引水隧洞工程下穿原有鐵路隧道爆破施工監(jiān)測(cè)研究

摘要：簡(jiǎn)述了爆破地震波傳播原理和傳播特性，以某新建引水隧洞下穿原有鐵路隧道工程爆破施工為例，闡述了選定爆破方法、制定監(jiān)測(cè)方案和配備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備工作。通過(guò)實(shí)施監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)值符合相關(guān)規(guī)定，可有效控制爆破振動(dòng)的影響力，爆破作業(yè)未影響原有隧道安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：引水隧洞；下穿鐵路隧道；爆破施工；監(jiān)測(cè)

0 引言

新建隧道、隧洞爆破施工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，極易破壞原有隧道結(jié)構(gòu)，影響其安全運(yùn)行?；诖?，如何降低新建隧道爆破施工對(duì)原有隧道的影響，避免對(duì)原有隧道產(chǎn)生破壞，成為目前隧道施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以某新建引水隧洞下穿原有鐵路隧道工程爆破施工為例，闡述了選定爆破方法、制定監(jiān)測(cè)方案和配備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備工作。通過(guò)實(shí)施監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)值符合相關(guān)規(guī)定，可有效控制爆破振動(dòng)的影響力，爆破作業(yè)未影響原有隧道安全運(yùn)行。

1 爆破地震波傳播原理和傳播特性

1.1 傳播原理

外荷載施加作用力在可變形固體的表層，可對(duì)部分介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)直接產(chǎn)生力的作用，讓介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡區(qū)域形成位移。與相鄰的質(zhì)點(diǎn)比較，這些移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)就形成相對(duì)變形，仍在平衡區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)會(huì)給臨近的位移質(zhì)點(diǎn)帶去防止變形的作用力。平衡區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)接收到移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的反作用力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)臨近介質(zhì)的平衡質(zhì)點(diǎn)脫離平衡位置形成位移。由于慣性作用，表層介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移將超前于臨近介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移。依次類(lèi)推，外荷載在表層上帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)就由此在介質(zhì)之間從近到遠(yuǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳播[1]。

1.2 傳播特性

爆破地震波能量只是炸藥爆破所產(chǎn)生能量的一小部分，其隨著地震波傳播到遠(yuǎn)方。由于介質(zhì)阻尼的吸收作用和波陣面的逐漸變大，爆破地震波帶來(lái)的能量會(huì)逐漸減小，振幅也會(huì)隨之下降。因?yàn)榈卣鸩l率的高低受介質(zhì)阻尼作用的影響，且這種作用對(duì)高頻振動(dòng)的影響更大，所以距離爆破地震波越近，其高頻成分越突出。

在距離爆破地震波較遠(yuǎn)的部位，它的高頻成分已經(jīng)被阻尼作用吸收，因此大都顯示為低頻振動(dòng)。巖體和隧道的自振通常處于較低的頻率。當(dāng)較遠(yuǎn)區(qū)域的振動(dòng)主頻與巖體和隧道固有的頻率接近時(shí)，若爆破地震波的能量還存在一部分，就會(huì)產(chǎn)生共振作用，從而造成隧道圍巖發(fā)生劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致隧道襯砌和圍巖產(chǎn)生損傷。

2 工程實(shí)例

2.1 原有隧道現(xiàn)狀

某原有隧道總長(zhǎng)559m，寬14.08m，高10.36m。隧道內(nèi)圍巖等級(jí)劃分：自隧道入口起0～16m內(nèi)為IV級(jí)圍巖，16～529m為Ⅲ級(jí)圍巖，剩余部分為IV級(jí)圍巖。隧道初期支護(hù)采用厚度為8cm的C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)，二次襯砌采用厚度為35cm的C25混凝土結(jié)構(gòu)，建于初期支護(hù)基礎(chǔ)上。隧道底板為厚度30cm的鋼筋混凝土底板，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。

2.1 新建引水隧洞工程概況

該地政府批準(zhǔn)在該原有隧道位置新建引水工程項(xiàng)目，旨在為城鎮(zhèn)提供生活和生產(chǎn)用水。引水工程項(xiàng)目的4#隧洞與原隧道平面夾角約83.4°，幾乎垂直交叉分布。4#隧洞頂部與原有隧道底板的交叉位置之間有14.4m的距離。新建4#隧洞與該原有隧道過(guò)于接近，因此在4#隧洞爆破施工期間會(huì)對(duì)原有隧道的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。業(yè)主高度重視4#隧洞施工對(duì)原有鐵路隧道的危害，要求施工單位采取科學(xué)可行的4#隧洞爆破方案，進(jìn)行全流程監(jiān)測(cè)和安全管控。

3 選定爆破方法

4#隧道與原隧道交叉點(diǎn)位上、下游各40m范圍的爆破施工采用光面爆破法。掏槽孔間距150mm，采用大直徑空孔桶形掏槽方法。導(dǎo)洞孔深和預(yù)留光面層四周孔深均為2.0m。爆破采用?32mm、?25mm兩種規(guī)格的2#巖石乳化炸藥或2#巖石膨化硝銨炸藥，周邊孔采用?25mm光爆小藥卷。

在指定點(diǎn)位鉆孔、清孔、裝藥，連接非電毫秒導(dǎo)爆雷管起爆系統(tǒng)和簇聯(lián)網(wǎng)路，全面檢查，疏導(dǎo)人員和無(wú)關(guān)機(jī)具遠(yuǎn)離爆破現(xiàn)場(chǎng)，確認(rèn)安全后開(kāi)始起爆。以爆破現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全爆破和高效爆破目標(biāo)。

4 制定監(jiān)測(cè)方案和配備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

在4#隧洞開(kāi)展爆破作業(yè)期間，在原有隧道里面配置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在隧道與隧洞交叉點(diǎn)相距120m處即可監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷4#隧洞爆破震動(dòng)特征。爆破重點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍為交叉點(diǎn)前、后40m，對(duì)應(yīng)樁號(hào)為1+594.964～1+674.964。隧道頂、底部相距約8m，道砟和鋼軌已鋪設(shè)到位，現(xiàn)場(chǎng)施工條件加大頂部傳感器安裝難度。

由于隧道下面即是振源，所以隧道的底板和隧道兩側(cè)的邊緣受影響較大。因此，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)全都被安設(shè)在隧道下方。2臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備使用時(shí)，每次能對(duì)8處監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)時(shí)，可以按照現(xiàn)場(chǎng)狀況來(lái)調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)，但應(yīng)盡最大可能安設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)隧道斷面內(nèi)各個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并獲取爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)后，就可以研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻率、速度和爆破數(shù)據(jù)之間的關(guān)系以及振動(dòng)傳播的遞減規(guī)律[2]。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

選用2臺(tái)3850USB型爆破測(cè)振儀，每臺(tái)測(cè)振儀有4個(gè)通道，可同時(shí)安設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。爆破測(cè)振儀數(shù)據(jù)安排如下：采樣率為5kHz，采樣時(shí)長(zhǎng)為2s，滿(mǎn)量程為±2V，觸發(fā)電平為0.1V。根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，在指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位粘貼傳感器，粘貼材料采用水和生石膏粉拌制的混合料，待10min漿液凝結(jié)后即可開(kāi)展監(jiān)測(cè)作業(yè)。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

5.1 同次爆破在隧道不同位置的監(jiān)測(cè)結(jié)果

按照選定的爆破方法、制定的監(jiān)測(cè)方案，在原有隧道內(nèi)布設(shè)配備好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)4#隧洞爆破施工進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，爆破點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距的變化為遠(yuǎn)→近→遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)峰值的振動(dòng)速度相應(yīng)地產(chǎn)生了小→大→小變化。與爆源的間距越遠(yuǎn)，隧道襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速越慢；與爆源的間距越近，隧道襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速越快。下面對(duì)鐵路隧道內(nèi)不同監(jiān)測(cè)位置到達(dá)質(zhì)點(diǎn)峰值的振動(dòng)速度進(jìn)行比較。

同次爆破在隧道不同位置的振動(dòng)速度波形如圖1所示。1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道邊墻處，由圖1a可知，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)迎爆面的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度呈現(xiàn)為波形，達(dá)到最大值，其質(zhì)點(diǎn)峰值振速參數(shù)為0.6312cm/s；由圖1b可知，5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)背爆面的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度也呈現(xiàn)為波形，但數(shù)值較小，其質(zhì)點(diǎn)峰值振速參數(shù)為0.3339cm/s[3]。

5.2 引水隧洞在爆破掘進(jìn)時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果

設(shè)置了9.95m、14.45m、18.96m和23.45m等4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了典型的4條豎向振動(dòng)速度時(shí)程曲線(xiàn)。當(dāng)掌子面與原有隧道距離越近時(shí)，獲得的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度的數(shù)值就越高；兩者距離越遠(yuǎn)，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度越低。無(wú)論掌子面遠(yuǎn)離或靠近原有隧道，振動(dòng)速度均隨間距加大而下降。

就各個(gè)位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在與引水隧洞掌子面的距離保持一致的條件下，其靠近原隧道的爆破震動(dòng)速度大于遠(yuǎn)離時(shí)。以距爆源15m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制掌子面靠近、遠(yuǎn)離原鐵路隧道兩種工況的實(shí)測(cè)振動(dòng)波形圖，分別如圖2a、圖2b所示，質(zhì)點(diǎn)峰值振速分別為2.9924cm/s、2.6682cm/s。

5.3 保護(hù)原有隧道不受破壞的關(guān)鍵因素

掏槽孔爆破作業(yè)時(shí)的孔數(shù)較少，且在爆破期間各處sgMG7iTUeDIO1Hq99FWstgox4+LU6kdGkXP8Tj4IJPw=用藥數(shù)量不是最多，但是掏槽孔爆破作業(yè)的部位是臨空的掌子面，其掏槽爆破以強(qiáng)拋擲爆破形式為主，傳播至巖體的爆炸能量高，振動(dòng)力強(qiáng)，容易破壞巖體的完整性和穩(wěn)定性。

相比掏槽孔爆破，周邊孔爆破的振動(dòng)作用小，原因有二：一是采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥量少，爆破結(jié)構(gòu)形式和裝藥方式?jīng)Q定周邊孔爆破震動(dòng)作用較小的特點(diǎn)；二是此前輔助孔爆破作業(yè)時(shí)已經(jīng)形成了條件良好的臨空面。因此有效控制掏槽孔的爆破振動(dòng)，是保護(hù)原有隧道不受破壞的關(guān)鍵。

5.4 爆破地震頻譜分析

爆破地震波具有突變和短時(shí)特征，形狀復(fù)雜。爆破地震頻帶寬度大，頻率豐富，現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，多種因素共同影響頻率，例如爆破方式、用藥數(shù)量、用藥方式以及爆破地理?xiàng)l件等。

諸多研究證明，不僅質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度能對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞作用，其主振頻率也與此具有密切的關(guān)系。因此，對(duì)爆破振動(dòng)的頻譜組成、遞減規(guī)律、爆破地理環(huán)境以及爆破條件之間的關(guān)系進(jìn)行研究很有必要。在研究上百個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果的功率譜圖之后得知以下結(jié)論：

爆破地震波頻率成分豐富，各波段的占比各異。主振頻率較穩(wěn)定，保持在100～200Hz間，主頻域則處于30～500Hz間。隧道自振頻率屬于低頻帶，由于頻率差異，引水隧洞爆破施工期間原鐵路隧道不會(huì)與之產(chǎn)生共振[4]。

在裝藥數(shù)量保持一致條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆源的間距越大，其受到振動(dòng)的頻率越小。就高頻與低頻的能量遞減程度來(lái)看，其能量遞減程程度有所不同：高頻成分的能量遞減速度更快，低頻成分的能量遞減速度則更慢。

6 監(jiān)測(cè)結(jié)論

6.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)值符合相關(guān)規(guī)定

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置符合施工要求，選擇和調(diào)整監(jiān)測(cè)設(shè)施的過(guò)程符合施工標(biāo)準(zhǔn)，且監(jiān)測(cè)垂直振動(dòng)速度的科學(xué)性和可靠程度均符合相關(guān)需求，其垂直振動(dòng)速度數(shù)值全部低于《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）的規(guī)定振動(dòng)速度。

6.2 可控制爆破振動(dòng)影響力

單段爆破用藥越少，其爆破振動(dòng)的影響力就越弱。開(kāi)展爆破作業(yè)遵循“導(dǎo)洞先行、預(yù)留光爆層”的光面爆破施工模式是可行的。在實(shí)地施工期間，須按照監(jiān)測(cè)所反饋的消息來(lái)及時(shí)調(diào)節(jié)爆破數(shù)據(jù)。

通過(guò)研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨著爆點(diǎn)測(cè)點(diǎn)間距減小而提高，隨間距增加而下降。質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度對(duì)間距改變的敏感度主要取決于間距大小，例如間距越小則越敏感，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度變化大，反之敏感性下降。

就隧道邊墻處的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度而言，面對(duì)爆炸面數(shù)值最大，背對(duì)面數(shù)值更小。監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆源的間距越大，這類(lèi)差異越小。就作用炮孔所形成的爆破振動(dòng)影響而言，掏槽孔影響最大，而周邊孔則最低。

功率譜圖顯示振動(dòng)能量以30～500Hz為主，主振頻率以100～200Hz為主，根據(jù)頻率關(guān)系可知，引水隧洞施工期間原鐵路隧道不會(huì)與之發(fā)生共振。

6.3 爆破未影響原隧道運(yùn)行安全

《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）要求將振動(dòng)速度設(shè)置在10～20cm/s，為避免對(duì)原有隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，在考慮多方面因素的前提條件下，將振動(dòng)速度安全參數(shù)設(shè)定為5cm/s。在全部的監(jiān)測(cè)參數(shù)內(nèi)，數(shù)值在5cm/s以上的參數(shù)有3個(gè)，均未大于10cm/s安全參數(shù)規(guī)定的最低數(shù)值，相比原鐵路隧道固有振動(dòng)頻率，引水隧洞爆破主頻率（高于180Hz）明顯更高。由于固有振動(dòng)頻率和爆破主頻率的差異，4#隧洞開(kāi)展爆破作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)沒(méi)有影響原有隧道安全運(yùn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，引水隧道下穿原鐵路隧道施工條件復(fù)雜，要考慮引水隧道順利建設(shè)性和既有隧道安全運(yùn)行多方面要求。本文結(jié)合實(shí)例，以安全為前提，根據(jù)施工條件提出爆破方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)引水隧洞爆破對(duì)原鐵路隧道運(yùn)行安全的影響，旨在解決爆破施工期間影響現(xiàn)有隧道的爆破振動(dòng)問(wèn)題。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，各項(xiàng)爆破測(cè)試均符合相關(guān)規(guī)定要求，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)均達(dá)到了預(yù)期數(shù)值，為新建引水隧洞下穿現(xiàn)有鐵路隧道進(jìn)行爆破施工提供了科學(xué)、合理的依據(jù)。

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