近距爆破施工對(duì)既有隧道振動(dòng)影響分析

葉建龍, 姜正暉, 杜飛天, 肖清華, 俞 濤

(1. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江杭州 310006； 2. 西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

近距爆破施工對(duì)既有隧道振動(dòng)影響分析

葉建龍1, 姜正暉1, 杜飛天1, 肖清華2, 俞 濤1

(1. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江杭州 310006； 2. 西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

以杭金衢高速公路段的新嶺隧道為背景，研究分析新建隧道爆破施工對(duì)鄰近既有隧道的振動(dòng)影響。運(yùn)用理論分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，在充分分析現(xiàn)場(chǎng)施工狀況的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置原理，對(duì)隧道爆破開挖進(jìn)行了合理的測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：(1)爆破施工對(duì)既有隧道水平徑向峰值振速最大；(2)測(cè)點(diǎn)隨距爆破振源距離增加峰值振速減??；(3)合理炮孔布置及爆破參數(shù)的能夠減小爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。該爆破方案可以保證鄰近既有隧道的的安全，可為后續(xù)類似近距離隧道施工提供依據(jù)和借鑒。

爆破工程; 振動(dòng)影響; 既有隧道; 監(jiān)測(cè)

杭金衢高速公路是滬昆高速浙江境內(nèi)的重要路段，新嶺隧道路段拓寬工程為整個(gè)杭金衢高速公路拓寬工程的一部分，也是目前擁堵情況最為嚴(yán)重的一段。隧道工程穿過大平崗-馬樓嶺山脈，地形起伏較大，丘陵區(qū)頂部高程約273.3m，植被茂盛。隧道圍巖以寒武系炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、震旦系粉砂巖地層為主，巖體理節(jié)裂隙發(fā)育，較破碎，質(zhì)較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬。地下水主要為基巖裂隙水，主要接受大氣降水補(bǔ)給，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。進(jìn)出洞口處于沖溝下部，進(jìn)口段洞頂淺部殘坡積層厚度較大，坡緩，有利于地表水匯集入滲。既有新嶺隧道設(shè)計(jì)采用雙向四車道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，左洞長(zhǎng)1 413m，右洞長(zhǎng)1 432.5m，單洞行車道寬度2×3.75m，單個(gè)隧道寬度10.75m，凈高5.0m，隧道軸線走向160°，隧道最大埋深156m，設(shè)計(jì)行車速度120km/h。新嶺隧道為上、下行獨(dú)立分離式隧道，兩隧道軸線間距為41.3m，隧道洞門杭州端為倒削竹式洞門，衢州端為端墻式，于2003年建成通車。

新建新嶺隧道左洞起止樁號(hào)為AZK46+580～AZK47+950，長(zhǎng)1 370m；右洞起止樁號(hào)為AYK46+606～AYK48+065，長(zhǎng)1 459m。新建隧道左側(cè)進(jìn)洞口距離原左側(cè)隧道最近距離27.29m，出洞口距離原左側(cè)隧道最近距離35.62m；新建隧道右側(cè)進(jìn)洞口距離原右側(cè)隧道最近距離23.08m，新建隧道右側(cè)出洞口距離原右側(cè)隧道最近距離28.16m。

工程環(huán)境較為復(fù)雜，新建隧道右洞進(jìn)洞口位于新嶺腳村，出口位于宣家塢村附近，該兩處區(qū)域民房、地方道路以及電力通訊線路密集；左側(cè)洞口位于新嶺腳村附近，處于丘陵斜坡，進(jìn)洞口處植被茂密，出洞口位于黃老山山腳，該處有地方機(jī)耕路，有少量民房，并有電力線橫穿新建隧道設(shè)計(jì)路線。

杭金衢高速公路新嶺隧道擴(kuò)建工程，采用現(xiàn)在山嶺隧道主流施工方法即爆破施工，必然會(huì)對(duì)鄰近既有隧道產(chǎn)生振動(dòng)影響，如果爆破設(shè)計(jì)不合理勢(shì)必對(duì)既有隧道后期正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生巨大損害，甚至破壞。為保證既有隧道穩(wěn)定與安全，為此，在新建隧道爆破開挖過程中對(duì)既有隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過記錄分析爆破地震波的峰值速度、主頻等參數(shù)，研究近距離爆破施工對(duì)下方鄰近既有隧道的振動(dòng)影響。

1 新建隧道爆破方案

為能較好地控制新建隧道對(duì)既有高速公路隧道的振動(dòng)影響，必須確定合理的新建隧道爆破方案。在此僅對(duì)隧道圍巖條件稍好且振動(dòng)影響較大的Ⅳ級(jí)圍巖爆破開挖方案進(jìn)行分析說明，其他不做贅述。

1.1 爆破施工總體設(shè)計(jì)

采用全斷面開挖法進(jìn)行隧道施工，爆破開挖利用YT-28型風(fēng)鉆成孔，人工裝藥，毫秒非電雷管起爆，2#巖石乳化炸藥爆破，每循環(huán)2.0m，爆破、清運(yùn)及安全處理后，及時(shí)噴射砼封閉圍巖，制安錨桿，保證爆破圍巖的穩(wěn)定。

1.2 爆破參數(shù)與炮孔布置

采用楔形掏槽，掏槽眼比其他炮眼深0.25m，周邊眼光面爆破，Ⅳ級(jí)圍巖炮眼布置見圖1和圖2所示，孔網(wǎng)參數(shù)列于表1。

2 爆破振動(dòng)測(cè)試方案

2.1 監(jiān)測(cè)原理與測(cè)試方法

山嶺隧道開挖通常采用的是爆破方式，爆破產(chǎn)生的能量會(huì)以地震波的方式向外傳播，當(dāng)傳播遇到建(構(gòu))筑物時(shí)，建筑物就會(huì)隨之產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)幅值過大時(shí)就會(huì)造成建(構(gòu))筑物的破壞。所以，重要的工程項(xiàng)目采用爆破施工時(shí)，必須進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)新建隧道的爆破斷面位置，初步估計(jì)對(duì)既有隧道的爆破影響范圍，并在對(duì)應(yīng)斷面邊墻處安設(shè)專用的爆破振動(dòng)測(cè)試儀器，一般情況下采用多臺(tái)(3～5臺(tái))等間距布置，這樣可以得到襯砌爆破振動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度值，同時(shí)還可以確定影響范圍。觀測(cè)時(shí)將儀器調(diào)整到采集狀態(tài)，起爆時(shí)產(chǎn)生的地震波由起爆點(diǎn)向四周傳播，這時(shí)在襯砌邊墻上安置的爆破振動(dòng)儀就會(huì)將振動(dòng)波記錄下來。振動(dòng)波在傳播時(shí)由于地層的濾波作用高頻部分很快就會(huì)被吸收掉，低頻部分則會(huì)傳播到很遠(yuǎn)處。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ揭r砌邊墻時(shí)，其破壞性最大的是剪切波(也稱橫波或S波)，其振動(dòng)形式呈水平振動(dòng)，而縱波由于能量小通常情況下不須考慮。利用記錄到的橫波最大振幅則可計(jì)算出爆破引起的振動(dòng)速度最大值，此值是考慮破壞作用的重要技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)規(guī)范和招投標(biāo)文件指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比既可分析出其影響作用。在已知裝藥量和爆破距離及多次測(cè)試得到的多組振速值的情況下，按照薩道夫斯基公式通過最小二乘法進(jìn)行回歸分析，可以得到爆破振動(dòng)影響的大致規(guī)律。

圖1 Ⅳ級(jí)圍巖炮眼布置(單位:m)

表1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

部位編號(hào)炮眼名稱眼深/m最小抵抗線/m炮眼間距/m眼數(shù)/個(gè)段別鉆孔角度/°每孔裝藥量/kg段藥量/kg備 注全斷面1#掏槽眼1.9581631.4511.62#掏槽眼2.4103691.919.03#輔助眼2.065901.7510.54#輔助眼2.0166901.7510.55#輔助眼2.00.70.88147901.7524.56#輔助眼2.00.70.84178901.7529.757#輔助眼2.00.70.87199901.7533.258#輔助眼2.00.70.842110901.7536.259#輔助眼2.00.70.861111901.7519.2510#輔助眼2.00.70.861112901.7519.2511#輔助眼2.00.40.841313901.7522.7512#輔助眼2.00.70.841314901.7522.7513#周邊眼2.00.70.462615900.615.614#周邊眼2.00.70.462616900.615.615#輔助眼2.00.830.82117901.7536.7516#輔助眼2.00.830.772118901.7536.7517#底眼2.00.830.812219901.7538.518#輔助眼2.00.70.46820900.64.8總計(jì)2736916.151.鉆孔時(shí)控制周邊眼外插角3°,底眼下插角4°2.個(gè)別炮眼根據(jù)炮眼間距適當(dāng)調(diào)整裝藥量3.線裝藥藥長(zhǎng)度1.0kg/m,剩余為堵塞長(zhǎng)度

說明：Ⅳ級(jí)圍巖斷面面積118.6m2，炮眼孔徑40mm，藥卷直徑φ32 mm，每循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，采用楔形掏槽，最大單響藥量為36.75 kg，單耗1.7 kg/m3。

圖2 Ⅳ級(jí)圍巖掏槽眼布置(單位:cm)

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

按照在爆破掌子面對(duì)應(yīng)既有新嶺隧道斷面前后共3～5個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)的要求，測(cè)振儀布置情況如圖3和圖4。

圖3 TC-4850N無線測(cè)振儀系統(tǒng)布設(shè)

圖4 測(cè)振儀測(cè)試位置

參考爆破振動(dòng)測(cè)試方法[1-2]，測(cè)點(diǎn)位置的確定需要考慮爆區(qū)位置和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地形條件，從地震波的傳播規(guī)律可知，離爆源較近的地方，爆破振動(dòng)普遍較大，因而進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)綜合考慮這幾個(gè)方面的因素。

2.3 爆破振動(dòng)測(cè)試參數(shù)

我國(guó)的《爆破安全規(guī)程》GB 6722—2014對(duì)該問題未有明確的規(guī)定，只限制地表的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)工程結(jié)構(gòu)在爆破地震作用下的安全性，振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)以水平向爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)為主。

3 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果及其分析

結(jié)合爆破振動(dòng)理論[3-4]，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。由于篇幅有限，在此僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的較為典型的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。3個(gè)測(cè)點(diǎn)典型波形如圖5～圖7所示，其X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)幅值見表2。

圖5 1#測(cè)點(diǎn)X方向振速波形

圖6 1#測(cè)點(diǎn)Y方向振速波形

圖7 1#測(cè)點(diǎn)Z方向振速波形

測(cè)點(diǎn)編號(hào)水平徑向(x)幅值/(cm·s-1)主頻/Hz水平徑向(y)幅值/(cm·s-1)主頻/Hz垂直向(z)幅值/(cm·s-1)主頻/Hz測(cè)點(diǎn)距爆源的距離/m14.232001.522002.5825045.424.142002.682502.4333347.0732.252000.981002.0233347.79

從圖5～圖7和表2中可知，新建隧道爆破施工過程中，X方向即水平垂直于既有隧道軸線方向峰值振動(dòng)速度最大， 明顯高于水平Y(jié)向和豎向Z向，說明爆破開挖施工對(duì)既有隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生的很大影響，同時(shí)隨著測(cè)點(diǎn)與爆源的距離的增加，峰值振速有減小趨勢(shì)，也即說明了新建隧道與既有隧道凈距起到控制作用。但是測(cè)點(diǎn)測(cè)得的爆破振動(dòng)速度并未超過允許振動(dòng)速度值5cm/s，說明此Ⅳ級(jí)圍巖條件下，采用上述炮孔布置及爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，難滿足施工要求。

5 結(jié)論

(1) 在近距離隧道爆破施工時(shí)，其振動(dòng)對(duì)已有建筑物的影響是解決問題的關(guān)鍵，必須進(jìn)行科學(xué)測(cè)試并進(jìn)行合理的理論分析才能徹底探明。

(2) 測(cè)試結(jié)果表明，水平垂直于既有隧道軸向的峰值振動(dòng)速度最大，即正對(duì)爆源方向?qū)扔兴淼牢：ψ畲?，?duì)既有隧道的穩(wěn)定性具有很大影響；隨著測(cè)點(diǎn)距爆源距離的增大，峰值振速又減小趨勢(shì)，說明新建隧道與既有隧道的凈距對(duì)隧道穩(wěn)定性起到控制性作用

(3) 垂直方向和水平爆破振動(dòng)速度均小于洞室允許振動(dòng)速度值5 cm/s，在現(xiàn)有爆破方案及裝藥量條件下，新建隧道的爆破施工對(duì)既有隧道的穩(wěn)定性及正常運(yùn)營(yíng)是安全的。

(4) 由于隧道周圍地質(zhì)條件比較復(fù)雜，加上爆破施工的不可重復(fù)性，在隧道施工工程中，對(duì)洞室振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試應(yīng)重點(diǎn)關(guān)水平徑向，并進(jìn)一步探討優(yōu)化爆破參數(shù)，確保施工的順利進(jìn)行。

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杜飛天(1973～)，男，碩士，高級(jí)工程師。

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[定稿日期]2014-12-02