基于薩道夫斯基公式分段修正的隧道爆破振動研究

徐言

（中交一公局集團有限公司，北京100024）

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，高速鐵路、高速公路等基礎設施建設也迎來了快速的發展時期。隧道掘進工程因地層條件和巖石性質等復雜因素的影響，往往是高速鐵路工程施工的關鍵性控制工程，其施工質量與施工進度情況嚴重制約著整個工程施工過程。在我國，大約有95%的山嶺隧道開挖采用鉆爆法進行施工[1]。在隧道掌子面進行鉆孔、安放炸藥而后爆破開挖的整個施工過程中，炸藥爆炸產生的能量除了用于目標巖體開挖外，剩余的能量還會以振動波的形式向外傳播，產生爆破振動災害[2]。爆破產生的振動波會隨著距離爆破位置的不斷增加而逐漸減小，從最初的爆炸沖擊波衰減為應力波進而衰減為彈性振動波，圍巖體也在爆破沖擊波、應力波和振動波的作用下產生圍巖壓碎帶、裂隙帶以及彈性振動帶。圍巖壓碎與裂隙帶構成開挖巖體，振動波則形成了一個有一定影響范圍的爆破振動場[3]。若該場內存在一些構筑物，如民房、電塔等，爆破振動波作用在構筑物的基礎與結構上，造成構筑物振動、損傷乃至破壞[4]。如何衡量爆破振動產生的影響及范圍一直是工程爆破領域重要的研究方向之一。運用爆破振動波誘發的振動場內既有構筑物節點的振動速度或加速度作為爆破設計與施工安全的判據，是國內外學者在大量工程爆破和長期實踐的基礎上取得的共識[5]。但是，如何計算爆破振動速度，不同國家根據自身的試驗總結出的經驗公式形式不盡相同。

式中: K、α 分別為與工程爆破參數、巖石條件等有關的系數；Q為毫秒延時爆破中最大段裝藥量（kg）；R 為爆心距（m）；V 為監測的峰值振動速度（cm/s）。通過上述公式可以看出，薩道夫斯基公式中各項參數的物理意義明確，現場應用起來也較為方便，通過現場爆破參數與峰值振動速度的獲取可為爆破設計提供理論依據，因此，該方法至今仍是各種工程爆破參數設計與優化重要依據。眾所周知，工程爆破是炸藥在化學反應后作用在巖體上的一個極其復雜的過程，且施工過程中隧道的地層條件和圍巖等級也是在不斷變化的，而薩氏公式中僅考慮了裝藥量、爆心距離等主要參數，圍巖條件、地形參數、裝藥結構等參數都未能加以考慮，爆破振動速度與這些參數和條件之間存在著極其復雜的非線性關系，因此就會導致采用薩道夫斯基公式進行振動速度擬合過程中出現擬合精度不夠等問題。基于上述分析，本文將針對現場實際的監測數據本文針對薩道夫斯基公式進行分段線性擬合研究，使其擬合精度更高，為隧道工程爆破振動分析提供數據支撐。

2 工程背景與現場監測

2.1 工程概況。三棱山隧道是京沈客專線路上重要的隧道工程，隧道位于遼寧省阜新市阜新蒙古自治縣紫都臺鄉南部。隧道全長8888m，最深處的最大埋深為217.56m，隧道為雙向高鐵線路隧道，隧道斷面大，地層條件差，現場爆破施工需盡量控制爆破振動影響。

2.2 隧道爆破方案。隧道采用鉆爆法進行施工，爆破炸藥為2 號巖石乳化炸藥，詳細參數見表1 所示。爆破采用常規的爆破孔布置方式，即布置有掏槽孔、輔助孔、崩落孔、周邊孔、底孔等爆破孔。其中，掏槽孔位于掌子面中下位置，采用楔形掏槽的方式進行布置。爆破孔間距大多為在0.5-0.7m，鉆孔深度為3.0m，具體的爆破分段如圖1 所示。采用預裂爆破以確保爆破質量和控制圍巖損傷，因此周邊孔（MS11）和拱頂孔（MS13）采用間隔裝藥，其余爆破孔采用不耦合裝藥，裝藥長度為2.5m。各段間采用毫秒延時的爆破方式進行，分段時間間隔如表2 所示。

表1 爆破參數

圖1 爆破孔位置及分段情況示意圖

表2 分段爆破的時間間隔

2.3 爆破振動監測

為了更好的研究爆破振動波的傳播規律和其衰減規律，現場在爆破過程同步采用U-Box振動速度監測儀器對隧道爆破振動進行監測，為了提高監測效率，采用2-3 臺U-Box振動速度監測儀按一定的距離線性布置同時對隧道章子面爆破振動速度進行監測，監測儀器及傳感器布置方式見圖2 所示。

圖2 U-Box 儀器及現場監測布置圖

3 分段線性擬合修正的薩氏公式

通過大量監測，共選取了隧道內及隧道外山體上20 個距離章子面不同位置的爆破距離進行爆破振動監測，詳細的監測信息與初步數據處理結果如表3 所示。

表3 不同距離振動場監測數據

采用公式（2）中的薩道夫斯基公式對現場20 組監測數據進行擬合，擬合結果見圖3（a）所示，發現擬合精度很低，考慮到爆破振動波的衰減特性，本節創新性的采用了分段線性擬合的方式對監測數據進行了擬合分析，分段線性的擬合結果如圖3（b）所示。

圖3 隧道振動場監測數據的線性擬合圖

如圖3 所示，基于現場監測數據，無論是采用線性擬合還是分段線性擬合的方式進行擬合，都可知爆破峰值速度的變化規律與距離爆破掌子面間的距離有關。但是采用全部數據的線性擬合曲線可知其擬合精度較低，無法滿足現場爆破振動預測與炸藥參數優化的需求。從可用于指導現場實際工程的需求出發，將距離不同爆破章子面的距離劃分成兩類，分別定義為近場和遠場，根據監測數據分析可知，近場與遠場間的分界距離為110m，圖3（b）中兩組數據（藍色與紅色）分別代表兩組采用薩道夫斯基公式進行分段擬合的線性關系。通過數據分析可知，對于近場的監測數據擬合結果曲線比較平緩，擬合效果非常好，擬合精度高達95%，斜率α=1.082，截距lnK=2.96，K值為19.3。對于遠場的監測數據擬合結果曲線比較陡，擬合效果也有所提高，擬合精度為81%，斜率α=0.372，截距lnK=0.294，K值約為1.23。總體結果反映出近場爆破峰值振速隨距離增大衰減較慢，而遠場爆破峰值振速隨距離增大衰減較快。

4 結論

本文針對隧道爆破振動災害問題進行了系統分析，取得如下研究成果：

4.1 本文通過文獻調研，列舉了我國《爆破規程》中推薦的薩道夫斯基公式，并總結歸納了其優點與存在的潛在問題，提出了可采用分段線性擬合的方式對其進行修正以提高擬合精度。

4.2 以三棱山隧道工程爆破施工為背景，采用U-Box振動速度監測儀器，開展了20 組爆破振動峰值速度監測，獲得距離爆破位置不同距離的爆破振動監測數據。

4.3 針對采用傳統薩道夫斯基公式擬合精度不夠的問題，本文創新性的采用了分段線性擬合的方式對監測數據進行了擬合，界定了爆破振動災害的近場與遠場，并總結提出各自對應的振速衰減特征。