黃島LPG地下儲庫爆破震動監測與分析

劉 永

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

21世紀是地下工程的大發展時期，地鐵、隧道、地下商場以及地下儲庫的建設工程層出不窮。為了滿足能源儲備的需要，地下LPG儲庫的建設開始興起，為地下空間施工領域提出了一個嶄新的課題。尤其是采用爆破法進行掘進時，震動是否會對地面建筑物產生威脅，以及如何科學地運用監測手段對工程爆破所引起的震動進行有效控制和爆破參數優化，是科研、設計工作者以及施工單位普遍關心的問題［1］。為了達到保護地表建筑物的目的，可以對每一次爆破進行實時監測，根據反饋信息控制裝藥量的大小;但每次都進行監測將大量增加工程建設成本。目前多采用的是爆破過程中對幾次監測數據進行抽查取樣，然后擬合出技術參數。最常用的方法就是根據薩道夫斯基公式，對實測數據擬合求出薩道夫斯基公式中的衰減系數K和α［2］。經實踐證明，薩道夫斯基公式具有參數少、使用簡單方便的特點，但某些情況下預測精度不高。

一些學者從不同方面進行研究，對薩道夫斯基公式進行修正，得到了相應的結果。朱傳統等［3］和許名標等［4］認為振動速度沿高程有放大效應，因而將高程這一變量引入薩道夫斯基公式，對其進行了改進。還有一些學者繼續對高程影響進行深入的探討，并進一步對薩道夫斯基公式進行了修正［5－6］。某些情況下，一些經驗公式雖然預測精度稍差，但簡單、實用且行之有效，而在工程上應用的公式只有簡單、實用才會受到技術人員的青睞。正如譚文輝等［7］在爆破高程效應研究中提出的觀點:K、α是與爆破場地條件有關的系數，高程效應可以通過系數的變化反映出來，從而避開修正公式的繁瑣工作。然而，目前的研究中針對高程對爆破震動的放大影響較多，針對角度(爆源距與掘進面水平投影夾角)對爆破震動影響的研究卻較為少見。

因此，本研究以黃島LPG地下儲庫爆破掘進施工為研究對象，試圖通過現場爆破實測數據，分析爆源距(測點到爆源中心的直線距離)與掌子面二者水平投影夾角因素對地表最大振速的影響，來探尋衰減系數K、α的變化規律，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

黃島LPG(液化石油氣)地下儲庫位于青島市黃島經濟技術開發區，是我國北方最大的LPG地下儲庫，總占地面積約為7.17 hm2，距青島港液體化工專用碼頭僅1.6 km。工程主要建設1座容積為35萬m3的液化石油氣地下水封洞庫和1座容積為15萬m3的丙烷洞庫，同時，建設3個1 000 m3的地上液化石油氣球形儲罐。洞庫多為大斷面開挖，寬為18 m，高為28 m，交通巷道斷面為8 m×7 m(寬×高)。地下儲庫工程效果如圖1所示。本工程巖體主要為中生代燕山晚期堿長花崗巖，又稱白崗巖，其次為各種侵入脈巖。脈巖侵入可分早、晚2期，早期多沿白崗巖近東西向斷裂侵入(NE700～SE 1 000)，呈巖墻狀，分布較規律;晚期脈巖以中基性為主，分布規律差，常常穿插白崗巖和早期脈巖。早期脈巖有花崗斑巖、石英正長斑巖;晚期脈巖多為中基性，如閃長玢巖、輝綠玢巖、二長巖、球粒狀正長斑巖等。

2 監測方案

2.1 監測儀器

監測儀器采用國產最先進的TC－4850型爆破測振儀(見圖2)。每臺測振儀有3個通道，可以連接3個傳感器，監測數據利用傳感器收集感應并由測振儀自動記錄。傳感器的正確安放是監測數據準確的保證，現場采用石膏將傳感器和被測物緊密地粘接在一起，若是土質的可以采用土釘將傳感器頂入，確保傳感器與被測物在受到振動時同步振動。振動速度測試系統如圖3所示。

圖1 地下儲庫工程效果圖Fig.1 Underground LPG storage cavern

圖2 TC－4850爆破測振儀Fig.2 TC-4850 blasting vibration measuring device

圖3 振動速度測試系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of blasting vibration velocity measurement system

2.2 監測方案

監測布置受地形、地貌及其他因素的限制，在地面某些構筑物出現裂縫或當地居民認為震感強烈的部位布置測點。測點可以布置在構筑物距爆破點最近的部位，也可以直接布置在裂隙處。震中區域構筑物較多或地質情況復雜時，針對重點構筑物或重點區域布置監測點，對每次爆破進行監測。

以其中一個爆破斷面監測為例，分為掘進前方測點和掘進后方測點，測點布置如圖4所示。其中，掘進前方地表測點分別用RL0(掘進前方水平徑向測點)、RT0(掘進前方水平切向測點)、RV0(掘進前方垂向測點)表示，掘進后方地表測點分別用RL(掘進后方水平徑向測點)、RT(掘進后方水平切向測點)、RV(掘進后方垂向測點)表示，β和γ分別表示地表垂向測點的爆源距(掘進前方、后方)與掌子面在水平面投影的夾角，且根據對稱性只取銳角測點分析即可(文中后續涉及角β和γ意義均相同)。

圖4 測點布置示意圖Fig.4 Arrangement of monitoring points

3 爆破監測結果分析

質點的振動速度與爆源距以及裝藥量之間的關系按照薩道夫斯基公式給出，即

式中:v為質點的峰值振動速度，cm×s－1;Q為最大段裝藥量，kg;R為測點到爆源中心的直線距離，m;K為與爆破場地條件有關的衰減系數;α為與地質條件有關的衰減系數;為方便文中分析，將定義為比例距離，用S表示。

地下儲庫的巷道掘進采用全斷面光面爆破施工，其中交通巷道(寬×高=8 m×7 m)循環進尺為3 m，炸藥單耗量為1.02 kg/m3;水幕巷道(寬×高=6 m×6 m)循環進尺為2.5 m，炸藥單耗量為1.2 kg/m3，巷道埋深為70～110 m。經實地監測，得到有效監測數據122組，其中，垂直方向有效數據62組，水平徑向有效數據35組，水平切向有效數據25組。由于場地限制以及需要針對相應建筑物進行監測，測點分布規律性稍差。從角度(β和γ)因素出發進行研究，選擇角度漸進變化的波垂向振動數據作為研究對象，如表1所示，其他振動方向波速研究與之類似。

表1 部分測試數據Table 1 Monitoring data

3.1 爆破震動波放大效應分析

多組文獻中已經對爆破震動放大效應進行了闡述［8－10］，但多是從距離入手，未考慮裝藥量的因素。為了研究掌子面掘進前后爆破震動波的放大效應，本文分別以掌子面掘進前、后方相同或相近的比例距離的質點為研究對象，對其垂向振速進行回歸分析，對比結果如圖5所示。

圖5 振速對比曲線Fig.5 Curves of vibration velocity

由薩氏公式可知，比例距離越來越小表示距離掌子面越來越遠。由圖5可見，距離掌子面最近時，掘進前、后方垂向振速均最大，遠離時振速均逐漸減小;距掌子面較近且比例距離相同時，掘進后方質點最大垂向振速要大于掘進前方最大振速;拉大與掌子面距離，在相同比例距離的情況下，二者垂向振速基本一致。因此，在地下工程爆破掘進時，掌子面后方空洞具有放大波速的效應，越接近掌子面這種效應越明顯，越遠離則越不明顯。為了方便可運用比例距離來對振速進行比較，同時觀察表1可見，掘進后方角度γ對這種放大效應同樣有影響，當比例距離相近時，掌子面后方角度γ越是接近于90°，這種放大效應就越明顯，如數據編號9#與10#、17#與18#、20#與21#等等;因此，在地下工程爆破掘進施工中，這種振速放大效應一定要多加注意。

3.2 角度效應分析

為了從角度出發研究掌子面前后質點垂向振速的相關性，本文又分別對掌子面掘進前、后方各質點的垂向振速進行了回歸分析。

對表1中所列質點最大垂向振速數據總體進行回歸分析，得出圖6，發現總體相關性較差。繼續從角度因素出發進行研究，對所得實測數據進行回歸分析。首先對掘進前方數據單獨進行回歸分析得出圖7(1°≤β≤60°)，其相關系數達到 0.8 以上，相關性較好，同時得出薩道夫斯基公式衰減系數K=414.15、α=2.166 4。這是由于掘進前方振動波傳輸介質比較單一，運用公式進行擬合的結果比較準確。繼續對掘進后方數據進行擬合，發現相關性仍然很差。根據角度的變化對掘進后方垂向振速數據進行分組，將0°≤γ≤33°時對應表1中的垂向振速分為一組，γ＞33°時對應的數據分為另一組分別進行擬合，結果如圖8和圖9所示。發現0～33°的擬合相關系數達到0.84，相關性較好，同時得出薩道夫斯基公式衰減系數K=259.67、α =2.076。而 33°以上數據擬合的相關系數僅達到0.45，相關性較差。這是由于掘進后方振動波傳輸時，在小角度情況下，傳輸介質以及波的傳輸過程相對于大角度時要單一，運用公式擬合相關性強;而大角度對應的掌子面后方硐室已經開挖成形，結構復雜，爆破時瞬間爆炸產物高速向空氣中膨脹，周圍空氣壓縮，形成壓力很高的沖擊波，又傳入周圍巖體中直至地面建筑物，波的傳播過程中途徑復雜。因此，相關性隨著角度增加而變差，對掘進后方γ＞33°的重要建筑物進行評估時，必須要單獨對待，并詳細監測。

圖6 總體振速變化規律曲線Fig.6 Variation rule of overall vibration velocity

圖7 掘進前方振速變化規律曲線Fig.7 Variation rule of vibration velocity ahead of excavation face

由此可以看出地下工程爆破掘進時，掘進后方的最大振速存在較強的角度效應。按照分析的結果，將圖7和圖8中所得的衰減系數帶入薩道夫斯基公式，對黃島LPG地下儲庫其他位置爆破進行了震動波預測，經實踐證明預測效果較好。

圖8 0°≤γ≤33°時振速變化規律曲線Fig.8 Variation rule of vibration velocity when 0°≤γ≤33°

4 結論與建議

在地下工程爆破掘進時，掌子面后方空洞具有放大波速的效應，越接近掌子面這種效應越明顯，越遠離則越不明顯。掘進后方角度γ對這種放大效應同樣有影響，當比例距離相近時，掌子面后方角度γ越是接近于90°，這種放大效應就越明顯。爆破時存在角度效應，即針對掘進后方擬合時，若爆源距與掌子面在水平面的投影夾角為0～33°時，監測數據相關性較強，大于33°時相關性較差。

在地下工程爆破掘進施工中，這種振速放大效應一定要多加注意。對掘進后方γ＞33°的重要建筑物進行評估時，必須要單獨對待，并詳細監測。由于條件的限制，本文只用有限的數據進行了分析，若數據更多，運用薩道夫斯基公式進行擬合時，得出的K、α值可指導其他位置爆破掘進預測，對爆破方案進一步優化。

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