大帽山隧道爆破振動監測與分析

溫章壽

（寧德沈海復線雙福高速公路有限責任公司，寧德 352100）

1 引言

近年來，隨著國民經濟的發展，高速公路的通車里程逐年遞增， 不但由經濟發達的東部平原丘陵區逐漸延伸到了西部崇山峻嶺區， 而且越來越多的高速公路由于交通流量趨于飽和而被擴建， 如沈大高速公路、 京滬高速（江蘇段）、泉廈高速公路等，因此公路隧道的改建、擴建如火如荼的進行，且多呈現出大斷面、小凈距、隧道群、邊施工邊通車的特點[1]。小凈距隧道作為特殊地形條件下解決高等級公路布線很有效的一種結構形式， 越來越得到廣泛的應用[2]。

小凈距隧道的爆破施工產生的地震動極大地威脅臨近隧道結構的安全， 極易造成臨近隧道圍巖和支護結構的損傷，甚至有可能使之破壞或坍塌，如日本的荻律公路隧道、磁浮試驗線上初狩隧道以及意大利的LO-cooCdin公路隧道，國內西康線響水溝隧道、湘黔鐵路增建Ⅱ線坪口隧道、流潭隧道等，都因隧道間距小，爆破振動引起臨近隧道襯砌開裂、剝落等災害發生。因此在小凈距隧道的施工過程中，除了嚴格控制爆破外，還要對臨近隧道的振動響應進行現場監測，以控制、優化爆破施工，來減少或避免爆破施工對臨近隧道的損害[3-4]。

本文以大帽山隧道的工程實踐為例， 研究小凈距隧道在近爆源作用下的振動響應規律， 為類似的工程實踐提供借鑒，為今后深入的理論研究提供參考。

2 大帽山隧道概況

大帽山小凈距隧道群位于泉廈高速公路的廈門段，距廈門市區約8 km。 原有大帽山隧道分為左、右兩洞，為雙洞分離式隧道，兩隧道行車道中線間距為50 m。 大帽山小凈距隧道群即擴建后的隧道， 擴建方案為在原兩洞之間新建一四車道隧道， 并將現有兩車道的右洞擴建為四車道隧道，這樣就形成了大斷面小凈距的隧道群，從左至右有：原有左洞(施工期間維持通車)，新建四車道隧道(先行施工，建成通車后代替原有右洞)，擴建四車道隧道(后施工)。 隧道設計斷面圖如圖1 所示。

圖1 大帽山小凈距隧道群設計斷面圖(單位：m)

大帽山小凈距隧道群為直洞， 隧道起止里程為ZK459+ 600～ZK460+120， 全長600 m， 最大開挖寬度為22 m，高度為13.1 m，左、右凈距分別為5.89，8.83 m；大帽山隧道區屬構造剝蝕微丘地貌， 地處大帽山體與石掘山體鞍部，山包呈渾圓狀，中部最大埋深147 m，洞口段淺埋； 隧道穿越的地層為強-弱風化的花崗巖和凝灰熔巖，隧道圍巖從洞口向里依次為V，IV，III 和II 級；場區地質構造條件相對穩定， 除洞口段外， 節理裂隙均不發育，巖體較完整，裂隙塊狀結構，洞口V 級圍巖段節理裂隙較發育，巖體強-微風化；隧道場區地下水不發育，主要為孔隙裂隙水和基巖裂隙水，富水性及導水性弱，主要接受大氣降水補給，向溝谷排泄，流量隨季節變化較大[5]。

新建四車道隧道采用新奧法設計和施工， 鉆爆開挖采用光面爆破技術， 以減少爆破振動對中夾巖的損傷和原有隧道支護結構的動態響應，淺埋、地質條件差的洞口V 級圍巖段采用雙側壁導坑法開挖。 開挖步序是I，II 導洞交錯開挖若干米后，III，IV 導洞再跟進，V，VI 導洞最后開挖，開挖步序如圖2 所示。

圖2 Ⅴ級圍巖段開挖步序圖及鉆爆圖

其中第Ⅰ步爆破開挖的爆破參數如表1 所示：

表1 第Ⅰ步爆破開挖參數表

3 爆破震動現場監測

3.1 監測方案

Chen S G[6]、Yang R[7]、陽生 權[8]等人研究表明，迎爆側中間巖柱振動速度是遠離巖柱背爆側振動速度的幾倍甚至幾十倍， 且最大振動速度出現在迎爆側的邊墻和拱部。因此，本工程的爆破振動監測點主要布設在迎爆側中間巖柱的邊墻。 每個測點布置徑向、切向和垂直方向各3個傳感器。 測點及傳感器布置遵循以下原則：

（1）最大振動發生的位置和方向監測，測點間距為30m；

（2）爆破振動效應跟蹤監測；

（3）爆破振動波衰減規律觀測，測點間距為10m。

3.2 監測結果

由于爆破藥量及炮眼數量與開挖面面積、 巖石強度、炮眼直徑、掘進深度、炮眼裝填系數、炸藥品種等因素有關[9-10]。 在隧道爆破施工過程中，監測組對不同里程、不同藥量等下的爆破振動進行了實時監測， 獲得20 組60個有效監測數據，如表2 所示：

表2 爆破振動監測結果

以上監測結果表明，爆心距越小振動速度最大，越大振動速度越小，各測點振動速度在徑向方向最大，切向方向及垂直方向均小于徑向方向的速度。

4 監測結果初步分析

4.1 爆破振動典型波形

振動波形圖3 表明， 第一段起爆的掏槽眼引起的爆破振動速度最大，大量振動監測數據同樣說明這一點，所以作為單自由面的隧道光面爆破， 掏槽眼是振動控制的重點；相鄰兩段爆破振動波形彼此分離，表明延遲時間足夠長，各段爆破引起的振動獨立傳播，振動并沒有發生疊加而加強；爆后既有隧道并沒有發生明顯的變形，新建隧道的開挖輪廓較規整，超、欠挖現象并不明顯，炮渣大小適中；表明爆破設計施工基本合理，剛好達到預期效果。

從振動波衰減規律可看出， 只要每段爆破時差在50ms 以上，振動波將不會出現重疊增大現象。

圖3 典型爆破地震波時程曲線

4.2 數據回歸分析

采用爆破地震波衰減常用公式———薩道夫斯基公式作為回歸數學模型：

式中，V 為峰值質點速度（cm/s）；

Q 為最大單響炸藥量（kg）；

R 為測點與爆源的距離（m）；

K、α 為與爆破場地、地質條件有關等條件有關的系數。

V=Kρα

將現場監測數據進行回歸分析，求得K 和α 值。 由此獲得隧道不同圍巖中爆破地震波衰減規律。

切向振動速度薩道夫斯基回歸數學模型為

V=48.91ρ1.36

其中R=0.82m；

徑向振動速度薩道夫斯基回歸數學模型為

V=94.15ρ1.45

其中R=0.80m；

垂直振動速度薩道夫斯基回歸數學模型為

V=31.58ρ1.08

其中R=0.84m；

矢量合成的振動速度薩到夫斯基回歸數學模型為：

V=107.01ρ1.36

其中R=0.92m。

圖4 V—ρ 關系曲線

利用以上獲得的隧道爆破施工地震波傳播衰減規律，可以對下一次爆破產生的振動速度進行預測，實踐表明，在大帽山隧道中取得非常好的效果。

5 結論

（1）監測結果表明，掌子面處的振動速度最大，在掌子面前各點隨離掌子面距離的增加而遞減， 且衰減速度比掌子面后各測點衰減速度快， 各測點振動速度在徑向方向最大，切向方向及垂直方向均小于徑向方向的速度。

（2）測點最大振動速度一般發生在掏槽爆破（第一個峰值） 時， 可見隧道爆破作為單自由面條件下的巖石爆破，其關鍵技術是掏槽，因而控制爆破振動應把重點放在掏槽孔上。

（3）宜嚴格控制爆破總藥量和單段最大爆破藥量，以減輕爆破振動強度， 且只要分段爆破段差應小于50sm，爆破振動波將不會出現疊加現象。

（4）實踐表明，利用上述介紹的薩道夫斯基回歸數學模型能夠很好預測爆破振動速度， 且大帽山隧道爆破振動峰值速度不宜大于50cm/s。

（5） 相似條件下隧道爆破振動控制可以只監測與爆源斷面相同的中夾巖墻上的徑向振動， 從而簡化爆破振動監測。