爆破振速自動化監(jiān)測在地鐵保護區(qū)的應用

李永闖，劉海泉，康松，宗英杰，安慶軍，王軍

(1.青島國信海天中心建設有限公司，山東 青島 266071； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033)

爆破振速自動化監(jiān)測在地鐵保護區(qū)的應用

李永闖1*，劉海泉1，康松1，宗英杰1，安慶軍2，王軍2

(1.青島國信海天中心建設有限公司，山東 青島 266071； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033)

隨著國內(nèi)自動化監(jiān)測探索的不斷發(fā)展，研究基坑爆破開挖所產(chǎn)生的爆破振速對周邊環(huán)境及構(建)筑物造成的影響，也可采用自動化振速采集的方式。本文結合青島地鐵某線某區(qū)間隧道保護區(qū)自動化監(jiān)測工程，闡述爆破振速自動化監(jiān)測在地鐵保護區(qū)的應用。在基坑項目影響范圍內(nèi)的地鐵隧道內(nèi)，按斷面布置監(jiān)測點，測試現(xiàn)場采用WiFi無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，基于TCP/IP網(wǎng)絡和云計算技術，配套相應的網(wǎng)絡設備和專用監(jiān)測軟件等，搭建整個爆破振動在線監(jiān)測平臺，由自動監(jiān)測控制中心數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)測點狀態(tài)、數(shù)據(jù)的實時在線發(fā)布、管理及超限報警功能，為前期試爆階段調(diào)整爆破參數(shù)提供依據(jù)，為后期爆破對臨近的地鐵隧道的振動影響，提供了分析依據(jù)。

爆破振速；自動化監(jiān)測；裝藥量；地鐵保護區(qū)

1 引 言

近多年來，城市地鐵建設如火如荼地進行，全國擁有地鐵的城市也在逐步增加，城市建設中，鄰近地鐵隧道的基坑爆破施工時，應嚴格控制爆破振速，減少基坑爆破施工對地鐵結構的影響，因此對于地鐵保護區(qū)內(nèi)爆破振速的監(jiān)測顯得尤為重要。

隨著國內(nèi)自動化監(jiān)測探索的不斷發(fā)展，研究基坑爆破開挖所產(chǎn)生的爆破振速對周邊環(huán)境及構(建)筑物造成的影響，也可采用自動化振速采集的方式。本文結合青島地鐵某線某區(qū)間隧道保護區(qū)自動化監(jiān)測工程，闡述爆破振速自動化監(jiān)測在地鐵保護區(qū)的應用。

2 工程概況

2.1 工程簡介

青島市某基坑工程開挖深度約 22 m～28 m，基坑周長約 800 m。工程北側緊鄰地鐵某區(qū)間，其地下室外墻線與地鐵某區(qū)間右線距離 14 m～21 m；基底標高約 -16.68 m；緊鄰的地鐵某區(qū)間隧道拱底標高為 -20.5 m～-23 m，拱頂標高為 -12 m～-16.9 m；基坑在施工過程中需用到爆破施工，可能引起地鐵區(qū)間隧道結構變形，從而影響地鐵區(qū)間結構安全。地鐵隧道內(nèi)徑約 5.2 m，高 5.3 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)報告，工程場區(qū)第四系主要由全新統(tǒng)人工填土組成，局部見洪沖積層成因的黏性土及含黏性土粗礫砂，場區(qū)基巖主要由燕山晚期粗粒花崗巖及后期侵入的細?；◢弾r、花崗斑巖、煌斑巖脈組成，局部受構造影響形成擠壓破碎帶。地鐵隧道拱頂標高以上土層主要為素填土、黏土、強風化帶、中風化帶，圍巖基本質(zhì)量級別為V級。地鐵隧道拱頂標高以下土層主要為微風化巖層，巖體基本質(zhì)量等級Ⅱ級～Ⅲ級。

3 監(jiān)測點布設

根據(jù)本工程特點及地鐵公司的相關要求，在基坑項目影響范圍內(nèi)的地鐵隧道內(nèi)，每 20 m設置一個斷面，共設置13個斷面，每斷面布設爆破振動監(jiān)測點—TP3V-4.5三向振動速度傳感器2點，一點選在靠近基坑側的側墻上，另一點選取在拱頂以下，向靠近基坑一側偏移，避開施工單位的供電電路等設施的位置，如圖1、圖2所示。每個監(jiān)測點需提供垂向、徑向及切向振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，共計布設爆破振動監(jiān)測點26點，如圖3所示。

圖1 爆破振動監(jiān)測點斷面圖 圖2 爆破振動監(jiān)測點斷面影像

圖3 爆破振動監(jiān)測點平面示意圖

4 爆破自動化監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)概述

爆破振動采集儀采用UBOX-6016型振動測試儀和TP3V-4.5三向振動速度傳感器，測試現(xiàn)場采用WiFi無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，基于TCP/IP網(wǎng)絡和云計算技術，配套相應的網(wǎng)絡設備和專用監(jiān)測軟件等，搭建整個爆破振動在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)測點狀態(tài)、數(shù)據(jù)的實時在線發(fā)布、管理及超限報警功能，系統(tǒng)結構示意圖如圖4所示。

圖4 爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，本系統(tǒng)是由振動測試儀、兩臺無線數(shù)據(jù)基站、WiFi中繼設備以及相應的傳感器、光纖通訊設備等構成。

本工程共設置爆破振動監(jiān)測點13個斷面26點，每點均進行X、Y、Z三向振動速度的監(jiān)測，需安裝26臺動測試儀和26個三向振動速度傳感器，通過WiFi中繼設備等組成無線分布式測量網(wǎng)絡，這個分布式測量網(wǎng)絡由一臺無線數(shù)據(jù)基站統(tǒng)一管理，并通過光纖聯(lián)接豎井口外的另一臺無線數(shù)據(jù)基站，該基站通過 3G/4G網(wǎng)絡聯(lián)接TopCloud云端數(shù)據(jù)中心，將相關數(shù)據(jù)和設備信息上傳到TopCloud供用戶查詢；同時，遠程控制中心通過TCP/IP網(wǎng)絡與TopCloud云端數(shù)據(jù)中心通信，完成遠程讀數(shù)、參數(shù)設置等工作。

4.2 爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

(1)振動測試儀布置

本系統(tǒng)共配置了26臺UBOX-6016型振動測試儀，裝在壁掛式儀器箱中，平均分布安放在隧道壁上。每臺聯(lián)接1個TP3V-4.5三向振動速度傳感器。每個采集通道的采樣率可同時達到250 KSps，具有16 Bit的分辨率和8 M字節(jié)的板載緩存，完全滿足爆破測振的測試需求。

TP3V-4.5三向振動速度傳感器是專用于爆破振動測量的磁電式傳感器，能夠同時測量垂向、徑向及切向的振動速度，采用傳感器壁裝支架固定在隧道斷面測點上(高度2 m)，通過多芯信號線纜聯(lián)接至PCI-25016振動信號測試儀的輸入通道。PCI-25016振動信號測試儀如圖5所示。

圖5 PCI-25016振動信號測試儀

UBOX-6016型振動測試儀內(nèi)置無線WiFi功能，可無線傳輸振動數(shù)據(jù)至隧道內(nèi)的ABOX5450無線數(shù)據(jù)基站，考慮到WiFi傳輸距離限制，本系統(tǒng)又配置了WiFi中繼設備，保證隧道內(nèi)的無線數(shù)據(jù)可靠傳輸。

測試時，TP3V-4.5三向振動速度傳感器感應到爆破振動信號，振動測試儀自動觸發(fā)記錄。采集過程結束后，自動通過WiFi無線網(wǎng)絡傳輸至隧道內(nèi)的ABOX5450無線數(shù)據(jù)基站，再通過光纖傳輸?shù)截Q井口外的另一臺無線數(shù)據(jù)基站，該基站通過3G/4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至TopCloud云端數(shù)據(jù)中心。建設單位可在現(xiàn)場隧道內(nèi)的ABOX5450無線數(shù)據(jù)基站上隨時查看各測點振動數(shù)據(jù)，也可在遠程(如控制中心、辦公室、家中等)運行客戶端軟件，通過用戶名、密碼訪問云端服務器，實時查看振動數(shù)據(jù)，也可遠程遙控現(xiàn)場的測試設備。

(2)無線數(shù)據(jù)基站布置

本系統(tǒng)共配置了兩臺ABOX5450無線數(shù)據(jù)基站，裝在壁掛式儀器箱中。其中一臺布置在隧道內(nèi)離豎井出口最近的監(jiān)測位置，用于接收隧道內(nèi)的三臺PCI-25016振動信號測試儀的無線數(shù)據(jù)；另一臺布置在豎井出口外，用于通過3G/4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至TopCloud云端數(shù)據(jù)中心。

兩臺ABOX5450無線數(shù)據(jù)基站通過UT2601MM光纖轉換器及光纖線纜實現(xiàn)聯(lián)接。UT2601MM光纖轉換器是100M-1光1電以太網(wǎng)交換機，配置1根 320 m的工程級多模光纖線纜，用于隧道內(nèi)與豎井出口兩臺ABOX5450無線數(shù)據(jù)基站之間的數(shù)據(jù)聯(lián)接及通訊轉換。

(3)自動監(jiān)測控制中心數(shù)據(jù)處理分析

分析振動信號的最大振速：軟件自動計算振動速度的最大值。

分析振動信號的主振頻率：軟件對采集的振動數(shù)據(jù)進行FFT幅度譜分析，找出振幅最大點對應的頻率值并自動顯示。

V-ρ圖分析：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測數(shù)據(jù)結果的基礎上計算出α值及k值，得到振速、裝藥量和距離比值之間的線性關系度，此圖越接近直線說明測試的數(shù)據(jù)越準確。

振速預測：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測數(shù)據(jù)結果的基礎上以圖形形式預測在不同的裝藥量和距離下，爆破沖擊產(chǎn)生的振動速度。

安全距離預測：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測數(shù)據(jù)結果的基礎上以圖形的形式預測在確定的安全振速下不同的裝藥量要求的安全距離。

裝藥量預測：根據(jù)薩道夫斯基公式，在前期監(jiān)測數(shù)據(jù)結果的基礎上以圖形的形式預測在確定的安全振速和距離下的最大裝藥量。

遠程控制中心數(shù)據(jù)顯示與查詢

顯示每個測點的振動信號波形圖。

顯示每個測點振動信號的最大振速和主振頻率。

顯示各個爆破測振儀的狀態(tài)(是否在線工作)。

查詢每個測點的當前數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。

(4)控制及報警

點對點地對各個測點的測試設備進行采集參數(shù)設置。

若測試分析結果超過警戒值，系統(tǒng)自動報警，控制警鈴及指示燈發(fā)出警報。

5 爆破參數(shù)的確定

巖石越硬，圍巖中引起的峰值振速越小，爆破地震波作用下其允許的峰值質(zhì)點振速也越大，《爆破安全規(guī)程》中關于爆破振速的要求，交通隧道允許振速為V<10 cm/s～20 cm/s，青島地鐵公司對地鐵保護區(qū)的安全爆破振速定為V<2 cm/s。因此本工程按照隧道允許振速V<2 cm/s控制。

爆破地震波最大振速絕大多數(shù)出現(xiàn)在垂直方向上，因此采用垂向振速代替三矢量振速，簡化控制標準，會使結果偏安全，是科學可行的。根據(jù)公式可預測指定藥量下各質(zhì)點的最大振速，或通過控制質(zhì)點振速反算可以采用的最大藥量，指導隧道的爆破設計與施工。

V=K(Q1/3/R)α

式中：

K—場地系數(shù)；

α—衰減系數(shù)；

Q—單段最大裝藥量，kg；

R—測點與爆破位置距離，m。

解區(qū)不同巖性的K、a值 表1

群藥包爆破，各藥包至保護目標的距離差值超過平均距離的10%時，用等效距離R，和等效藥量q分別代替R和Q值。Rc和Qe的計算采用加權平均值法。

6 結 語

為了不影響地鐵正常的和運營，還要實現(xiàn)每炮必測的目標，本工程采用了自動化采集，自動化傳輸，遠程控制，無人值守的監(jiān)測方式。作為一次爆破振速自動化監(jiān)測在青島地區(qū)的具有現(xiàn)實意義的首次工程實踐，能夠達到工程預期的目標，能夠為指導爆破施工提供準確、及時的數(shù)據(jù)支持，為前期試爆階段調(diào)整爆破參數(shù)提供依據(jù)，為后期爆破對臨近的地鐵隧道的振動影響，提供了分析依據(jù)。很大程度上減少了人力的投入，為研究爆破振速在青島地區(qū)巖石地基中傳播規(guī)律提供了寶貴資料。

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[7] 崔積宏. 隧道掘進爆破振動的數(shù)值模擬研究[D]. 濟南：山東科技大學，2005.

Application of Automatic Monitoring of Blasting Vibration in Subway Protective Area

Li Yongchuang1，Liu Haiquan1，Kang Song1，Zong Yingjie1，An Qingjun2，Wang Jun2

(1.Qingdao Conson HaiTian Centre Co.，Ltd. Qingdao 266071，China； 2.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266000，China)

With the continuous development of the domestic automatic monitoring and exploration，to study the influence of the blasting vibration velocity caused by the foundation pit excavation on the surrounding environment and the structure. The Method of automatic vibration speed acquisition can also be used. Based on the automatic monitoring project of a certain interval tunnel of Qingdao Subway Protective Area，Application of automatic monitoring of blasting vibration velocity is described in the paper. The monitoring points are arranged according to the section for the metro tunnel affected in the excavation projects. The test site uses WiFi wireless communication technology to realize wireless transmission of data. Supporting the network equipment and special monitoring software，we build the whole blasting vibration monitoring platform based on the TCP/IP network and cloud computing technology. The centre data's analysis is controlled by the automatic monitoring to achieve the real-time online publishing of the measuring points' status and data. With the help of the measuring points' management and alarm function when it overruns，lots of evidences are provided for the advance test-blasting to adjust blasting parameters. It also provides basis of numerical analysis for the adjacent metro tunnel's vibration effects by the later explosion.

blasting vibration velocity；automatic monitoring；charge quantity；subway protective area

1672-8262(2017)02-155-04

P633.2,TU751.6

B

2016—11—16

李永闖(1980—)，男，工程師，主要從事大型城市綜合體工程項目的建設管理工作。