摘要:為確保已建金山頂高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全,有必要在救援通道爆破施工過(guò)程中對(duì)其開(kāi)展爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

采用TC－4850N 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)爆破測(cè)振儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:既有隧道迎爆側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)斷面振動(dòng)最大;基于最小二乘法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并得到了爆破振動(dòng)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式參數(shù);根據(jù)公式參數(shù)對(duì)后續(xù)爆破提出了爆破振動(dòng)控制措施,做到當(dāng)振動(dòng)速度超過(guò)安全閥值時(shí)及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),取得了較好的效果。關(guān)鍵詞:高鐵隧道;振動(dòng)監(jiān)測(cè);爆破振動(dòng);薩道夫斯基公式中圖分類(lèi)號(hào):U458

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái),隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,爆破技術(shù)在鐵路隧道工程的建設(shè)中發(fā)揮著日益重要的作

用。目前,國(guó)內(nèi)隧道爆破開(kāi)挖多采用鉆爆法施工[1]

,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)做過(guò)許多研究,蔡

凍等[2]

對(duì)野山河隧道進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè),分析了隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近水電站的影響;宋福[3]

對(duì)敖包溝隧道進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè),

分析了隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近既有房屋建筑物的影響;劉玉山等[4]

對(duì)大軒嶺隧道進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè),分析了隧道爆破振動(dòng)對(duì)在建小凈距隧道的影響。目前針對(duì)鄰近大型水電站、鄰近既有房屋建筑物、

鄰近在建隧道的振動(dòng)安全分析比較多,而對(duì)鄰近已建高鐵隧道的振動(dòng)安全分析比較少。爆破開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生爆破地震波,地震波產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)

既有鄰近高鐵隧道產(chǎn)生不利影響,

主要表現(xiàn)為爆破振動(dòng)會(huì)造成高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的不均勻變形,進(jìn)而可能

引起襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[5]。

因此,在隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中,必須加強(qiáng)對(duì)爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)與研究,并采取有效措施控制爆破振動(dòng)的強(qiáng)度。

以金山頂隧道救援通道爆破施工為研究對(duì)象,對(duì)隧道爆破開(kāi)挖施工產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)及爆破振動(dòng)響應(yīng),及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化新建隧洞施工的爆破設(shè)計(jì)參數(shù),以保護(hù)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(zāi)疏散

工程,

設(shè)計(jì)為平導(dǎo)式隧道,位于金山頂隧道進(jìn)口右側(cè)平行于主洞,與進(jìn)口段線路右側(cè)的既有綜合洞室(正交里程為DK355+224)相接,與主洞凈距約為30m ,救援通道與主洞相對(duì)位置見(jiàn)圖1。平導(dǎo)全長(zhǎng)597m ,斷面凈空尺寸為5m (寬)?6m (高),該平導(dǎo)位于剝蝕中低山區(qū),區(qū)內(nèi)溝谷縱橫,植被發(fā)育,自然坡度為30? 55?,遂址區(qū)地層主要為燕山期花崗巖,中元古界板橋組粉砂質(zhì)板巖。救援通道隧洞圍巖分為3個(gè)工程地質(zhì)段,分別為Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)巖石,

隧洞圍巖分級(jí)

對(duì)應(yīng)樁號(hào)分段長(zhǎng)度/m

巖體類(lèi)型

圍巖級(jí)別

XDK0+000

XDX0+478478花崗巖,弱風(fēng)化,巖質(zhì)堅(jiān)硬,巖體較完整ⅡXDK0+478 XDX0+50325粉砂質(zhì)板巖,弱風(fēng)化,巖質(zhì)堅(jiān)硬,巖體破碎ⅣXDK0+503 XDX0+597

94

花崗巖,強(qiáng)風(fēng)化,巖質(zhì)堅(jiān)硬,

巖體破碎Ⅴ

金山頂隧道正洞采用復(fù)合式襯砌型結(jié)構(gòu),洞口段小于150m 范圍內(nèi)襯砌采用C35混凝土結(jié)合鋼筋網(wǎng)型襯砌結(jié)構(gòu),二次襯砌厚度40 50cm ,混凝土強(qiáng)度35MPa 。洞口段大于150m 范圍采用C30素混凝土襯砌結(jié)構(gòu),二次襯砌厚度35 40cm 。救援通道施工采用人工爆破作業(yè)。2

隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)2.1

監(jiān)測(cè)儀器及方法

本次隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)擬采用由TC－4850N 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)爆破測(cè)振儀、

Blasting vibration analysis 分析軟件、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等組成振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)如圖2所示,在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,在同一測(cè)點(diǎn)布置垂向,切向和徑向三個(gè)方向速度傳感器,傳感器用502膠水固定在所需監(jiān)測(cè)部位,再將傳感器與爆破測(cè)振儀相連,

當(dāng)爆破振動(dòng)傳遞到測(cè)點(diǎn)時(shí),爆破振動(dòng)記錄儀自動(dòng)記錄信號(hào),然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上專(zhuān)

用服務(wù)器內(nèi),

爆破后可利用配套的爆破振動(dòng)分析軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將振動(dòng)信號(hào)下載輸入到電腦中,并進(jìn)行分析處理。

2.2測(cè)點(diǎn)的布置

將傳感器布設(shè)在既有鐵路隧道迎爆側(cè)拱腳上。為了分析振動(dòng)場(chǎng)的分布情況,了解爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響,在爆破源正對(duì)既有隧道交叉40 50m 范圍內(nèi)布置3個(gè)斷面測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)包括3個(gè)速度傳感器,分別為垂直地面方向(垂向)、水平徑向(其長(zhǎng)軸指向爆破源)、水平切向(垂直于徑向),每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行垂直和兩個(gè)水平方向的觀測(cè)。

測(cè)試工作和隧道爆破開(kāi)挖作業(yè)同時(shí)展開(kāi),根據(jù)測(cè)點(diǎn)的布置,

測(cè)點(diǎn)和爆源之間經(jīng)歷了一個(gè)由近及遠(yuǎn)的過(guò)程。

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析3.1

爆破典型振動(dòng)波形特征

平導(dǎo)隧道施工采用人工爆破作業(yè),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(duì)鄰近隧道的影響,施工采用了光面爆破,根據(jù)圍巖特點(diǎn),并結(jié)合斷面大小,掏槽眼采用楔形掏槽并分兩段起爆,輔助眼應(yīng)避開(kāi)節(jié)理、裂隙合理選擇間距布置,周邊眼應(yīng)合理選擇間距并沿開(kāi)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(jiān)測(cè)點(diǎn)金山頂隧道DK355+150處得到質(zhì)點(diǎn)在垂向、水平徑向和水平切向3個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)程曲線如圖5所示。由圖5可知,振動(dòng)時(shí)程曲線有7個(gè)變化

點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)7段起爆順序,最大振速出現(xiàn)在第2段上,即最大振速對(duì)應(yīng)為掏槽眼爆破時(shí)刻,應(yīng)控制掏槽眼的最大裝藥量。由于采取了合理的微差爆破時(shí)間,各段振動(dòng)波形獨(dú)立,沒(méi)有產(chǎn)生明顯的振動(dòng)疊加效應(yīng)。

3.2

爆破振動(dòng)速度變化特征分析

3.2.1監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)的討論

振動(dòng)的物理量一般用質(zhì)點(diǎn)的振速、加速度、位移和振動(dòng)頻率等表示[6]。用振動(dòng)的哪些物理量作為衡量爆破振動(dòng)效應(yīng)強(qiáng)度的判別標(biāo)準(zhǔn),在不同的工程實(shí)踐中,各有側(cè)重,國(guó)內(nèi)外多采用地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度作為衡量爆破強(qiáng)度的判別標(biāo)準(zhǔn),也有學(xué)者研究稱爆破振動(dòng)的主振頻率也是一個(gè)衡量爆破振動(dòng)強(qiáng)度的判別標(biāo)準(zhǔn)[7-8],是一個(gè)不可忽略的重要因數(shù),依據(jù)我國(guó)的《爆

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

結(jié)合本次工程的實(shí)際情況和目前的研究成果及工程經(jīng)驗(yàn),根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)的規(guī)定,鐵路交通隧道安全振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)按10cm /s ＜V ＜20cm /s 控制,考慮到金山頂高鐵隧道正在試運(yùn)營(yíng),爆破振動(dòng)過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致試運(yùn)營(yíng)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(shè)施的破壞,為了避免以上嚴(yán)重后果的發(fā)生而影響試運(yùn)營(yíng)高鐵的行車(chē)安全,為了確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性,規(guī)定對(duì)既有運(yùn)營(yíng)鐵路隧道允許的爆破振動(dòng)速度不宜超過(guò)5cm /s 。3.2.2振動(dòng)速度變化趨勢(shì)分析

在DK355+150處進(jìn)行了13次爆破監(jiān)測(cè),并運(yùn)用Blasting vibration analysis 分析軟件對(duì)振動(dòng)3個(gè)方向的波形進(jìn)行了合成,得到新的波形的矢量振速峰值,具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振速峰值變化趨勢(shì)。

隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試序號(hào)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(cè)點(diǎn)的水平距離;Q 為與振動(dòng)速度V 對(duì)應(yīng)的最大單段起爆藥量。

從表2和圖6可以看出。

(1)在樁號(hào)為DK355+150測(cè)點(diǎn)斷面,除了第一次垂向振動(dòng)速度5.52cm /s 和第二次垂向振速5.29cm /s ,其他次測(cè)試質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度均在安全標(biāo)準(zhǔn)5cm /s 內(nèi)。這可能是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)與爆心水平距離較短而

且單段最大起爆藥量過(guò)大造成的,而救援通道是平導(dǎo)

式隧道,每次爆破時(shí)金山頂隧道必有一個(gè)與爆心正對(duì)的斷面(此斷面為最危險(xiǎn)斷面),最小水平距離即為測(cè)點(diǎn)與爆心的水平距離約為32.6m 。所以只能通過(guò)調(diào)整單段最大起爆藥量或其他措施來(lái)控制爆破峰值質(zhì)點(diǎn)振速峰值變化趨勢(shì)振速。

(2)測(cè)點(diǎn)的垂向和徑向的峰值振動(dòng)速度明顯大于切向,而垂向只在第6次和第7次的峰值振動(dòng)速度小于徑向,其他次均大于徑向。由此可見(jiàn),質(zhì)點(diǎn)朝臨空面的峰值振動(dòng)速度要明顯大于其他方向,矢量合成的振速峰值介于垂向和徑向之間,這可能是由于同一測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振速峰值并非同時(shí)達(dá)到,具有一定的時(shí)間差。因此,在迎爆面垂向是最容易發(fā)生破壞也即最危險(xiǎn)的方向,徑向次之,切向峰值振速明顯小于其他方向,在今后類(lèi)似工程中可只監(jiān)測(cè)垂向和徑向振動(dòng)速度以簡(jiǎn)化爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

(3)在單段最大起爆藥量不改變的情況下,質(zhì)點(diǎn)的振速峰值V和爆心距Ｒ有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,隨著爆破施工的不斷推進(jìn),測(cè)點(diǎn)和爆源經(jīng)歷了一個(gè)由近及遠(yuǎn)的過(guò)程,測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的振速峰值也隨著爆心距的逐漸增大而呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢(shì)。

(4)振動(dòng)主頻除若干點(diǎn)小于100Hz以外,其余均大于100Hz,爆破振動(dòng)的三向主振頻率主要集中在100 400Hz,屬于高頻振動(dòng)。

3.2.3爆破振動(dòng)衰減公式的回歸分析

爆破后會(huì)急劇釋放能量,并以波動(dòng)的形式向外傳播,引起介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),但爆破振動(dòng)衰減快,依據(jù)現(xiàn)有的研究成果,目前國(guó)內(nèi)外一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[10-12]

V=K3槡Q()Ｒα(1)

式中,V為爆破產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;Ｒ為爆源與測(cè)點(diǎn)的直線距離,m;Q為爆破單段最大起爆藥量,kg;K為與地質(zhì)條件、圍巖特性有關(guān)的系數(shù);α為爆破衰減系數(shù)。

對(duì)式(1)兩邊取自然對(duì)數(shù)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(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法回歸,得薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式(表3)。

表3薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式

方向相關(guān)系數(shù)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(jù)得到的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式,可以推算確保高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的爆破振速峰值在安全控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的單段最大起爆藥量

Qmax=ＲminVmax()K3α

由現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際及安全控制標(biāo)準(zhǔn)可知:Ｒmin=

32.6m,Vmax=5cm/s,代入到表3中的公式進(jìn)行計(jì)算,得到單段最大起爆藥量并取其中最小值,得Q max= 21.5kg。

4結(jié)論

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2011),對(duì)金山頂隧道救援通道爆破過(guò)程進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析,通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到以下結(jié)論。

(1)在隧道爆破開(kāi)挖施工過(guò)程中,當(dāng)最初始監(jiān)測(cè)時(shí)爆源正對(duì)測(cè)點(diǎn)距離爆源最近,產(chǎn)生的峰值振動(dòng)速度最大;而隨著爆源與測(cè)點(diǎn)的距離越來(lái)越遠(yuǎn),對(duì)應(yīng)的峰值振動(dòng)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(zhì)點(diǎn)的振速峰值V和爆心距Ｒ有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)爆破振動(dòng)的三向主振頻率主要集中在100 400Hz,屬于高頻振動(dòng),比既有金山頂高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的固有頻率高很多,因此不會(huì)因爆破而產(chǎn)生共振破壞。

(3)基于最小二乘法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到了垂向和徑向的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式,得到在安全控制標(biāo)準(zhǔn)下的單段最大起爆藥量為21.5kg。在后續(xù)爆破施工過(guò)程中建議將單段最大起爆藥量控制在21.5kg以內(nèi)效果較好。

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