土巖復合地層條件下爆破振速衰減模型優選

2021-05-14 09:40:30胡鑫濤馮志威張建國司小東

科學技術與工程 2021年10期

朱明，胡鑫濤，馮志威，張建國，司小東，亓寧

(1.青島地鐵集團公司，青島 266100； 2.山東正元建設工程有限責任公司，濟南 250101； 3.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100032； 4.上海勘察設計研究院(集團)有限公司，上海 200082)

隨著中國經濟的發展，城市發展進程日益加快，地下工程建設逐漸增多，采用鉆爆法施工是隧道開挖最經濟合理的一種施工工法。爆破法開挖施工速度相對較快，具有施工工藝簡單、成本低等優點[1-3]，但同時其亦具有明顯的危害性，如爆破振動效應、飛石、煙塵以及噪聲等，均對隧道施工及其環境效應產生不利影響。隨著中國城市軌道交通的發展，地鐵施工穿越城市繁華地段過程中，爆破施工產生的振動效應嚴重影響地面構筑物的安全性，造成經濟損失及不良的社會影響[4-5]。因此，需要加強對地面爆破振動的衰減規律的預測研究。

爆破施工對城市建設產生的影響和嚴重事故引起了一些專家學者的廣泛關注。吳波等[6]通過數值模擬和薩道夫斯基修正公式研究了隧道施工爆破載荷在不同工況條件下對周圍建筑的振動特性。鄧鍔等[7]通過數值模擬的方法確定了頂板厚度對圍巖穩定性的界限。葉宇等[8]通過數值模擬方法研究了隧道與公路相對位置不同，隧道施工對已有公路的影響。對于爆破振動強度的判別依據，不同時代、不同國家所采用的參數略有不同：以美國為代表的西方國家則經歷了以峰值振速、振動加速度、振動能量分布作為標準的過程，并最終確定以振動速度作為判斷標準的安全準則；中國目前將爆破峰值振速作為振動強度判斷標準，并對不同的構筑物輔以爆破振動頻率進行爆破振動安全評判[9]。

炸藥爆炸后，部分爆破能量通過介質向外傳播形成地震波，其為一種與自然地震波相似但又相區別的非常復雜的復合波，由不同幅值、不同頻率與不同相位的各處波型疊加而成，是一種隨機過程；地震波在傳播過程中會由于爆源特性、巖土介質的性質、地形條件、爆破方法、爆源大小的不同而產生衰減現象[10-11]。目前，在爆破振動衰減規律的研究方面以經驗公式法最普遍。中國目前多采用薩道夫斯基公式進行參數優化及爆破設計、振速預測[12]；而薩道夫斯基公式存在一定的局限性，對于復雜地形、地層條件適用性相對較低。因此眾多學者采用多種方法，充分考慮爆破振動測點高差[13]、圍巖損傷[14-16]、振動頻率[17]等因素，不斷優化和修正經驗公式，使其能更合理地預測爆破峰值振速。然而，對于爆破過程的隨機性以及爆破場地差別，爆破振動速度衰減模型并未形成統一的公式，對于不同地區的爆破施工，進行爆破振動控制及預測需進行一定的模型優選與優化，以期形成最佳模型。

現以青島地鐵某暗挖車站臨時斜井下穿建筑群工程為對象，依托于青島土巖復合地層結構，對比分析修正后的經驗公式模型的共同特性，利用MATLAB軟件進行多元模型線性回歸分析，并針對其不足之處進行模型優化、驗證。

1 工程概況

1.1 工程簡介

青島地鐵某車站臨時斜井僅作為車站站廳層施工通道，分明挖與暗挖兩段，其中暗挖段采用全斷面法施工，總長為297.7 m，標準段開挖寬度為5.5 m，高度為5.8 m，設置坡度12.5%。暗挖段與車站主體連接工程下穿兩條城市主干道，期間分布多幢建筑，其中包括教堂、供電站等重要構筑物，對爆破振動的控制要求較高。基本工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置

1.2 工程地質條件

車站結構基本處于微風化巖層，構造小斷裂較多，綜合判定，圍巖等級為Ⅲ2-Ⅲ1級，局部破碎帶為Ⅳ2-Ⅳ1級。

1.3 監測點布置

爆破振動衰減規律研究的現場實測數據主要是通過TC-6850網絡測振儀進行現場監測，該儀器采用最先進的智能化傳感器，自帶WiFi/3G/4G網絡。在施工期間，為了更好地研究爆破振動的衰減規律，采用在一次爆破之后，在地面設置多個監測點進行監控和多次爆破觀察一個監測點記錄結合的方式，更好地研究爆破振動信號的衰變規律。選取爆破點正上方20 m處為監測點1，記錄爆破振動速度，以測點1為原點，每10 m設置一個監測點，共設置11個監測點，分別為ZC01、ZC02、ZC03、ZC04、ZC05、ZC06、ZC07、ZC08、ZC09、ZC10、ZC11，從ZC01到ZC11這段距離在隧道上方，有臨空面，而ZC01到ZC06這段距離為實心巖體，沒有臨空面(圖2)。為了進一步研究埋深對爆破振動速度的影響，隧道沿12.5%坡度繼續開挖，進尺長度為15 m，每5 m位置進行一次爆破，共4次爆破，同時移動地面監測點，使監測點1位于爆破點的正上方。為了控制爆破振動，下穿過程減少了最大段裝藥量(掏槽孔段)，第1段最大爆破裝藥量為1.2 kg，之后每段增加0.2 kg藥量。

距爆破點高程差隨著與測點1相對距離的增加不斷減小，而爆心距隨著與測點1相對位置的增加不斷增大，在了解相對位置變換規律后，通過研究不同參數的影響，研究爆破振動衰減規律，如表1所示。

2 爆破振速衰減規律

爆破振動為一種復雜的瞬態波，其影響因素眾多，難以準確預測。爆破振速的衰減表現在隨著距離的增加，地震波的振動強度會隨之降低。研究表明，采用爆破振動速度預測更好地排除巖土因素的影響，并且與建筑物的破壞特性具有良好的相關性。因此，采用爆破振動速度來進行衰減方程的擬合具有一定有效性[18]。根據爆破振動速度衰減規律，爆破振速必然會隨著時間的增加，振動速度逐漸遞減。如圖3所示，在極短時間內爆破振速峰值達到最高值，之后逐漸降低，體現出爆破過程的瞬時性。爆破振動速度隨著相對距離的增加先增加后降低的趨勢，在距離爆源最近的測點1處達到最大值。

2.1 爆破振速衰減距離效應

不同監測點與爆源的距離不同，導致在不同位置上監測點記錄的峰值振速不同。選取最大段裝藥量為1.2、1.4、1.6、1.8 kg條件下，距離掌子面不同距離測點的爆破峰值振速平均值研究振速的衰減隨距離的變化規律，如圖4所示。

由圖4可知，隨著距離掌子面距離的增加，爆破峰值振速逐漸降低，位于掌子面頂端的測點振速最大可達1.5 cm/s，在距離掌子面0～20 m范圍內，振速的衰減率最大，可達50%以上；且隨著單段最大爆破藥量的增加，爆破峰值振速逐漸增加，但整體的衰減規律一致，說明裝藥量對爆破振速的衰減影響不大，僅對其振速大小有影響。

圖2 監測設備布置

表1 不同測點的基本參數值(爆破藥量為1.2 kg)

圖3 峰值振速隨時間和距離變化的三維圖

圖4 峰值振速隨相對距離的變化

2.2 爆破振速衰減埋深效應

埋深與地表地形密切相關，本次檢測的地表起伏不大，但斜井是按照坡度為12.5 °的角度開挖，因此，地表不同監測點的埋深不同，地形的起伏使爆破應力波的能量轉換，對爆破振速有一定的影響。收集每開挖進尺10 m時掌子面頂端測點的峰值振速，分析不同裝藥條件下峰值振速的大小情況，如圖5所示。

圖5 峰值振速隨高程差變化曲線

由圖5可知，隨著掌子面埋深的增加(及測點與爆心的相對高差增加)爆破峰值振速逐漸降低，且較為平緩，未出現較大波動，說明爆破振速的衰減與高程差有關，但就本次試驗測試而言，其影響相對不大。

2.3 爆破振速衰減空洞效應

由于隧道在掘進過程中掌子面前后方地層不同，導致在掌子面后方受隧道開挖產生空洞效應，使地表監測掌子面前后的振動速度不同，存在區域性比變化的特點。主要表現為已經開挖的隧道振動速度比為開挖的振動速度大，為爆破振動空洞效應的主要特征。本次試驗以掌子面為對稱面，兩側各等距離選取10個監測點，采集10次峰值振動速度，取均值所得結果如圖7所示。

圖6 掌子面前后不同距離的峰值振速變化圖

由圖6可知，掌子面前后的爆破峰值振速大小存在明顯的差異；掌子面后方的峰值振速相對于等距離的掌子面前方測點具有放大效應，放大率在0.26～1.57；且在4～5倍洞徑范圍內放大效應明顯，而在傳播遠端，放大效應逐漸消失。

3 爆破振動衰減模型優選

影響爆破振動速度的因素較為復雜，且不同因素對爆破振動的作用機理不同，因此爆破產生的地震波能量衰減具有一定的隨機性和不可控性。由于不同爆區的地質環境/已有建筑物和施工條件不同，目前在爆破振動衰減規律的研究方面，還沒有形成更為完善和統一的爆破振速衰減預測模型。根據前人的研究，爆破振動的影響因素大致分為炸藥特性和爆破藥量、傳播距離、傳播區的地質結構特征3類。由于爆破振速是由多種因素綜合作用的結果，因此，在進行爆破振動優選時應根據不同的爆破因素選擇合理的爆破振動參數，這樣才能使爆破衰減模型更適用于工程建設。

將爆破峰值振速作為爆破振動強度的評價，一方面符合工程實踐，另一方面亦與中國現行的《爆破安全規程》相適應。為了準確地進行爆破振動強度的預測分析，需要對各因素進行一定程度的簡化。

(1)炸藥特性的簡化：對于某一工程而言，為了工程的可控性，其所采用的炸藥性質差別不大，僅有的差別為裝藥的差異。

(2)地質條件的簡化：對于單測點情況下，其小范圍的地質、地形狀況差別不大，僅須考慮本區域內的地質、場地參數。

3.1 爆破振動速度衰減預測模型

經驗公式法以爆破振動速度衰減經驗公式為基礎，根據爆破振速與爆破參數因素之間的關系，求解一定位置爆破峰值振速，從而得出爆破振動衰減規律。這種方法應用便捷、適用性與操作性強，是爆破工程中應用最廣泛的方法。中國主要采用的是薩道夫斯基經驗公式，即

(1)

式(1)中：V為質點振動速度，cm/s；Q為單響藥量(齊發爆破時為總裝藥量，延發爆破時為最大一段裝藥量)，kg；R為質點到爆源中心的距離，又稱爆心距，m；K、α為爆破方法、地質、場地條件等因素有關的待定系數，又稱K為場地系數，α為衰減指數。

根據薩道夫斯基經驗公式采用最小二乘法求出K=120、α=1.8，之后根據求得的關鍵參數求出不同爆破藥量爆破振動衰減速度，得到基于薩道夫斯基經驗公式的爆破振動速度衰減預測模型(圖7)。

圖7 基于薩道夫經驗公式爆破振速預測模型

其他國家也以薩道夫斯基經驗公式為基礎，根據本國的具體的地質和施工條件對爆破振動衰減模型進行了修正，常見的爆破衰減預測回歸模型如表2所示。

由表2可知，各預測模型公式的基本形式相似，其共同形式可寫作為

V=KQmrn

(2)

式(2)中：V為爆破振動峰值速度；m/s；K、n、m為與爆破方式、地質條件以及場地狀況有關的參數；Q為單段最大起爆藥量，kg；r為爆心距，m。

基于薩道夫斯基經驗公式修正后的預測模型的共同形式，求出待定系數K=265、m=-2.11、n=1.93，基于這個與爆心距相關的模型，求出爆破振動速度預測模型(圖8)。

以薩道夫斯基公式為基礎的預測模型，在地層起伏變化不大，較平整的地形條件下的精度相對較高，而對于地形地貌變化較大的地區仍采用這種模型，精度就會大大降低，之后不同學者為了提高模型預測精度，在模型中引入高程差這一參數，研究不同參數對爆破峰值振速的影響，如周同齡等通過研究爆破地震波在有高差存在的巖層中傳播特征，提出了一個關于爆破質點振動速度的公式，即

(3)

式(3)中：H為測點與爆源之間的高程差，m；L為測點與爆源之間的水平距離，m；α、β為與高程差有關的系數。

圖8 共同形式的爆破振動速度預測模型

表2 常見的爆破振動強度預測回歸模型

王在泉等[19]認為爆破振動衰減過程中坡高的放大效應，結合實際工程驗證，提出質點振動速度公式為

(4)

唐海等[20]采用無量綱分析方法，推導反映地表變形起伏較大時，高程的放大效應公式為

(5)

式中：K為場地系數；K′為地貌影響因素；a為衰減系數；β為高程差影響因素。

根據上述學者對于高程放大效應的研究發現：引入高程差的爆破振動速度的公式的共同形式為

V=KQmLnHi

(6)

式(6)中：m、n和i為與爆破藥量高程差有關的系數。

利用最小二乘法求得K=2.37×10-6，m=1.93，n=-0.05，i=4.15，由此可得爆破振速預測結果如圖9所示。

圖9 考慮高差的爆破振速預測模型

整體上，3種模型隨距離的變化趨勢一致，都是隨著與爆源距離的減小，峰值振速逐漸增高，并且隨著爆破藥量的增加，峰值振速逐漸增加。

3.2 模型優選

常見的爆破振動速度預測模型是基于薩道夫斯基經驗公式進行修正根據不同的地質環境和施工條件選擇修改部分參數。總結來說，包括兩種預測模型，一種是考慮爆破藥量和爆心距的預測模型，第二種是考慮爆破藥量和高程差的爆破預測模型，這幾種模型都能預測爆破振速，但針對不同的地質條件模型的適用性和精度不同，為了更好地優選模型，將這兩種模型和薩道夫斯基經驗公式與實測數據進行對比(表3、圖10)，分析模型和實測數據之間差異。

表3 模型預測數據與實測數據對比(單段藥量為1.8 kg)

圖10 3種爆破振速預測模型與實測數據對比

通過數據分析，可以得到以下結果。

(1)對比3種模型與實測值之間的峰值振速發現，薩道夫斯基經驗公式預測值與實測數值相差較大，不同監測點的平均誤差值達到44.02%，經驗公式通用形式與高差相關公式的預測值與實測數值相差較小，平均誤差值分別為19.51%、17.30%，就預測值的準確性而言，經驗公式通用形式與高差相關公式遠比薩道夫斯基經驗公式更有優勢，但由于本次試驗場地的限制，使高差的影響不大，使經驗公式通用形式與高差相關公式的準確性相差不大。

(2)對比3種模型的曲線形態可知，薩道夫斯基經驗公式的曲線過于平緩，對于掌子面附近爆破振動突變型反映不佳；經驗公式通用形式、高差相關公式的數據變化趨勢與實測數據相近，更貼近實測爆破振動的實際情況，但高差相關公式對于掌子面頂端的預測明顯大于實測數據，更能體現數據的變化率，因此相對而言，高差相關公式能更好地反映爆破振動的衰減規律。

(3)3種模型對于掌子面前后的爆破振動的差異性分布反映不佳，3者掌子面前后誤差差距高達10%以上，因此3者對于空洞的放大效應不能進行預測。