隧道爆破振動在地層中的傳播規(guī)律分析

1 引言

隧道施工中掌子面爆破會對鄰近地表既有建筑物和已有的地下交通建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響， 為有效控制爆破振動的影響，許多學(xué)者對爆破振動傳播規(guī)律進(jìn)行研究。羅陽等[1]利用ANSYS 進(jìn)行小凈距隧道爆破振動的數(shù)值模擬，得出振速不僅隨著凈距的增大而增大，而且跟裝藥量成正比。 陳沛等[2]依托武漢地鐵5 號線爆破項目， 利用ANSYS-Lsdyna 平臺對地鐵隧道掏槽眼延時爆破進(jìn)行模擬， 得出隨著掏槽眼延時時間的增加爆破對既有建筑物的振動逐漸減小。吳波等[3]通過FLAC 3D 模擬隧道爆破對既有建筑物的影響， 得出迎爆側(cè)襯砌拱腰處的振動速度最大。宋戰(zhàn)平等[4]通過數(shù)值模擬和非線性模糊層次分析相結(jié)合的方法， 得出鄰近既有建筑物時隧道爆破方案優(yōu)化的新方法。 王秋懿[5]通過Lsdyna 模擬交叉隧道掌子面爆破的振動， 研究隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在受到鄰近隧道施工爆破影響下的振動規(guī)律。于建新等[6]對大斷面隧道爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究不同爆炸設(shè)計參數(shù)下的振動規(guī)律。 單仁亮等[7]基于現(xiàn)場爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究不同炮眼的爆破振動傳播規(guī)律。季相臣等[8]基于貴陽某隧道項目，研究大斷面小凈距隧道爆破時掌子面前方振動傳播規(guī)律。張業(yè)偉[9]通過現(xiàn)場爆破試驗對施工階段爆破振動的控制技術(shù)進(jìn)行研究。

從以上學(xué)者的研究可以看出， 目前對隧道爆破鄰近既有建筑物方面的振動規(guī)律的研究較少， 本文依托安六高鐵地宗隧道進(jìn)行爆破試驗，對爆破振動的傳播進(jìn)行研究，基于回歸分析確定爆破參數(shù)，得出爆破振動衰減公式，并將該公式用于地宗隧道爆破方案的設(shè)計，優(yōu)化了爆破參數(shù)。

2 工程概況

地宗隧道進(jìn)口里程樁號為DK41+720， 出口里程樁號為DK44+765，全長3 045 m，最小埋深約12 m，地表居民密集，隧道爆破施工引起的地震效應(yīng)過大會影響居民的安全生活和建筑物的安全使用。 隧道與建筑物位置關(guān)系示意圖如圖1 所示。

圖1 隧道與建筑物位置關(guān)系示意圖

隧道位于六枝向斜南翼，自然坡度20°~60°，局部陡立。隧址區(qū)穿越構(gòu)造低中山區(qū)，相對高差290 m。 隧道縱斷面圖如圖2 所示。

3 爆破試驗方案

3.1 試驗監(jiān)測儀器

爆破測振儀應(yīng)具備以下功能：可靠的自動觸發(fā)裝置；可以設(shè)置負(fù)延時記錄；可以收集垂向、徑向、緯向的振速和頻率；采樣頻率要遠(yuǎn)高于測試信號；基于以上要求，選取TC-4850 爆破測振儀。

3.2 試驗測點布置

試驗測點布置的合理性對爆破振動監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性起到很重要的作用，本文主要研究爆破振動的傳播規(guī)律，測點應(yīng)針對研究對象在關(guān)鍵位置進(jìn)行布點，因此，選取DK42+430 為爆破試驗掌子面，在距離爆心30 m、33 m、37 m、53 m、67 m 布置監(jiān)測儀器，測點布置如圖3 所示。

3.3 試驗爆破方案

隧道采取兩臺階法施工， 上臺階單循環(huán)開挖進(jìn)尺2.4 m，基于現(xiàn)場的地質(zhì)條件，隧道爆破采用光面爆破，周邊眼間距為60 cm，掏槽眼豎向間距為20 cm，底板眼間距為100 cm，炮孔布置如圖4 所示。

圖4 炮孔布置圖（單位：cm）

3.4 爆破試驗結(jié)果

試驗段共布置5 個測點， 對兩次爆破在地層中引起的垂直方向（垂向）、隧道軸向（徑向）、水平切向（切向）的振速和頻率進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1 所示。 為了準(zhǔn)確地呈現(xiàn)爆破振動在地層的傳播規(guī)律， 將兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值作為該測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 爆破試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 振動速度分析

圖5 是地層中不同方向的爆破振動速度曲線， 從圖5 可以看出， 振速在3 個方向上均呈現(xiàn)出隨著爆心距的增大而逐漸減小，同時可以發(fā)現(xiàn)3 個方向振速中垂向最大。 振速變化曲線在爆破近區(qū)測點與測點間的斜率大于爆破遠(yuǎn)區(qū)， 這表明在爆破近區(qū)振速降低的速度大于爆破遠(yuǎn)區(qū)， 符合現(xiàn)場實際的爆破傳播規(guī)律。

圖5 爆破振速曲線

4.2 振動頻率分析

圖6 是測點振動頻率隨爆心距變化曲線圖，由圖6 可知，爆破振動頻率在地層中3 個方向上均表現(xiàn)為“單峰”狀態(tài)，即頻率迅速增加然后逐漸減小的變化規(guī)律， 但與振速曲線相對比， 振動頻率并沒有表現(xiàn)出隨著爆心距的增加嚴(yán)格衰減的趨勢。

圖6 爆破振動頻率曲線

4.3 振速波形分析

圖7 是測點振速時程圖，VZ、VY、VX分別代表垂直方向、隧道軸向、水平切向3 個方向的振動速度。 從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的變化測點振速呈現(xiàn)出迅速增大逐漸衰減的變化規(guī)律。 由圖7 可知，由于0~200 ms 內(nèi)隧道爆破裝藥量大，爆炸時臨空面少，因此，該時間段爆破振速最大。在200~500 ms 段VZ方向振幅較小。 由于其余兩個方向在傳播途中有臨空面，因此在3 個方向中VZ最大。

圖7 振速時程曲線圖

5 回歸分析

由于不同圍巖巖性差別很大， 采取經(jīng)驗參數(shù)確定的薩氏振動衰減公式，不能準(zhǔn)確反映振動傳播規(guī)律，對于計算爆破控振設(shè)計存在一定的誤差。 因此，有必要基于現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析，確定該場地段的K、α 值，從而得出該場地段的振動衰減公式。 最小二乘法時是一種非常有效且廣泛使用的回歸分析方法，其分析方法如下。

設(shè)監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)：（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）， …，（xn，yn），將監(jiān)測數(shù)據(jù)采用一元線性回歸方程進(jìn)行擬合分析，方程如下：

因此，需采用最小二乘法確定k 和b 的值。

剩余誤差的平方和ξ 最小是最小二乘法確定k 和b 的最終條件。

根據(jù)高等數(shù)學(xué)極限定理， 要使得ξ 最小必須滿足以下條件：

其中：。

將振動衰減公式（7）轉(zhuǎn)化為線性方程（8），根據(jù)現(xiàn)場爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于最小二乘法，擬合得出場地相關(guān)系數(shù)k、α。 得出k 值為212.5，α 值為1.6471，其回歸曲線如圖8 所示。

圖8 爆破數(shù)據(jù)最小二乘法回歸曲線圖

式中，V 為建筑物最大安全質(zhì)點振速，cm/s；Q 為爆破最大單段藥量，kg；R 爆破振動安全允許距離，m；k、α 為與場地條件有關(guān)的系數(shù)。

從圖8 可以看出，得出的回歸曲線具有較好的擬合效果，利用擬合推導(dǎo)爆破振動衰減公式是可行的， 將上述k、α 值代入式（7）獲得該場地段的爆破振動衰減公式為：

圖9 不同最大允許振速下的最大單段炸藥量與爆心距關(guān)系圖

6 結(jié)論

論文依托安六高鐵地宗隧道項目，進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗。 對兩次爆破在地層中引起的垂直方向（垂向）、隧道軸向（徑向）、水平切向（切向）的振速和頻率進(jìn)行監(jiān)測，基于試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行爆破振動在地層中的傳播規(guī)律研究。 得到以下結(jié)論：

1）通過振速、頻率曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，振速在地層中不同方向呈現(xiàn)出隨著爆心距的增大而逐漸減小， 同時可以發(fā)現(xiàn)3 個方向振速中垂向最大。 爆破振動頻率在3 個方向上均表現(xiàn)為“單峰”狀態(tài)，即頻率迅速增加然后逐漸減小的變化規(guī)律。

2）通過測點振速時程圖得出測點振速隨著時間逐漸減小最終振動速度降為0， 同時發(fā)現(xiàn)垂向振速 （VZ） 比徑向振速（VY）、切向振速（VX）衰減更快。

3）對監(jiān)測數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，獲得了試