摘要:為確保已建金山頂高鐵隧道襯砌結構的安全,有必要在救援通道爆破施工過程中對其開展爆破振動監測。

采用TC－4850N 無線網絡爆破測振儀進行監測,監測結果表明:既有隧道迎爆側的襯砌結構斷面振動最大;基於最小二乘法對監測數據進行回歸分析並得到了爆破振動薩道夫斯基經驗衰減公式參數;根據公式參數對後續爆破提出了爆破振動控制措施,做到當振動速度超過安全閥值時及時調整爆破參數,取得了較好的效果。關鍵詞:高鐵隧道;振動監測;爆破振動;薩道夫斯基公式中圖分類號:U458

文獻標識碼:A

DOI :10．13238/j．issn．1004－2954．2016．03．021

Analysis of Vibration Impact Caused by Ｒelief Channel Blasting on Existing High-speed Ｒailway Tunnel

XIA Yi-ming 1,ZHENG Ming-xin 1,HU Guo-ping 1,LIU Jia-hua 1

(1．Institute of Bridge ＆Ｒoad ＆Geotechnical Engineering ,East China Jiaotong University ,Nanchang 330013,China )

Abstract :To ensure the safety of the lining structure of the existing Jin Shan Ding high-speed railway tunnel ,it is necessary to monitor blasting operation with TC－4850N wireless blasting monitoring system．The results show that the lining structure section on the blasting side of the existing tunnel vibrates the most．The blasting vibration Sodev's empirical attenuation formula parameters are obtained based on the least squares regression analysis of the monitoring data．And blasting vibration control measures for subsequent blasting operations are proposed in the light of formula parameters so that blasting parameters are adjusted timely once the vibration velocity exceeds the allowable limit．

Key words :High-speed railway tunnel ;vibration monitoring ;Blasting vibration ;Sodev's empirical formula of attenuation

近年來,隨著我國高速鐵路建設的快速發展,爆破技術在鐵路隧道工程的建設中發揮著日益重要的作

用。目前,國內隧道爆破開挖多采用鑽爆法施工[1]

,國內一些學者對隧道爆破振動監測做過許多研究,蔡

凍等[2]

對野山河隧道進行了爆破振動監測,分析了隧道爆破振動對鄰近水電站的影響;宋福[3]

對敖包溝隧道進行了爆破振動監測,

分析了隧道爆破振動對鄰近既有房屋建築物的影響;劉玉山等[4]

對大軒嶺隧道進行了爆破振動監測,分析了隧道爆破振動對在建小淨距隧道的影響。目前針對鄰近大型水電站、鄰近既有房屋建築物、

鄰近在建隧道的振動安全分析比較多,而對鄰近已建高鐵隧道的振動安全分析比較少。爆破開挖過程中會產生爆破地震波,地震波產生的振動會對

既有鄰近高鐵隧道產生不利影響,

主要表現為爆破振動會造成高鐵隧道襯砌結構的不均勻變形,進而可能

引起襯砌結構產生裂縫[5]。

因此,在隧道爆破開挖過程中,必須加強對爆破振動的監測與研究,並采取有效措施控制爆破振動的強度。

以金山頂隧道救援通道爆破施工為研究對象,對隧道爆破開挖施工產生的振動進行監測,根據監測得到的數據及爆破振動響應,及時調整和優化新建隧洞施工的爆破設計參數,以保護既有鄰近已建高鐵隧道免受破壞。

1

工程概況

金山頂隧道救援通道作為金山頂隧道的防災疏散

工程,

設計為平導式隧道,位於金山頂隧道進口右側平行於主洞,與進口段線路右側的既有綜合洞室(正交裏程為DK355+224)相接,與主洞淨距約為30m ,救援通道與主洞相對位置見圖1。平導全長597m ,斷面淨空尺寸為5m (寬)ˑ6m (高),該平導位於剝蝕中低山區,區內溝穀縱橫,植被發育,自然坡度為30ʎ 55ʎ,遂址區地層主要為燕山期花崗岩,中元古界板橋組粉砂質板岩。救援通道隧洞圍岩分為3個工程地質段,分別為Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ類岩石,

隧洞圍岩分級

對應樁號分段長度/m

岩體類型

圍岩級別

XDK0+000

XDX0+478478花崗岩,弱風化,岩質堅硬,岩體較完整ⅡXDK0+478 XDX0+50325粉砂質板岩,弱風化,岩質堅硬,岩體破碎ⅣXDK0+503 XDX0+597

94

花崗岩,強風化,岩質堅硬,

岩體破碎Ⅴ

金山頂隧道正洞采用複合式襯砌型結構,洞口段小於150m 范圍內襯砌采用C35混凝土結合鋼筋網型襯砌結構,二次襯砌厚度40 50cm ,混凝土強度35MPa 。洞口段大於150m 范圍采用C30素混凝土襯砌結構,二次襯砌厚度35 40cm 。救援通道施工采用人工爆破作業。2

隧道爆破振動監測2.1

監測儀器及方法

本次隧道爆破振動監測擬采用由TC－4850N 無線網絡爆破測振儀、

Blasting vibration analysis 分析軟件、計算機、打印機等組成振動監測系統。振動監測采集系統如圖2所示,在現場監測過程中,在同一測點布置垂向,切向和徑向叁個方向速度傳感器,傳感器用502膠水固定在所需監測部位,再將傳感器與爆破測振儀相連,

當爆破振動傳遞到測點時,爆破振動記錄儀自動記錄信號,然後通過無線網絡上傳到互聯網上專

用服務器內,

爆破後可利用配套的爆破振動分析軟件通過網絡將振動信號下載輸入到電腦中,並進行分析處理。

2.2測點的布置

將傳感器布設在既有鐵路隧道迎爆側拱腳上。為了分析振動場的分布情況,了解爆破振動對既有隧道的影響,在爆破源正對既有隧道交叉40 50m 范圍內布置3個斷面測點,每個測點包括3個速度傳感器,分別為垂直地面方向(垂向)、水平徑向(其長軸指向爆破源)、水平切向(垂直於徑向),每個觀測點同時進行垂直和兩個水平方向的觀測。

測試工作和隧道爆破開挖作業同時展開,根據測點的布置,

測點和爆源之間經曆了一個由近及遠的過程。

爆破振動監測分析3.1

爆破典型振動波形特征

平導隧道施工采用人工爆破作業,爆破分7段起爆,第1、第2段為掏槽眼爆破,第3 第5段為輔助眼爆破,第6段為底板眼爆破,第7段為周邊眼爆破。為了減小爆破對鄰近隧道的影響,施工采用了光面爆破,根據圍岩特點,並結合斷面大小,掏槽眼采用楔形掏槽並分兩段起爆,輔助眼應避開節理、裂隙合理選擇間距布置,周邊眼應合理選擇間距並沿開挖輪廓線均勻布

置。輔助眼和周邊眼孔深均為1.8m ,而且孔底在同一垂直面上,掏槽眼孔深為2.0m 。輔助眼和周邊眼

單孔裝藥量分別為0.9kg 和0.36kg ,掏槽眼單孔裝藥量為1.7 2.0kg ,隧道光面爆破最大單段起爆藥量Q 為20.4 24.6kg 。

在典型監測點金山頂隧道DK355+150處得到質點在垂向、水平徑向和水平切向3個方向的振動時程曲線如圖5所示。由圖5可知,振動時程曲線有7個變化

點,分別對應7段起爆順序,最大振速出現在第2段上,即最大振速對應為掏槽眼爆破時刻,應控制掏槽眼的最大裝藥量。由於采取了合理的微差爆破時間,各段振動波形獨立,沒有產生明顯的振動疊加效應。

3.2

爆破振動速度變化特征分析

3.2.1監測控制標准的討論

振動的物理量一般用質點的振速、加速度、位移和振動頻率等表示[6]。用振動的哪些物理量作為衡量爆破振動效應強度的判別標准,在不同的工程實踐中,各有側重,國內外多采用地面質點的振動速度作為衡量爆破強度的判別標准,也有學者研究稱爆破振動的主振頻率也是一個衡量爆破振動強度的判別標准[7-8],是一個不可忽略的重要因數,依據我國的《爆

破安全規程》[9](GB 6722—2011)中的規定,也將主振頻率納入了考慮范圍。

結合本次工程的實際情況和目前的研究成果及工程經驗,根據《爆破安全規程》(GB 6722—2011)的規定,鐵路交通隧道安全振動速度標准按10cm /s ＜V ＜20cm /s 控制,考慮到金山頂高鐵隧道正在試運營,爆破振動過大可能會導致試運營高鐵線路路床的不均勻變形及造成線路消防、供電照明和通訊等附屬設施的破壞,為了避免以上嚴重後果的發生而影響試運營高鐵的行車安全,為了確保隧道襯砌結構的安全性,規定對既有運營鐵路隧道允許的爆破振動速度不宜超過5cm /s 。3.2.2振動速度變化趨勢分析

在DK355+150處進行了13次爆破監測,並運用Blasting vibration analysis 分析軟件對振動3個方向的波形進行了合成,得到新的波形的矢量振速峰值,具體監測數據見表2,測點質點振速峰值變化趨勢。

隧道爆破振動監測數據測試序號Ｒ/m Q /kg 徑向

切向垂向矢量合成

振速/(cm /s )主頻/Hz振速/(cm /s )主頻/Hz振速/(cm /s )主頻/Hz振速/(cm /s )

1

32.624.6 4.84444.41 2.49101.32 5.52320.00 5.26233.224.6 4.66470.67 2.26156.91 5.29333.36 5.07334.121.4 3.97400.00 2.33121.21 4.29285.71 4.12434.921.4 3.69363.65 2.06170.26 4.25235.36 3.92535.821.4 3.58173.92 2.31166.71 4.12235.30 3.83636.623.2 4.62381.26 3.7684.23 4.52296.38 4.58737.323.2 4.44277.83 2.2367.66 4.31277.82 4.39838.120.4 3.69357.14 2.03138.98 3.96192.37 3.79939.020.4 3.52125.00 1.9556.84 3.8096.28 3.711041.120.4 3.33250.00 1.27100.00 3.64192.35 3.541142.320.4 3.05210.56 1.6894.14 3.48216.23 3.261243.620.4 2.86227.330.81312.50 3.22178.62 3.0513

44.7

20.4

2.58470.63

1.06119.42

3.08258.17

2.83

注:Ｒ為爆心與測點的水平距離;Q 為與振動速度V 對應的最大單段起爆藥量。

從表2和圖6可以看出。

(1)在樁號為DK355+150測點斷面,除了第一次垂向振動速度5.52cm /s 和第二次垂向振速5.29cm /s ,其他次測試質點振動峰值速度均在安全標准5cm /s 內。這可能是因為測點與爆心水平距離較短而

且單段最大起爆藥量過大造成的,而救援通道是平導

式隧道,每次爆破時金山頂隧道必有一個與爆心正對的斷面(此斷面為最危險斷面),最小水平距離即為測點與爆心的水平距離約為32.6m 。所以只能通過調整單段最大起爆藥量或其他措施來控制爆破峰值質點振速峰值變化趨勢振速。

(2)測點的垂向和徑向的峰值振動速度明顯大於切向,而垂向只在第6次和第7次的峰值振動速度小於徑向,其他次均大於徑向。由此可見,質點朝臨空面的峰值振動速度要明顯大於其他方向,矢量合成的振速峰值介於垂向和徑向之間,這可能是由於同一測點3個方向的振速峰值並非同時達到,具有一定的時間差。因此,在迎爆面垂向是最容易發生破壞也即最危險的方向,徑向次之,切向峰值振速明顯小於其他方向,在今後類似工程中可只監測垂向和徑向振動速度以簡化爆破振動監測。

(3)在單段最大起爆藥量不改變的情況下,質點的振速峰值V和爆心距Ｒ有明顯的對應關系,隨著爆破施工的不斷推進,測點和爆源經曆了一個由近及遠的過程,測點質點的振速峰值也隨著爆心距的逐漸增大而呈現逐漸衰減的趨勢。

(4)振動主頻除若幹點小於100Hz以外,其餘均大於100Hz,爆破振動的叁向主振頻率主要集中在100 400Hz,屬於高頻振動。

3.2.3爆破振動衰減公式的回歸分析

爆破後會急劇釋放能量,並以波動的形式向外傳播,引起介質的質點振動,但爆破振動衰減快,依據現有的研究成果,目前國內外一般采用薩道夫斯基經驗衰減公式對爆破振動數據進行回歸分析[10-12]

V=K3槡Q()Ｒα(1)

式中,V為爆破產生的質點振動速度,cm/s;Ｒ為爆源與測點的直線距離,m;Q為爆破單段最大起爆藥量,kg;K為與地質條件、圍岩特性有關的系數;α為爆破衰減系數。

對式(1)兩邊取自然對數得

ln V=ln K+αln(Q1/3/Ｒ)(2)令ln V=y,ln(Q1/3/Ｒ)=x,ln K=b,α=m,則將式(2)變換得到一元線性回歸公式

y=mx+b(3)

利用式(1) 式(3)對表1數據進行最小二乘法回歸,得薩道夫斯基經驗衰減公式(表3)。

表3薩道夫斯基經驗衰減公式

方向相關系數V垂向=141.173槡Q()Ｒ 1.360.94V徑向=162.39

槡Q()Ｒ 1.450.82V合成=156.02

槡Q()Ｒ 1.420.89

根據得到的薩道夫斯基經驗衰減公式,可以推算確保高鐵隧道襯砌結構的爆破振速峰值在安全控制標准以內的單段最大起爆藥量

Qmax=ＲminVmax()K3α

由現場工程實際及安全控制標准可知:Ｒmin=

32.6m,Vmax=5cm/s,代入到表3中的公式進行計算,得到單段最大起爆藥量並取其中最小值,得Q max= 21.5kg。

4結論

根據設計要求和《爆破安全規程》(GB6722—2011),對金山頂隧道救援通道爆破過程進行了振動監測及分析,通過對監測數據進行分析得到以下結論。

(1)在隧道爆破開挖施工過程中,當最初始監測時爆源正對測點距離爆源最近,產生的峰值振動速度最大;而隨著爆源與測點的距離越來越遠,對應的峰值振動速度也在逐漸衰減,在單段最大起爆藥量不改變的情況下,質點的振速峰值V和爆心距Ｒ有明顯的對應關系。

(2)爆破振動的叁向主振頻率主要集中在100 400Hz,屬於高頻振動,比既有金山頂高鐵隧道襯砌結構的固有頻率高很多,因此不會因爆破而產生共振破壞。

(3)基於最小二乘法對監測數據進行回歸分析,得到了垂向和徑向的薩道夫斯基經驗衰減公式,得到在安全控制標准下的單段最大起爆藥量為21.5kg。在後續爆破施工過程中建議將單段最大起爆藥量控制在21.5kg以內效果較好。

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