隧道爆破振動試驗研究

張先勇 黃 梅 鄒錦州 趙軼凡

(1.華中科技大學土木工程與力學學院 武漢 430074; 2.湖北交通職業技術學院 武漢 430000)

爆破是目前隧道工程中經常采用的施工手段，廣泛應用于工程巖體開挖中[1]。爆炸產生的荷載通常以高速、高壓的沖擊波的形式作用于爆源周圍的巖體上，且其作用時間極短，瞬間釋放的能量使得周邊結構因受到巨大的壓力而出現較大變形從而出現破壞，工程中應用這一原理實現破巖，不斷按工程設計推進開挖斷面，移除指定部位的巖體，從而形成地下空間，實現工程目標。

目前，由于爆破振動本身的復雜性、瞬時性及爆破介質的多變性，致使爆破振動的隨機性很大。目前，爆破理論還不是很成熟，不過還是有一定的成果。在巖體爆破作用原理方面，盧文波等[2]通過分析計算炮孔周邊的徑向裂紋尖端處的應力強度因子，認為由爆生氣體驅動的裂紋擴展可分為2個階段，即穩定擴展階段和非穩定間斷擴展階段。Song等[3]以牛頓第二定律為理論基礎，研究了模型巖石在爆炸作用下出現斷裂的過程。林大超等[4]以空氣介質爆炸為研究對象，探討了爆炸波超壓函數的問題，通過一系列的修正后，提出了改進的計算公式。在爆破地震傳播規律方面，Savage[5]指出，巖體熱彈性效應也能使應力波產生衰減，并且衰減量可以測量得到。White等[6]認為孔隙巖層的固體骨架與孔隙空間內粘滯流體之間相對運動必然引起應力波的衰減，流體運動時損耗衰減更大。逄煥東等[7]根據工程應用的實際需求，借助解析和數值計算相結合的方法，利用計算結果劃分了不同的分區，并且求得了一般情況下不同區域的爆破地震波幅值的變化規律。王觀石等[8]采用彈簧模型描述非充填型結構面，運用彈簧模型討論爆破地震波在結構面的傳播特性。

1 隧道爆破施工概況

小北山一號隧道分左右線布置，左線隧道里程ZK14+390-ZK17+390，長3 000 m，進口設計標高60.876 m，出口設計標高約40.630 m，最大埋深約280 m；右線隧道里程K14+380—K17+388，長3 008 m，進口設計標高約為60.816 m，出口設計標高約40.618 m，最大埋深270 m。

根據隧道地形條件、工程及水文地質情況、隧道埋深，以及所采用的支護措施，確定隧道的施工方案。IV級圍巖采用臺階法開挖，拱部弧形導坑采用微震光面爆破，下部臺階采用一次性爆破施工。

1.1 炸藥及雷管

選用低爆速的炸藥，采用直徑25 mm和直徑32 mm 2種乳化炸藥藥卷。為了更好地實現微差爆破采用非電毫秒雷管。

1.2 非電微差起爆網絡

爆破振動與最大段藥量有極其密切的關系，采用非電微差起爆技術，可以有效控制單段雷管的起爆藥量，又能有效地控制每段雷管的起爆時間，使爆破振動波形不形成疊加，既能保證巖石破碎達到理想的效果，又能消除爆破振動的有害效應。

1) 孔深進尺設計。上臺階采用1.5 m進尺，鉆孔深度1.7 m。

2) 掏槽眼形式設計。上臺階采用三角形三中空眼直眼掏槽，見圖1所示。

圖1 掏槽眼布置示意圖(單位：cm)

1.3 裝藥結構

掏槽眼采用直徑32 mm標準藥卷連續裝藥，掘進眼和周邊眼采用間隔裝藥結構，為更好地達到光爆效果，周邊眼藥卷采用直徑25 mm小直徑藥卷。

上臺階開挖爆破參數見表1。

表1 上臺階開挖爆破參數表

2 爆破振動理論

2.1 爆破振動特點

開挖爆破施工時，炸藥的一部分能量將轉換為地震波，從爆源以波的形式向外傳播，經過介質而到達地表，引起地表的振動，振動的強度隨著爆心距的增加而減弱。當質點振動達到一定的強度時，會引起地表和建筑物、構筑物不同程度的損傷或破壞。

爆破振動與天然地震相比，具有如下特點。

1) 爆破振動峰值非常高，衰減快。一般天然地震在7度地震條件下為0.1～0.15g，8度地震也只有0.2～0.3g，而爆破振動遠大于此。目前世界上記錄到的天然地震加速度最大值僅為數g，而在大爆破的近區測得的加速度高達25.3g。但是爆破振動衰減很快，破壞區范圍小。

2) 爆破振動頻率高。天然地震振動的主頻大多為2～10 Hz，很少超過20 Hz，而爆破振動遠高于此。爆破振動的主頻大多在10～50 Hz，甚至高達100 Hz以上。

3) 爆破振動持續時間短。爆破振動的主振段持續時間一般不超過0.5 s，短者小于0.1 s，而一般天然地震持續時間在10 s以上或更長。

2.2 爆破振動強度預測與分析

開挖爆破時，決定爆破振動強度的因素很多，但主要是藥量和爆心距。用于測算爆破振動強度的公式很多，差異也很大，但目前我國大多采用M·A·薩道夫斯基地震動最大速度經驗公式預測爆破振動強度，即

式中：V為質點最大速度，cm/s；Q為齊爆藥量，kg；R為爆心距，m；K，α為與巖石特性、場地等有關的系數。

為了解不同振速控制標準情況下的安全距離與最大允許齊爆藥量，根據M·A·薩道夫斯基公式與經驗參數進行測算，該隧道工程區花崗巖質地堅硬，根據工程經驗，選用K=250，α=1.8，預測結果見表2、表3。

表2 不同振速控制標準的齊爆藥量與安全距離關系預測表

注：①因影響質點振動速度的因素較多，經驗估算值僅供參考，不作為爆破參數設計依據；②齊發爆破為總藥量，微差爆破為段最大藥量；③未考慮減振措施及地形等影響。

表3 不同振速控制標準的距離與允許最大起爆藥量估算表

由表2、表3可見，在臨近水庫下方的隧道工程爆破作業時，對爆破藥量的控制是非常嚴格的，特別在靠近初支結構、二襯現澆混凝土及隧道上方的水庫大壩壩體時，爆破作業時應更加注意爆破振動影響。

3 水庫壩體爆破振動監測分析

3.1 水庫壩體爆破振動監測點布置

在隧道開挖斷面到達水庫下方時，在水庫壩體布置2個振動監測點，監測點位于水庫壩體靠近隧道爆破爆源區的部位，見圖2。

圖2 爆破振動監測點布置圖

3.2 水庫爆破振動監測結果分析

水庫爆破振動監測采用國產TC-4850爆破測振儀。每臺TC-4850爆破測振儀有3個通道，可以配置1個三矢量速度傳感器，三矢量速度傳感器的3個通道分別對應為：X向為隧道軸向，Y向為垂直豎向，Z為水平切向。可同時記錄3個測點的單向爆破振動或1個測點的三分量振動。當用于測量豎向振動速度時，可連接3個豎向速度傳感器；當用于測量三矢量振動速度時，可連接1個三分量速度傳感器或1個三分量加速度傳感器。

該儀器自帶液晶顯示屏，現場直接設置各種采集參數，能即時顯示波形、峰值和頻率。具有16位A/D分辨率，采用自適應量程。通過USB接口與PC計算機進行數據通訊，運用專用軟件進行處理分析及成果輸出等。

通過整理TC-4850爆破測振儀采集的監測數據，得到水庫壩體爆破振動監測結果如表4所示，水庫壩體2監測點的爆破振動監測波形見圖3。

圖3 爆破振動波形圖

測點爆破振動速度/(cm·s-1)水平徑向X水平切向Y垂直向Z爆破振動控制預警標準/(cm·s-1)爆破藥量/kg滿足規范要求與否1號0．380．250．362．520√2號0．260．170．522．520√

由表4及圖3所示的爆破振動監測結果可以看出：大壩壩體兩測點監測的爆破振動速度均小于爆破振動控制預警標準2.5 cm/s，表明隧道洞內掌子面爆破未對水庫大壩壩體造成不利影響，該段隧道可按既定的鉆爆設計進行爆破開挖施工。

4 隧道洞內爆破振動測試試驗

4.1 爆破振動測點布置

選取小北山一號隧道IV級圍巖段開挖爆破振動進行測試。測試采用上述TC-4850爆破測震儀，儀器觸發臨界值為0.10 cm/s，使用三矢量速度傳感器對X，Y，Z3個方向的振動速度時程曲線進行記錄。

考慮監測的安全性和方便性，選擇隧道上臺階拱腰位置進行測試。

傳感器與測點表面應緊密連接，用熟石膏將傳感器粘結在地表或側壁，以便形成整體振動，保證測試結果正確。在傳感器安裝時，清除表面松散物體，測量表面平整度。

4.2 爆破振動測試結果及分析

圖4為爆破裝藥量為79.2 kg時距離爆源10 m處的測試結果，使用VBA軟件進行三矢量速度合成結果圖。

圖4 距離爆源10 m

由圖4所示爆破振動波形和三矢量速度合成結果可見。

1)X，Y，Z3個方向的峰值振速并不出現在同一時刻。X，Y方向大致在0.71 s產生振速峰值，Z方向在0.18 s產生振速峰值。從波形圖反映可以發現，在此距離內Y方向也即垂直豎向振速占據絕對優勢，X方向振速最小。這可能是因為監測點所在的拱腰位置橫向約束較弱，有較好的振動空間，這就造成了相較隧道軸向和隧道豎向振動速度較大的現象。

2) 合速度振速峰值與Y方向振速峰值大致相同，且出現在0.71 s。合速度振速峰值為5.84 cm/s，符合規范安全要求。

3) 第三段波形和第四段波形之間間隔了較長時間，可能是由于現場爆破時所用雷管采用了跳段處理或引爆時有所延時。

圖5為爆破裝藥量為79.2 kg時距離爆源25 m處的監測結果，使用VBA軟件進行三矢量速度合成結果圖。

圖5 距離爆源25 m

由圖5所示爆破振動波形和三矢量速度合成結果可見：

1)X，Y，Z3個方向的振速時程曲線開始時間和結束時間大致相同，不同的波段對應著爆破時不同的段位。

2)X，Y，Z3個方向的峰值振速并不產生在同一時刻。X方向大致在0.47 s產生振速峰值，Y，Z方向在0.45 s產生振速峰值。

3) 合速度振速峰值比X，Y，Z3個方向的振速峰值都要大，為2.92 cm/s，且出現在0.45 s，與Y，Z方向大體一致，符合規范中的振速要求。

綜合分析監測結果，X，Y，Z3個方向的振速峰值并不出現在同一時刻，這一方面是地震波的不同類型波傳播速度不同造成的；另一方面是同一段地震波在不同距離內對水平、縱向和垂直方向的巖石所造成的振動效應影響是不同的。

三矢量合速度一般比X，Y，Z3個方向的振速峰值最大值要大，同時出現的時間也會有所差異，考慮振速安全范圍時不僅需要判別3個方向的分速度，也要對合速度進行考察。

5 結論

1) 大壩壩體2個測點監測的爆破振動速度均小于爆破振動控制預警標準2.5 cm/s，表明隧道洞內掌子面爆破未對水庫大壩壩體造成不利影響。

2) 根據隧道洞內振動測試結果發現，現場拱腰位置水平切向振速較大。

3) 三向振速峰值點產生時間有所差異，反映出了不同類型波的傳播速度有所不同。

4) 在10 m處產生的合速度振速峰值為5.84 cm/s，符合規范安全要求。

[1] 李小青.隧道工程技術[M].北京：中國建筑工業出版社,2011.

[2] 盧文波,陶振寧.爆生氣體驅動的裂紋擴展速度研究[J].爆炸與沖擊,1994(3):264-268.

[3] SONG J, KIM K. Micromechanical modeling of the dynamic fracture process during rock blasting[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts,1996,33(4):387-394.

[4] 林大超,白春華,張奇.空氣中爆炸時爆炸波的超壓函數[J].爆炸與沖擊,2001,21(1):41-46.

[5] SAVAGE J C. Thermoelastic attenuation of elastic waves by cracks[J]. Journal of Geophysical Research,1966,71(71):3929-3938.

[6] WHITE J E, WALSH D J. Proposed attenuation-dispersion pair for seismic waves[J]. Society of Exploration Geophysicists,2012,35(6):456.

[7] 逄煥東,陳士海.彈性介質中爆破地震波傳播的分區變化規律研究[J].振動與沖擊,2009,28(3):105-107.

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