自由面與最小抵抗線對(duì)爆破振動(dòng)的影響分析

何 闖， 尹冬梅， 王海亮， 閆鴻浩

0 引言

掏槽爆破的槽腔為后續(xù)起爆的其他炮孔提供了第2自由面，后續(xù)起爆的其他炮孔自由面數(shù)目越多、最小抵抗線越小，受巖石夾制作用越小[1]。因此，需對(duì)后續(xù)起爆炮孔的單段最大起爆藥量、炮孔間排距等爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。目前，我國(guó)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[2]中規(guī)定的薩道夫斯基公式未考慮自由面與最小抵抗線對(duì)爆破振速的影響，導(dǎo)致后續(xù)起爆炮孔單段最大允許起爆藥量的理論計(jì)算值偏離實(shí)際值，因此，亟需對(duì)已有理論進(jìn)行補(bǔ)充。曹孝君[3]、向亮[4]和王仁濤等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，受自由面條件的影響，不同類型的炮孔爆破引起的振動(dòng)效應(yīng)差異較大，其中掏槽孔爆破振動(dòng)效應(yīng)最強(qiáng)烈； 劉清泉等[6]、汪傳松等[7]、陳星明等[8]、梁雪松[9]和張建平[10]均指出，隨著自由面?zhèn)€數(shù)的增多，爆破振動(dòng)強(qiáng)度降低； 文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]均指出，有自由面時(shí)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)速度比離自由面較遠(yuǎn)的夾制爆破產(chǎn)生的振動(dòng)速度小； 閆鴻浩等[13]指出，測(cè)點(diǎn)與振源的相互位置不同時(shí)，即使測(cè)點(diǎn)在等距離或等高程上，振速的大小也不同； 張南等[14]經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)爆破拋擲反方向產(chǎn)生的爆破地震波對(duì)周圍結(jié)構(gòu)危害相對(duì)較大； 池恩安等[15]發(fā)現(xiàn)自由面越充分，爆破振動(dòng)的危害效應(yīng)越低，越有利于結(jié)構(gòu)的安全； 張成良等[16]通過在預(yù)裂縫內(nèi)、外側(cè)布置測(cè)點(diǎn)，經(jīng)分析得到地震作用最強(qiáng)烈的地方是最小抵抗線的后方。由目前的研究成果可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者側(cè)重于研究自由面或最小抵抗線與爆破振速的關(guān)系，缺少對(duì)自由面、最小抵抗線和爆破振速三者綜合關(guān)系的研究。掏槽爆破成腔后，后續(xù)起爆炮孔的自由面與最小抵抗線均發(fā)生變化。因此，有必要以工作面與槽腔作為自由面確定后續(xù)起爆炮孔的最小抵抗線及其方向，對(duì)爆破振動(dòng)規(guī)律做進(jìn)一步的研究。本文以青島地鐵2號(hào)線延安路站右線TBM始發(fā)導(dǎo)洞近接建筑物爆破施工為背景，通過地表測(cè)點(diǎn)同步監(jiān)測(cè)，研究爆破振動(dòng)、自由面和最小抵抗線三者之間的關(guān)系，以期為爆破方案提供一定的指導(dǎo)和參考。

1 工程概況

延安路站右線TBM始發(fā)導(dǎo)洞位于車站主體南側(cè)、1號(hào)風(fēng)道與車站主體交叉處，沿延安三路敷設(shè)，總長(zhǎng)30.1 m。導(dǎo)洞主要位于中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖帶，局部位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶，圍巖等級(jí)為Ⅳ～Ⅴ級(jí)，采用上下臺(tái)階施工。導(dǎo)洞上覆巖層厚度約為17 m，西南側(cè)6.52 m為金獅大酒店(10層)，要求振速控制在1.5 cm/s以內(nèi)； 東南側(cè)28.1 m為172#居民樓，要求振速控制在0.5 cm/s以內(nèi)。施工現(xiàn)場(chǎng)雷管采用第1系列毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用TC-4850測(cè)振儀監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)振速。右線始發(fā)導(dǎo)洞與金獅大酒店、172#居民樓及測(cè)點(diǎn)的位置關(guān)系如圖1所示。

2 試驗(yàn)爆破方案

因上臺(tái)階是爆破振動(dòng)控制的重難點(diǎn)，本文只對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行研究，共采用3種爆破方案進(jìn)行了試驗(yàn)。3種爆破方案的炮孔間距、炮孔個(gè)數(shù)、起爆網(wǎng)路、雷管段別等爆破參數(shù)相同，只對(duì)炮孔深度和單孔裝藥量進(jìn)行調(diào)整。上臺(tái)階開挖斷面寬7.8 m，高3.9 m，斷面面積23.89 m2，分2次起爆。第1炮爆破掏槽區(qū)域A-Ⅰ和掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ，A-Ⅰ和A-Ⅱ之間用第20段雷管進(jìn)行孔外延期； 第2炮爆破拱頂區(qū)域B。掏槽區(qū)域A-Ⅰ采用多級(jí)楔形掏槽。上臺(tái)階炮孔布置如圖2所示。3種爆破方案的炮孔個(gè)數(shù)均為108。

3種爆破方案的上臺(tái)階掏槽布置如圖3所示。方案1、2和3的爆破循環(huán)進(jìn)尺分別為1.0、1.8、1.5 m，總裝藥量分別為30.2、44.7、37.9 kg。1)第1種方案： 第1級(jí)到第4級(jí)掏槽孔單孔裝藥量分別為0.2、0.4、0.4、0.3 kg，A-Ⅱ區(qū)域的輔助孔、周邊孔及底板孔單孔裝藥量均為0.3 kg，B區(qū)域的輔助孔及周邊孔單孔裝藥量均為0.2 kg； 2)第2種方案： 第1級(jí)到第4級(jí)掏槽孔單孔裝藥量分別為0.2、0.6、0.6、0.45 kg，A-Ⅱ區(qū)域的輔助孔、周邊孔及底板孔單孔裝藥量均為0.45 kg，B區(qū)域的輔助孔及周邊孔單孔裝藥量均為0.3 kg； 3)第3種方案： 第1級(jí)到第4級(jí)掏槽孔單孔裝藥量分別為0.2、0.5、0.5、0.4 kg，A-Ⅱ區(qū)域的輔助孔、周邊孔及底板孔單孔裝藥量均為0.4 kg，B區(qū)域輔助孔及周邊孔單孔裝藥量均為0.25 kg。

(a) 平面位置關(guān)系

圖1右線始發(fā)導(dǎo)洞與金獅大酒店、172#居民樓及測(cè)點(diǎn)的位置關(guān)系(單位： m)

Fig. 1 Relationships among shield launching adit on right line, Jinshi Hotel, residential building #172 and monitoring points(unit： m)

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在右線TBM始發(fā)導(dǎo)洞采用3種不同的爆破方案共進(jìn)行了6個(gè)爆破循環(huán)試驗(yàn)，通過4臺(tái)測(cè)振儀共獲得16組爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，從中選取10組有效的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

除尺寸標(biāo)注外，阿拉伯?dāng)?shù)字均代表雷管段別。

圖2上臺(tái)階炮孔布置(單位： mm)

Fig. 2 Layout of blasting holes on top heading(unit： mm)

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

3.1 爆破數(shù)據(jù)

利用爆破測(cè)振儀的配套軟件Blasting Vibration Analysis分別提取上臺(tái)階不同爆破區(qū)域的最大爆破振速及其出現(xiàn)時(shí)間、出現(xiàn)位置、炮孔深度、自由面?zhèn)€數(shù)、最小抵抗線和爆心距等爆破參數(shù)。本文中最小抵抗線方向“左右”指的是最小抵抗線指向隧道兩側(cè)，首排(列)輔助孔指的是距離輔助孔爆破拋擲自由面最近一排(列)的輔助孔。掏槽區(qū)域A-Ⅰ、掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ和拱頂區(qū)域B的振動(dòng)參數(shù)見表1。

表1 掏槽區(qū)域A-Ⅰ、掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ和拱頂區(qū)域B的振動(dòng)參數(shù)

由表1可知：

1)掏槽區(qū)域A-Ⅰ、掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ和拱頂區(qū)域B的爆破振速峰值分別由第2級(jí)掏槽、首列輔助孔和首排輔助孔爆破產(chǎn)生。由分析可知，掏槽區(qū)域A-Ⅰ第2級(jí)掏槽孔、掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ首列輔助孔和拱頂區(qū)域B首排輔助孔起爆時(shí)，最小抵抗線在同區(qū)域內(nèi)最大。由爆破理論可知，最小抵抗線越小，炸藥爆炸能量釋放得越快，會(huì)有越多的能量形成空氣沖擊波，較少的能量轉(zhuǎn)化為爆破地震波，因此，振動(dòng)強(qiáng)度越小。

2)爆心距、單段最大起爆藥量等參數(shù)相同而自由面?zhèn)€數(shù)不同時(shí)，2個(gè)自由面的平均爆破振速峰值較1個(gè)自由面的小。

3)自由面?zhèn)€數(shù)相同、最小抵抗線方向不同時(shí)，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)峰值不同。

3.2 爆破振速衰減規(guī)律擬合與分析

采用最小二乘法對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸變換，代入表1中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，得到不同爆破區(qū)域的擬合回歸方程。不同爆破區(qū)域的振速回歸曲線如圖4所示，回歸參數(shù)見表2。

(a) 掏槽區(qū)域A-Ⅰ (b) 掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ (c) 拱頂區(qū)域B

圖4 不同爆破區(qū)域的振速回歸曲線

由表2可知：

1)自由面?zhèn)€數(shù)不同時(shí)，K和α的值也不同。自由面?zhèn)€數(shù)增多時(shí)，K值和α值均減小，且K值減小的速度快，α值減小的速度慢。

2)自由面?zhèn)€數(shù)相同時(shí)，由于最小抵抗線方向不同，K和α的值也不同。最小抵抗線方向?yàn)樽笥視r(shí)，K值和α值較最小抵抗線方向向下的小，而單段最大允許起爆藥量理論計(jì)算值較最小抵抗線方向向下的大。

4 右線TBM始發(fā)導(dǎo)洞爆破方案優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案

上臺(tái)階掏槽區(qū)域A-Ⅰ、掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ及拱頂區(qū)域B的場(chǎng)地系數(shù)和衰減系數(shù)各不相同，單段最大允許起爆藥量理論值分別為2.1、5.3、2.8 kg。對(duì)上臺(tái)階優(yōu)化如下：

1)上臺(tái)階爆破循環(huán)進(jìn)尺優(yōu)化為1.8 m，以提高施工效率。結(jié)合原爆破方案炮孔利用率，將掏槽孔最大深度優(yōu)化為2.1 m，輔助孔深度優(yōu)化為1.9 m。

2)掏槽區(qū)域A-Ⅰ是振動(dòng)控制的關(guān)鍵區(qū)域。掏槽仍采用多級(jí)楔形掏槽，第1級(jí)掏槽孔炮孔長(zhǎng)度增加至1.21 m，單孔裝藥量調(diào)整為0.3 kg，可以為第2級(jí)掏槽創(chuàng)造更大的槽腔體積，減小第2級(jí)掏槽產(chǎn)生的爆破振速。考慮到掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ的最大爆破振速由首列輔助孔產(chǎn)生，增設(shè)第5級(jí)掏槽，減小首列輔助孔的最小抵抗線。

3)槽腔形成過程中，只有1個(gè)自由面，故控制掏槽區(qū)域A-Ⅰ第1級(jí)掏槽、第2級(jí)掏槽和第3級(jí)掏槽的單段最大起爆藥量分別為0.6、1.2、1.2 kg； 槽腔形成后，后續(xù)起爆的第4級(jí)、第5級(jí)掏槽孔有2個(gè)自由面，變?yōu)?孔1段(即6個(gè)炮孔使用同一段位的雷管)，單孔裝藥量調(diào)整為0.45 kg，單段最大起爆藥量增大至2.7 kg。

4)掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ爆破振動(dòng)易受控制，故減少其比鉆孔數(shù)，并將輔助孔減少至2排。

5)拱頂區(qū)域B爆破時(shí)，存在2個(gè)自由面，故減少其比鉆孔數(shù)，輔助孔間排距變?yōu)?.9～1.1 m。由于拱頂區(qū)域B輔助孔最小抵抗線方向豎直向下，爆破振動(dòng)較掏槽兩側(cè)區(qū)域A-Ⅱ難控制，故調(diào)整拱頂區(qū)域單段最大起爆藥量為1.8 kg，其中輔助孔單孔裝藥量為0.45 kg，周邊孔單孔裝藥量為0.3 kg。

優(yōu)化后上臺(tái)階炮孔布置如圖5所示，掏槽孔布置如圖6所示，爆破參數(shù)見表3。此時(shí)雷管段位充足，沒必要進(jìn)行分次爆破，故上臺(tái)階變?yōu)橐淮纹鸨?/p>

4.2 優(yōu)化效果

使用優(yōu)化后的爆破方案進(jìn)行8個(gè)循環(huán)的爆破施工，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。優(yōu)化后C2測(cè)點(diǎn)典型爆破振動(dòng)曲線如圖7所示，試驗(yàn)方案2與優(yōu)化后爆破方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表4。

圖5 優(yōu)化后上臺(tái)階炮孔布置(單位： mm)

圖6 優(yōu)化后掏槽孔布置(單位： mm)

炮次炮孔名稱雷管段別炮眼數(shù)炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kgA第1級(jí)掏槽1、3、460．850．300．60第2級(jí)掏槽5～9101．900．601．20第3級(jí)掏槽10～1382．100．601．20第4級(jí)掏槽14～1582．000．451．80第5級(jí)掏槽16～1781．900．452．70輔助孔14～17141．900．451．80周邊孔17～20201．900．301．80底眼孔13、14、18、1991．900．451．35合計(jì)833．6

下、上臺(tái)階一次起爆，1.2 s之前為下臺(tái)階爆破振動(dòng)曲線。

圖7優(yōu)化后C2測(cè)點(diǎn)典型爆破振動(dòng)曲線

Fig. 7 Typical blasting vibration curves of monitoring point C2 after optimization

表4 試驗(yàn)方案2與優(yōu)化后爆破方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論與建議

本文以青島地鐵2號(hào)線延安路站右線TBM始發(fā)導(dǎo)洞近接建筑物爆破施工為背景，對(duì)爆破振動(dòng)與自由面、最小抵抗線的關(guān)系進(jìn)行了研究，并對(duì)原爆破方案進(jìn)行了優(yōu)化。得出的主要結(jié)論與建議如下：

1) 爆破振動(dòng)受自由面與最小抵抗線的共同影響。在爆心距、單段最大起爆藥量相同而自由面數(shù)量不同時(shí)，自由面數(shù)量越多，位于隧道斜上方的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度越小； 自由面數(shù)量相同而最小抵抗線方向不同時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度也不同。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度與最小抵抗線的大小也有一定的關(guān)系，相同條件下，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度隨最小抵抗線的增大而增大。

2) 自由面?zhèn)€數(shù)不同時(shí)，場(chǎng)地系數(shù)K和衰減系數(shù)α也不同。隨著自由面數(shù)量的增多，K值和α值均減小，且K值減小的速度快，α值減小的速度慢；自由面數(shù)量相同而最小抵抗線方向不同時(shí)，K值和α值也不同。不同爆破區(qū)域的K值和α值不同，使得不同爆破區(qū)域的單段最大允許起爆藥量也不同。因此，在爆破設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同爆破區(qū)域的K值和α值分別核算單段最大允許起爆藥量。

本文回歸擬合了不同自由面?zhèn)€數(shù)和不同最小抵抗線方向條件下的場(chǎng)地系數(shù)K和衰減系數(shù)α，但未對(duì)最小抵抗線方向相同而大小不同時(shí)的場(chǎng)地系數(shù)K和衰減系數(shù)α進(jìn)行回歸擬合，只對(duì)爆破振動(dòng)與最小抵抗線的關(guān)系做了理論性分析。后期工作可進(jìn)一步研究最小抵抗線與爆破振動(dòng)的關(guān)系，為優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 何闖, 王海亮. 針對(duì)消除落石危害的爆破參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016(2): 79.

HE Chuang,WANG Hailiang. Research on blasting parameter optimization to eliminate rockfall hazards[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science), 2016(2): 79.

[2] 爆破安全規(guī)程: GB 6722—2014[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2015.

Safety regulations for blasting：GB 6722—2014[S]. Beijing: China Standard Press， 2015.

[3] 曹孝君. 淺埋隧道爆破的地表震動(dòng)效應(yīng)研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué)， 2006.

CAO Xiaojun. Study of vibration effects of ground resulted from blasting in shallow tunnel[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University， 2006.

[4] 向亮. 城市淺埋硬巖大跨隧道開挖爆破振動(dòng)監(jiān)控研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué)， 2009.

XIANG Liang. Monitoring study of blasting vibration of large-span shallow overburden hard rock tunnel in urban area[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2009.

[5] 王仁濤, 王成虎, 宋凱. 青島地鐵超淺埋段爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2015, 11(12): 72.

WANG Rentao, WANG Chenghu, SONG Kai. Study of characteristics of monitoring data for blasting vibration in the ultra-shallow buried section of Qingdao Metro[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015, 11(12): 72.

[6] 劉清泉, 李玉民. 城市地下工程的減震爆破技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 1991(10): 11.

LIU Qingquan, LI Yumin. Vibration reduction blasting technology for urban underground engineering[J]. Coal Science and Technology, 1991(10): 11.

[7] 汪傳松, 彭輝. 雙自由面臺(tái)階爆破最小理論藥包量的計(jì)算[J]. 武漢水利電力大學(xué)(宜昌)學(xué)報(bào), 1999, 21 (2): 114.

WANG Chuansong, PENG Hui. A theoretic formula about the minimum charge quantity needed for two freedom surfaces bench blasting[J]. Journal of University of Hydraulic & Electric Engineering(Yichang), 1999, 21 (2): 114.

[8] 陳星明, 肖正學(xué), 蒲傳金. 自由面對(duì)爆破地震強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J]. 爆破, 2009, 26(4): 38.

CHEN Xingming, XIAO Zhengxue,PU Chuanjin. Experimental study of influence of blasting earthquake strength on free faces[J]. Blasting, 2009, 26(4): 38.

[9] 梁雪松. 自由面對(duì)爆破振動(dòng)的影響研究[D]. 沈陽(yáng): 東北大學(xué), 2013.

LIANG Xuesong. The effects of free surface on blast vibration[D]. Shenyang: Northeastern University, 2013.

[10] 張建平. 自由面數(shù)量對(duì)爆破振動(dòng)規(guī)律影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 現(xiàn)代礦業(yè), 2009(7): 46.

ZHANG Jianping. Experimental research on effects of free surface quantity on blasting vibration laws[J]. Modern Mining, 2009(7): 46.

[11] 熊代余, 顧毅成. 巖石爆破理論與技術(shù)新進(jìn)展[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2002.

XIONG Daiyu, GU Yicheng. New progress in theory and technology of rock blasting[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002.

[12] SINGH P K . Blast vibration damage to underground coal mines from adjacent open pit blasting[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2003, 20(2): 959.

[13] 閆鴻浩, 王小紅. 城市淺埋隧道爆破原理及設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2013.

YAN Honghao, WANG Xiaohong. Blasting principle and design of shallow-buried tunnel in urban area[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2013.

[14] 張南, 方向, 范磊, 等. 微差爆破中起爆順序?qū)Ρ普駝?dòng)的影響分析[J]. 爆破器材, 2013(1): 39.

ZHANG Nan, FANG Xiang, FAN Lei, et al. The influence of initiation sequences on blasting vibration in millisecond blasting[J]. Explosive Materials, 2013(1): 39.

[15] 池恩安, 趙明生, 梁開水, 等. 自由面數(shù)量對(duì)爆破地震波時(shí)頻特性影響分析[J]. 爆破, 2013, 30(2): 16.

CHI En′an, ZHAO Mingsheng, LIANG Kaishui, et al. Influence of number of free surface on time-frequency characteristics of blasting seismic wave[J]. Blasting, 2013, 30(2): 16.

[16] 張成良, 梁開水, 唐海. 預(yù)裂爆破減振作用效果分析[J]. 爆破, 2003, 20(2): 17.

ZHANG Chengliang, LIANG Kaishui, TANG Hai. Analysis of effect of shock-absorption on presplit blasting[J]. Blasting, 2003, 20(2): 17.