隧道內部爆破振動傳播規律與降振技術研究*

項榮軍,劉傳鵬,李勝林,凌天龍

(1.中鐵十六局集團 路橋工程有限公司,北京 101500;2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院,北京 100083;3.泰山學院 機械與建筑工程學院,泰安 271000)

近二十年來,我國穩步推進交通運輸體系建設,公路隧道和鐵路隧道隨之迎來建設高峰期。目前鉆爆法依然是我國山嶺隧道開挖的主要方法。與機械法相比,鉆爆法經濟、適應能力強。然而,隧道爆破開挖誘發的振動效應對隧道內支護結構的穩定性和周圍建筑物的安全性都構成了影響。為減少此危害,學者們一方面對爆破振動的安全判據進行了大量研究,另一方面對降振措施進行了研究。

國內外學者普遍認為地震波影響下結構的動能和應力與振動速度密不可分,振動速度作為衡量爆破地震影響的一個重要指標而被廣泛用于爆破安全判據的建立[1,2],楊建華采用質點峰值振速(PPV)作為噴射混凝土的爆破振動安全判據[3];于崇提出爆破振速控制是爆破安全的重要內容[4],并進一步研究了爆破振動的可靠度問題。在爆破峰值振動速度評價指標的基礎上,一些學者引入振動頻率及持續時間綜合評價結構的爆破振動響應特征[5,6],何理提出爆破振動能量的大小主要取決于爆破振動速度、振動頻率及振動持續時間三個影響因素[7];于建新研究了振動信號能量在不同頻段下的衰減規律[8]?，F行《爆破安全規程》綜合考慮峰值振動速度和振動頻率兩個指標建立了各類結構的爆破安全判據[9],因此,研究爆破振動速度分布特征和主頻特性并對隧道內結構進行安全性評價,具有重要意義[10]。

為了有效控制爆破地震波危害,國內外學者對控制爆破技術做了大量研究,取得了卓有成效的成果。傳統隧道爆破降振措施包括:縮小循環進尺、減少單段最大裝藥量或總裝藥量、微差爆破技術、非爆破開挖技術等[11]。這些降振措施在一定程度上起到了積極的作用。然而,在復雜城市環境或特殊地層條件下,這些措施取得的降振效果仍是有限的。尤其是毫秒延期雷管誤差達到10～120 ms,無法達到理想的微差干擾降振效果,限制了微差爆破技術的發展。高精度延時數碼電子雷管的使用對改善爆破效果、降低振動效應具有重要意義。目前,數碼電子雷管在露天礦山已有廣泛應用,且有大量研究成果討論了臺階爆破微差延期時間的設置[12-15]。數碼電子雷管在隧道爆破中的應用尚處于初步推廣階段,關于合理的孔間延期時間還沒有形成統一的認識[16]。

以北京密云西統路小西庫隧道爆破施工為背景,通過現場振動監測,研究爆破地震波在隧道內部的傳播規律及同一斷面上振動特征,討論了三臺階爆破降振措施。結合線性疊加原理和單孔爆破振動試驗,給出了應用數碼電子雷管時掏槽孔的最優延時間隔。本文的研究成果與方法可為鉆爆法施工軟弱圍巖隧道提供參考。

1 隧道爆破振動測試

1.1 工程背景

小西庫隧道位于北京市密云區,地屬低山地貌,巖體主要為碎石土、強風化白云巖。巖體破碎～極破碎,多以Ⅴ級圍巖為主。拱頂巖體松散,圍巖穩定性差,若不及時并加強支護,極易出現頂板坍塌、側壁失穩等問題。

1.2 隧道施工爆破方案

小西庫隧道凈寬12 m,行車道凈高4 m,開挖凈面積129.1 m2。隧道施工揭露V級圍巖時采用三臺階法施工,其中上臺階開挖高度為4 m,開挖面積約為36 m2。該隧道爆破施工采用高精度電子雷管,其上臺階采用逐圈(排)起爆方式,排間延時取50 ms,上臺階炮孔布置如圖1所示,上臺階的爆破參數如表1所示。二臺階距離上臺階掌子面10～15 m不等,三臺階為左右交錯開挖,距離二臺階20～30 m不等。

表1 上臺階爆破參數表Table 1 Blasting parameters of upper bench

圖1 上臺階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 1 Blast hole layout of upper bench(unit:mm)

1.3 爆破振動測試方案

此次測試主要獲取隧道噴錨支護斷面各部位爆破振動速度,進而分析爆破振動在隧道內的傳播規律。采用TC-50爆破測振儀,在隧道內同一斷面的拱部(包括拱頂、拱腰、邊墻)布置3個測點,使用卡扣使其與隧道剛性連接,如圖2所示。振動傳感器的x方向指向隧道軸線,y方向垂直于隧道軸線,z方向豎直向上。

圖2 爆破振動測試方案Fig. 2 Scheme of blasting vibration tests

2 隧道結構爆破振動特性

2.1 爆破爆破振動傳播規律

采用鉆爆法開挖巖體時,炸藥能量以應力波的形式在巖體內傳播。受爆破參數、傳播介質力學性質、地形地貌等影響,不同工況下爆破振動的衰減規律存在顯著差異[10]。爆破振動大小與裝藥量、爆心距、傳播介質的特性參數、局部地質條件、爆破形式等密切相關。目前,我國現行《爆破安全規程》采用薩道夫斯基公式擬合爆破峰值振動速度

(1)

式中:v為質點峰值振動速度,cm/s;Q為單段最大起爆藥量,kg;K為場地系數,α為衰減指數。

2.2 隧道拱部振動速度分布特征

為了分析爆破地震波在隧道內部的衰減特性,在距上臺階掌子面40 m處布置3個速度傳感器,保持3個傳感器位置固定并監測開挖掌子面推進過程中的振動速度。在隧道拱頂、拱腰和邊墻分別獲取有效數據18組。利用最小二乘法分別確定隧道拱部3個振動方向的K和α,得到用薩道夫斯基公式描述的爆破振動衰減規律,振動數據及擬合曲線如圖3所示。

圖3 拱部測點振速及衰減擬合曲線Fig. 3 Vibration velocities measured in the arch and their fitting curves

由圖3(a)～(c)可以看出:同一斷面上各測點豎向振速明顯大于水平振速,水平徑向與切向的振速相差不大;隨著比例距離的增大,豎向振速逐漸接近水平向振速。圖3(d)給出了拱頂、拱腰、邊墻豎向峰值振動速度的衰減規律。對比3個部位豎向峰值振動速度可知:拱頂的豎向峰值振動速度最大,拱腰次之,邊墻最小;3個部位峰值振動速度的差值隨比例距離的增加而減小。綜上所述,在隧道同一斷面中,拱頂的豎向峰值振動速度數值最大。因此,在工程實際中,可以利用隧道拱頂豎向振動速度綜合反映爆破地震波在隧道內的傳播規律。

表2為振動數據擬合曲線的擬合參數K和α的值。對比表中結果可知:豎向峰值振速擬合曲線的K和α的值最大,表明爆破振動速度在豎直方向的衰減速度最快。

表2 拱部測點擬合曲線K、α值比較Table 2 Comparison of K and α values of the fitting curve

2.3 隧道拱部振動主頻變化規律

提取拱頂、拱腰和邊墻的振動數據,利用傅里葉變換計算得到豎向振動信號的主頻。隧道不同部位豎向爆破振動的主頻如圖4所示。由圖4可以看出:拱頂、拱腰、邊墻測點處的主頻均隨比例距離增大逐漸變小;同一測試斷面內,拱頂的爆破振動主頻最大,拱腰次之,邊墻最小。因此,隧道拱頂具有振動速度大,振動主頻高的特點。

圖4 隧道拱部測點主頻分布Fig. 4 Distribution of main frequency

研究表明:單段最大藥量、爆心距、傳播介質性質等因素會對爆破振動頻譜造成較大影響[17]。為了分析單段起爆藥量對爆破振動主頻的影響,在爆心距相同、地質條件相近的情況下,進行了3次爆破振動測試實驗,實驗數據如表3所示。

表3 不同藥量下的爆破振動主頻Table 3 Main frequency of blasting vibration under different charge

由表3可知:單段最大藥量由36.2 kg增加至56.2 kg時,爆破振動主頻降低36.9%;在其他參數基本相同的條件下,隨著單段最大藥量的增大,爆破振動信號中低頻成分的占比逐漸增加,爆破振動信號的主振頻率有向低頻發展的趨勢。由于工程結構體的自振頻率往往較低,采用較大的單段藥量不利于隧道結構的安全。

3 隧道爆破降振技術

3.1 臺階法施工爆破降振技術

小西庫隧道揭露Ⅴ級圍巖時采用三臺階法施工,掘進初期三個臺階掌子面采用齊發爆破方式,爆破作業的總裝藥量為204 kg。為了確保隧道施工安全,在距上臺階掌子面75 m處隧道底板布設1臺速度傳感器,監測底板質點的爆破振動波形。三個臺階同時起爆時,隧道底板測點的振動速度時程曲線圖5所示。由圖5可以看出:爆破地震波具有9個幅值較大的峰值,相鄰波峰的時差約為50 ms,與爆破網路的時差相對應;上臺階起爆時,掏槽孔的夾制作用較大,振動波形出現第一個較大的幅值;由于三臺階爆破區域距離較近,爆破振動疊加效應明顯,導致下臺階起爆后,振動波形出現最大幅值,峰值振動速度為0.55 cm/s,爆破振動強度明顯增強。由此可見,如果延時時間設置不合理,不僅不會降低爆破振動影響,有時還會增大地震效應[18]。

圖5 三個臺階齊發爆破產生的典型波形圖Fig. 5 Typical waveform produced by three-bench simultaneous blasting

為降低爆破振動對隧道結構的不利影響,將施工方法調整為三臺階先后起爆,將爆炸能量在時空上進行分散?，F場測試獲得Ⅴ級圍巖場地聲波波速約為800 m/s,掌子面與三臺階最大距離為45 m,振動傳播用時約56 ms。為便于現場實施,將各臺階起爆的間隔時間取為100 ms,并按此延期時間對爆破振動進行試驗。距上臺階掌子面75 m處底板的振動曲線如圖6所示。由圖6可以看出:爆破振動持時明顯增長,各臺階爆破的振動波形實現分離,無振動疊加現象;與三臺階同時爆破相比,在其他爆破參數相近的情況下,峰值振速由0.55 cm/s降至0.31 cm/s,降振率達44%,降振效果明顯。

圖6 三個爆源分爆產生的典型波形圖Fig. 6 Typical waveform produced by three explosion sources

3.2 掏槽孔延期時間優化設計

毫秒爆破的振動是由各炮孔產生的振動疊加而成的。當藥量相差不大、地質條件基本相同時,可認為每個炮孔產生的爆破振動波是相同的,此時爆破振動的疊加過程可看作是線性系統[19]。因此,根據延期時間計算群孔爆破不同相位,并基于線性系統中振動信號的疊加性模擬逐孔爆破振動信號,即

(2)

式中:F(t)為預測爆破振動信號;fi(t)為單個炮孔爆破振動信號;Ti為當前炮孔爆破振動信號傳播至測點相比上一炮孔的延遲時間。

一般情況下,掏槽孔引起的爆破振動速度最大。為了降低掏槽孔爆破對隧道結構的影響,將小西庫隧道掏槽爆破形式改為逐孔起爆,并對孔間延期時間設置進行試驗研究。在掏槽孔中間位置額外鉆鑿1個炮孔,裝藥量與掏槽孔藥量一致。首先起爆試驗孔并采集單孔爆破振動信號。距上臺階掌子面40 m處拱頂爆破振動波形如圖7所示。由圖7可以看出:單孔爆破振動信號經歷1～2個波峰波谷后迅速衰減,振動持時約為65 ms;振動波形的主波周期為12.1 ms,峰值振動速度為-0.354 cm/s。

圖7 單孔振動波Fig. 7 Vibration history curve caused by single hole blast

由于掏槽孔之間的距離較小,各炮孔爆破振動信號傳播至測點的時間間隔可近似看作是相等的。

將各炮孔間延期時間按1 ms逐漸遞增,應用MATLAB軟件對單孔波形進行線性疊加計算。統計疊加振動信號的正向和負向波峰,如圖8所示。由圖8可以看出:延期時間為1～7 ms時,峰值振動速度隨延期時間的增加而逐漸減小,尤其當延期時間為5～7 ms時,峰值振動速度驟降,降振效果最好;當延期時間超過7 ms后,先行波和后行波的主振相無法實現錯峰干擾,疊加后的峰值振動速度趨近于單孔試驗結果。因此,掏槽孔的最優延期時間可取7 ms,這與文獻[20]建議的延期時間取T/3～2T/3的結論一致。

圖8 不同延期時間下的峰值振速統計圖Fig. 8 Statistical graph of peak vibration velocity under different delay times

在小西庫隧道開展延期時間驗證試驗,分別設置掏槽孔間延期時間0 ms、3 ms、4 ms、5 ms、6 ms、7 ms共計6組爆破試驗。試驗中測點與掏槽區域的距離為40 m,統計掏槽孔爆破引起的峰值振動速度,如表4所示。由表4可知:峰值振動速度隨孔間延期時間的增加而降低;延期時間為6 ms和7 ms時的實測峰值振速與線性疊加結果較為吻合;與掏槽孔同時起爆方案相比,延期時間為7 ms時,峰值振動速度降低了85.6%,甚至小于單孔爆破時的峰值振速(0.354 cm/s)。

表4 掏槽試驗峰值振速Table 4 Peak particle velocity induced by cut blasting

綜上所述,應用數碼電子雷管可以實現逐孔爆破時振動波形的干擾疊加,大幅度降低振動強度。對于小西庫隧道,將掏槽孔延期時間取為7 ms,能夠較好地控制爆破振動效應。利用此方法對掏槽孔延期時間進行優化設計具有重要的實際意義。

4 結論

(1)運用薩道夫斯基公式對隧道內部測點振動速度進行擬合,得出了隧道測點各向振速衰減規律,根據拱頂測點在振速值及衰減規律方面的特點,可將拱頂測點作為隧道爆破振動監測的特征點。

(2)Ⅴ級圍巖隧道開挖過程中,將錯距三臺階同時起爆調整為各臺階間隔100 ms先后起爆,各臺階的爆破振動波形相互分離,爆破能量在時空中得以分散,峰值振動速度降低率達44%,表明錯分臺階后設置合理的延時可有效切分最大單響藥量,實現降振的目的。

(3)利用線性疊加原理實現了掏槽爆破振動參數的預報和優化設計,預測結果與現場實測值較為吻合;綜合考慮預測值和試驗結果,確定掏槽孔最優延期時間為7 ms,降振效果良好。該方法可操作性較強,適于在實際工程中應用推廣。