毫秒雷管腳線長7 m，有3 m在孔內，4 m在孔外，在網絡聯接時，考慮在半徑3.5 m內的導爆管捆綁在一起后(大把抓)，并用非電雷管引爆。同時考慮到Ⅲ級圍巖爆破時孔數較多，為控制最大單響藥量，需要較多的雷管段別，通常情況下的雷管段別不夠，為此可專門訂購DH-2或DH-3系列具有20個段位系列的雷管或用孔外接力的方式處理。

2 爆破振動測試及結果

2.1 測點設置及儀器安裝

根據新建隧道的爆破斷面位置，初步估計對既有隧道的爆破影響范圍，并在對應斷面邊墻處安設專用的爆破振動測試儀器，一般情況下采用多臺(3～5臺)等間距布置，這樣可以得到襯砌爆破振動運動速度值，同時還可以確定影響范圍。觀測時將儀器調整到采集狀態，起爆時產生的地震波由起爆點向四周傳播，這時在襯砌邊墻上安置的爆破振動儀就會將振動波記錄下來。按照在爆破掌子面對應既有新嶺隧道斷面前后共3～5個斷面進行監測的要求，測振儀布置情況如圖4和圖5所示。

2.2 測試結果及其分析

結合爆破振動理論[1-2]，對監測結果進行分析。選取既有隧道現場采集到的典型測點X方向的振速波形如圖6所示，按振動波形經處理獲得的振動數據見表2。

圖2 Ⅴ級圍巖炮眼布置(單位:m)

部位編號炮眼名稱眼深/m最小抵抗線/m炮眼間距/m眼數/個段別鉆孔角度/°每孔裝藥量/kg段藥量/kgⅠ部1#掏槽眼1.7541901.24.82#輔助眼1.52390123#輔助眼1.52590124#輔助眼1.50.450.735690155#輔助眼1.50.450.736790166#輔助眼1.50.70.737890177#1.50.70.738990188#1.50.70.7391090199#1.50.70.7310119011010#周邊眼1.50.70.461812900.5911#周邊眼1.50.70.462013900.51012#底眼1.50.70.8814901813#底眼1.50.70.8101590110合計10990.8Ⅱ部1#輔助眼1.50.70.881900.75.62#輔助眼1.50.70.883900.75.63#輔助眼1.50.70.885900.75.64#輔助眼1.50.70.867900.74.25#底眼1.50.70.868900.74.26#周邊眼1.50.70.46179900.46.8合計5332Ⅲ部1#輔助眼1.50.70.881900.542#輔助眼1.50.70.8103900.543#輔助眼1.50.70.8115900.55.54#輔助眼1.50.70.8127900.565#底眼1.50.70.8149900.57合計5527.5Ⅳ部1#輔助眼1.50.70.8111900.55.52#輔助眼1.50.70.8112900.55.53#輔助眼1.50.70.8113900.55.54#輔助眼1.50.70.8104900.555#輔助眼1.50.70.8105900.556#輔助眼1.50.70.8106900.557#輔助眼1.50.70.8107900.558#輔助眼1.50.70.898900.54.59#輔助眼1.50.70.879900.53.510#輔助眼1.50.70.8610900.5311#底眼1.50.84911900.54.512#底眼1.50.84912900.54.513#周邊眼1.50.441413900.45.6合計12762.1總計344212.4

圖3 Ⅴ級圍巖掏槽孔布置(單位:cm)

圖4 TC-4850N無線測振儀系統布設

圖5 測振儀測試位置布設

圖6 既有隧道X方向振速波形

由于每次爆破的位置和藥量在改變，而測點位置不變，因此爆區與測點之間的相對位置在變化，爆破地震波的傳播途徑及其經過的地層條件也在變化，使得最終測得的最大峰值振速也不同。

表2 測點爆破振動數據

3 爆破振動衰減系數

按線性回歸分析方法[3-5]，根據前蘇聯學者薩道夫斯基經驗公式

(1)

式中:V為峰值質點振動速度(cm/s)；Q為最大段藥量(kg)；R為爆心距(m)；K和α為回歸系數，與地形地質條件及爆源類型有關。

對式(1)兩邊取對數可得：

(2)

得到：y=b+kx

(3)

基于最小二乘法原理分析可得：

(4)

(5)

聯立式(4)和式(5)即可解得k和b，再將k和b代入到式(3)中可得衰減系數K和α。

結合對既有隧道連續監測到的爆破振動數據，利用最小二乘法原理對爆破峰值振動速度衰減規律進行回歸分析，將水平X方向、水平Y方向和豎直Z方向的三個方向峰值振動速度回歸分析得到衰減系數與規律(表3)。

表3 回歸系數

因此，可得出該工程地質條件下爆破振動速度沿不同傳播方向的衰減規律：

(6)

(7)

(8)

通過回歸分析計算可以看出，爆破振動速度從爆區向既有隧道方向傳播的路徑上的地形條件系數和地質條件系數均較大，這是由于傳播路徑上的巖層存在復雜的節理面以及地層裂隙發育，圍巖較破碎的復雜地形地質條件決定的。根據分析計算得到的衰減規律來預判爆破方案的是否合理以確保施工安全順利進行。

5 結論

(1) 隨著爆區與測點的相對位置的變化，測點的三個方向的最大峰值振動速度之間的比值也在改變，且X方向即水平徑向峰值振動速度最大；

(2) 爆破開挖對鄰近既有隧道穩定性的進行監測分析，可以及時反饋工程中存在的問題，指導后續爆破開挖作業，確保周邊鄰近建筑物的安全與穩定；

(3) 通過數次的監測數據表明在現有爆破方案及裝藥量條件下，洞室是安全的。雖然初步得到的振動速度傳播規律不夠完善，需要進一步研究探明，但為研究爆破振動衰減規律分析提供一定的參考。

[1] 孟吉復，惠鴻斌. 爆破測試技術[M]. 北京：冶金工業出版社, 1992.

[2] 張雪亮, 黃樹棠. 爆破地震效應[M]. 北京：地震出版社，1981.

[3] 汪旭光，于亞倫，劉殿中. 爆破安全規程實施手冊[M]. 北京:人民交通出版社，2004.

[4] 汪旭光. 爆破設計與施工[M]. 北京：冶金工業出版社，2014.

[5] 顧毅成. 爆破工程施工與安全[M]. 北京：冶金工業出版社，2014.

丁海洋(1982～)，男，高級工程師。

U455.49

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[定稿日期]2015-12-02