朱浩杰， 蔡奇鵬， 肖朝昀， 林立華， 涂兵雄， 黃山景

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361021; 2. 廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司， 福建 廈門 361021)

暗挖隧道下穿建筑物時，會使爆源附近的建筑物受到一定程度的影響.目前，已有眾多學(xué)者對爆破振動波在巖土介質(zhì)中的傳播規(guī)律及減振技術(shù)進(jìn)行研究，對比分析建筑物的振害特征及其對應(yīng)的振動觀測值，以不同頻率段對應(yīng)的最大振速作為爆破控制標(biāo)準(zhǔn)[1].張聲輝等[2]采用小波變換和反應(yīng)譜分析方法，發(fā)現(xiàn)爆破振動信號的能量主要分布在0～64 Hz，隨著高程的增加，能量分布趨于低頻帶.畢衛(wèi)國等[3]通過對爆破地震波主頻小波分析，發(fā)現(xiàn)振動主頻與結(jié)構(gòu)固有頻率越接近，結(jié)構(gòu)響應(yīng)越大.李洪濤等[4]采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論對工程實(shí)例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)建筑物對爆破振動不同頻率能量成分的選擇放大效應(yīng)，以及結(jié)構(gòu)固有頻率一致的能量成分將被最大程度地放大.

工程中以預(yù)測振速控制裝藥量[5-8]，爆破最大振速可通過薩道夫斯基公式求出，但在振動傳遞的過程中，常因其他因素的影響導(dǎo)致實(shí)際振速與預(yù)測值相差較大.針對下穿隧道，一些學(xué)者提出“空洞效應(yīng)”的概念[9-12]，即已開挖的隧道形成空洞后，對地表振速產(chǎn)生放大效應(yīng).楊海書等[13]擬合現(xiàn)場實(shí)測振動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隧道空洞對其上部建(構(gòu))筑物的振速放大倍數(shù)約為2.王輝等[14]分析輕軌隧道下穿建筑物時的爆破振動速度，發(fā)現(xiàn)下穿建筑物后的爆破振速放大倍數(shù)約為 1.32～1.69.文獻(xiàn)[15-16]以掌子面前、后的振速比值和振速差值作為空洞效應(yīng)衡量指標(biāo)，探討掌子面附近的振速變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著距離的增大，指標(biāo)值先增大后減小.基于此，本文對福建省廈門市石堀山隧道爆破開挖過程中洞頂民房進(jìn)行長期持續(xù)監(jiān)測，分析民房全過程爆破振動數(shù)據(jù)，研究“空洞效應(yīng)”下振速和主頻的變化規(guī)律.

1 工程概況

福建省廈門市石堀山隧道為雙向6車道公路隧道， 該隧道為分離式隧道，左、右線隧道中心線距離約為35 m，施工時，左線先行，前后錯開30 m.在隧道右線AK0+400樁號處有一棟兩層磚混結(jié)構(gòu)民房，民房高度為7.2 m，第一、二層高度均為3 m，民房的抗拉、抗剪、抗彎能力弱，抗震性能差，施工期間需重點(diǎn)監(jiān)測爆破振動對其的影響.

在民房第一層(測點(diǎn)1)及第二層(測點(diǎn)2)墻角處，各布置1臺自動化爆破振動儀，監(jiān)測三方向(徑向X、切向Y、垂向Z)質(zhì)點(diǎn)振速及對應(yīng)的主頻.監(jiān)測時間從2017年1月1日至2017年4月16日，連續(xù)監(jiān)測105 d，共獲取238組數(shù)據(jù)，由此分析民房前、后100 m左線和右線的爆破振動數(shù)據(jù).

隧道及民房平面圖，如圖1所示.右線隧道地質(zhì)縱斷面圖，如圖2所示.圖1，2中：徑向X為開挖方向；民房距隧道拱頂為53 m；RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)；Kv為巖體完整性系數(shù).

圖1 隧道及民房平面圖(單位：m) 圖2 右線隧道地質(zhì)縱斷面圖(單位：m)Fig.1 Plan of tunnel and civil buildings (unit: m) Fig.2 Geologic profile of right line tunnel (unit: m)

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

以民房為中心，測點(diǎn)與掌子面上方地表處的水平距離記為L，左線和右線隧道爆破振速v與距離L的關(guān)系圖，如圖3，4所示.圖3，4中：vX～vZ分別表示徑向、切向和垂向的爆破振速.由圖3，4可知：爆破振速整體上隨著測點(diǎn)與掌子面距離的減小而增大，基本符合薩道夫斯基振速衰減規(guī)律.

(a) 測點(diǎn)1 (b) 測點(diǎn)2圖3 左線隧道爆破振速與距離的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between blasting speed and distance of left line tunnel

(a) 測點(diǎn)1 (b) 測點(diǎn)2圖4 右線隧道爆破振速與距離的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between blasting speed and distance of right line tunnel

在爆破振動三向分量中，普遍認(rèn)為垂向振速最大[17]，因此，進(jìn)行相關(guān)分析時，通常以垂向振速為依據(jù).然而，在文中隧道爆破振動數(shù)據(jù)中，垂向振速并不是最大，甚至在距離房屋較近的爆破振動中，徑向振速明顯大于垂向振速，水平向振速明顯不可忽視.

在工程統(tǒng)計(jì)的238組數(shù)據(jù)中，有105組數(shù)據(jù)的徑向振速最大，比例為44%；有64組數(shù)據(jù)的切向振速最大，比例為27%；有69組數(shù)據(jù)的垂向振速最大，比例為29%.因此，單純地以垂向振速作為分析依據(jù)并不科學(xué).在以民房為中心的50 m范圍內(nèi)的90組數(shù)據(jù)中，徑向振速最大的數(shù)據(jù)比例為58%，切向振速最大的數(shù)據(jù)比例為18%，垂向振速最大的數(shù)據(jù)比例為24%.隧道開挖至測點(diǎn)前4.5 m時，測得徑向振速為1.878 cm·s-1，達(dá)到預(yù)警值.

結(jié)構(gòu)固有頻率與振動主頻越接近時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)越大[3].參照文獻(xiàn)[18-19]的方法，計(jì)算隧道上方砌體結(jié)構(gòu)的固有頻率.砌體房屋自振周期T與房屋高度H0相關(guān)，T=0.016 8×(H0+1.2).該砌體房屋的高度為7.2 m，經(jīng)計(jì)算可得砌體房屋自振周期為0.141 12 s，固有頻率f0為7.09 Hz(f0=1/T).

左線和右線隧道測點(diǎn)主頻(f)與距離的關(guān)系圖，如圖5，6所示.圖5，6中：fX～fZ分別表示徑向、切向和垂向主頻.由圖5，6可知：切向主頻最大，大多為35～70 Hz，徑向主頻次之，大多為35～55 Hz，垂向主頻最小，多為15～45 Hz；在238組數(shù)據(jù)中，小于30 Hz的切向主頻為9.2%，徑向主頻為15.1%，垂向主頻為36.6%；距離為50 m以內(nèi)的90組數(shù)據(jù)中，小于30 Hz的切向主頻為4.5%，徑向主頻為10.2%，垂向主頻為40.9%，切向平均主頻為48.83 Hz，徑向平均主頻為43.58 Hz，垂向平均主頻為32.52 Hz，垂向主頻處于更小的頻帶上.

由此可知，垂向主頻更接近民房的固有頻率，根據(jù)不同頻率能量成分的選擇放大效應(yīng)[4]，垂向振速產(chǎn)生的能量對房屋的影響更大，徑向能量次之，切向能量最小.因此，在單一分向振速并不一直占據(jù)優(yōu)勢時，可以綜合優(yōu)勢振速與主頻選取分析對象，選擇優(yōu)勢分向振速或根據(jù)建筑物固有頻率選擇較為接近主頻的分向振速進(jìn)行分析.

(a) 測點(diǎn)1 (b) 測點(diǎn)2圖5 左線隧道測點(diǎn)主頻與距離的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between main frequency and distance of left line tunnel measuring point

(a) 測點(diǎn)1 (b) 測點(diǎn)2圖6 右線隧道測點(diǎn)主頻與距離的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between main frequency and distance of right line tunnel measuring point

3 空洞效應(yīng)分析

對于鉆爆法隧道施工，眾多學(xué)者以掌子面為對稱面，對比未成洞前和成洞后的爆破振速，發(fā)現(xiàn)隧道已開挖成洞區(qū)地表的振速比對稱位置未開挖區(qū)地表的振速更大，從而提出空洞效應(yīng)的概念[9-12].以房屋為對稱點(diǎn)，在相同藥量和距離的情況下，對比掌子面未通過房屋時與通過房屋后的數(shù)據(jù)，分析空洞產(chǎn)生的影響.

右線隧道下穿前、后測點(diǎn)的振速對比，如圖7所示.圖7中：v1,-X表示掌子面在測點(diǎn)后方的測點(diǎn)1的徑向振速；v1,+X表示掌子面在測點(diǎn)前方的測點(diǎn)1的徑向振速；下文下標(biāo)表示類似.

(a) 測點(diǎn)1(徑向) (b) 測點(diǎn)2(徑向)

(c) 測點(diǎn)1(切向) (d) 測點(diǎn)2(切向)

(e) 測點(diǎn)1(垂向) (f) 測點(diǎn)2(垂向)圖7 右線隧道下穿前、后測點(diǎn)的振速對比Fig.7 Comparison of vibration velocity of measuring points before and after right line tunnel undercrossing

由圖7可知：回歸曲線擬合測點(diǎn)前方，即空洞形成前，三向振速均隨距離的增加而降低；空洞形成后，測點(diǎn)1的徑向、垂向振速明顯增大，測點(diǎn)2的垂向振速略有增大，徑向和切向振速變化不大；工程的放大效應(yīng)隨樓層的增加而減弱.

測點(diǎn)1的徑向、垂向振速變化的最大幅值并不是出現(xiàn)在距離測點(diǎn)最近的位置，而是一個從小到大再變小的過程.對比未形成空洞時測點(diǎn)1的垂向振速，在空洞形成后15.7 m處，垂向振速顯著增大，振速達(dá)2.08 cm·s-1，超過GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》的限值[1].

在一定的地質(zhì)條件下，離測點(diǎn)相同距離時，不同爆破作業(yè)在測點(diǎn)處測得的主頻基本相同[20-21].右線隧道下穿前、后測點(diǎn)的主頻對比，如圖8所示.由圖8可知：空洞會使主頻衰減；主頻在距測點(diǎn)一定范圍內(nèi)有所衰減，測點(diǎn)2在10～40 m內(nèi)的徑向和垂向主頻衰減至15 Hz左右.

曹孝君[16]以掌子面為對稱面，通過隧道中軸線上已開挖區(qū)(成洞區(qū))與對稱于爆源的未開挖區(qū)的地表質(zhì)點(diǎn)振速之比(空洞效應(yīng)的振速放大系數(shù))衡量爆破振動的空洞效應(yīng).由于空洞效應(yīng)不僅會對振速產(chǎn)生影響，而且還會顯著影響主頻，故重新定義空洞影響系數(shù)，即振速影響系數(shù)Cv和主頻影響系數(shù)Cf，分別對應(yīng)于以房屋為對稱點(diǎn)，用開挖至測點(diǎn)后方爆破在測點(diǎn)位置產(chǎn)生的振速(主頻)與未開挖至測點(diǎn)時爆破在測點(diǎn)產(chǎn)生的振速(主頻)之比.

(a) 測點(diǎn)1(徑向) (b) 測點(diǎn)2(徑向)

(c) 測點(diǎn)1(切向) (d) 測點(diǎn)2(切向)

(e) 測點(diǎn)1(垂向) (f) 測點(diǎn)2(垂向)圖8 右線隧道下穿前、后測點(diǎn)的主頻對比Fig.8 Comparison of main frequency of measuring points before and after right line tunnel undercrossing

因此，振速影響系數(shù)Cv和主頻影響系數(shù)Cf的計(jì)算式分別為

Cv=vb/vf,Cf=fb/ff.

式中：vf為未形成空洞前測得的振速；vb為形成空洞后測得的振速；ff為未形成空洞前測得的主頻；fb為形成空洞后測得的主頻.

當(dāng)距離小于50 m時，振速較大;當(dāng)距離超過50 m時，振速已普遍降低至0.6 cm·s-1以下(圖7).距離小于50 m時，振速影響系數(shù)與主頻影響系數(shù)的變化圖，如圖9所示.圖9中：Cv，1，X，Cf，1，X分別表示測點(diǎn)1的徑向Cv，Cf值；其他表示類似.由圖7,9可得以下2個結(jié)論.

1) 振速影響系數(shù)大致呈現(xiàn)出“中間大，兩頭小”的特征，表明空洞形成后，放大作用隨著掌子面距測點(diǎn)距離的增加而先增大后減??；當(dāng)距離為20～50 m時，測點(diǎn)1放大系數(shù)較大，徑向和垂向系數(shù)接近，普遍超過2，徑向系數(shù)最大超過3，切向系數(shù)在1.5左右波動；當(dāng)距離小于25 m時，垂向振速相對未形成空洞之前，增加了1.257 cm·s-1，達(dá)2.182 cm·s-1，超過控制值2.0 cm·s-1；當(dāng)距離為30～50 m時，徑向振速放大明顯，增幅最大為0.997 cm·s-1；當(dāng)距離為10～50 m時，測點(diǎn)2垂向最大放大系數(shù)也超過2.0.結(jié)合放大系數(shù)和增加幅值可知，垂向振速放大最大，徑向振速次之，切向振速最小，第一層比第二層的振速放大效應(yīng)更大.

(a) 測點(diǎn)1(徑向) (b) 測點(diǎn)2(徑向)

(c) 測點(diǎn)1(切向) (d) 測點(diǎn)2(切向)

(e) 測點(diǎn)1(垂向) (f) 測點(diǎn)2(垂向)圖9 振速影響系數(shù)與主頻影響系數(shù)的變化圖Fig.9 Variation between influence coefficient of vibration velocity and main frequency

2) 空洞形成后，在50 m范圍內(nèi)，兩個測點(diǎn)上的三向主頻均有不同程度的降低，主頻影響系數(shù)Cf大多數(shù)均小于1，存在先減小后增大的過程；測點(diǎn)1的垂向Cf最小值為0.39，測點(diǎn)2的垂向Cf最小值為0.41；測點(diǎn)1的徑向Cf最小值為0.46，測點(diǎn)2的徑向Cf最小值為0.35；測點(diǎn)1切向Cf最小值為0.68，測點(diǎn)2的切向Cf最小值為0.60.總體而言，主頻影響系數(shù)垂向最小，徑向次之，切向最大.

當(dāng)振速較大時，特別是振動主頻越接近建筑物固有頻率時，會對建筑物造成損害[3-4].空洞的存在會導(dǎo)致振速增加，主頻減小.例如，由于空洞的存在，測點(diǎn)1的垂向振速增加幅值較大，而此時主頻影響系數(shù)為0.39，主頻小于20 Hz，接近房屋的固有頻率7.09 Hz，其他方向也普遍存在此類情況.工程右線隧道從民宅正下方穿過，施工單位應(yīng)嚴(yán)格控制爆破裝藥量，控制爆破振速，除了個別點(diǎn)垂向振速超過2.0 cm·s-1外，3個方向測得的振速均控制在1.6 cm·s-1以下.在隧道下穿房屋之前，僅民房窗臺處出現(xiàn)個別細(xì)小裂縫，隧道下穿至工程結(jié)束后，民房窗臺、墻壁開裂嚴(yán)重.因此，在爆破工程中，不能僅考慮隧道開挖至建筑物前的過程，就認(rèn)為隧道通過后建筑物是安全的;而是應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識空洞效應(yīng)對振速放大、主頻減小的影響，對空洞形成后的爆破控制，更要嚴(yán)格把控，盡可能減少對建筑物的損害.

4 結(jié)論

基于福建省廈門市石堀山隧道下穿民房段的大量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析振速及主頻的變化規(guī)律，得出以下4個結(jié)論.

1) 爆破振速整體上隨著測點(diǎn)與掌子面距離的減小而增大.在238組數(shù)據(jù)中，徑向分量最大振速占比最多，達(dá)44%；主頻小于30 Hz的分量中，垂向分量占比最多，達(dá)36.6%.三向振速中，垂向振速不一定總是最大，應(yīng)綜合振速與主頻，選擇優(yōu)勢分向振速或根據(jù)建筑物固有頻率選擇接近的主頻對應(yīng)的分向振速進(jìn)行相關(guān)分析.

2) 隧道后方形成空洞后，在10～50 m范圍內(nèi)，將顯著放大爆破振動速度，振速增幅最大達(dá)1.257 cm·s-1，而主頻有一定的衰減，徑向和垂向主頻衰減至與房屋固有頻率接近.

3) 重新定義空洞影響系數(shù)，引入振速影響系數(shù)Cv和主頻影響系數(shù)Cf描述空洞形成前后爆破振動的變化規(guī)律.在50 m范圍內(nèi)，隨著掌子面遠(yuǎn)離測點(diǎn)，Cv先增加后減小，而Cf先減小后增大.對于空洞影響的綜合效應(yīng)，垂向最大，徑向次之，切向最小.Cv最大值達(dá)3.4，Cf最小值為0.35.

4) 隧道下穿民宅時，不能僅僅考慮隧道開挖至建筑物前的過程，就認(rèn)為隧道通過后建筑物是安全的，應(yīng)充分認(rèn)識到空洞效應(yīng)對振速放大，主頻減小的影響.對空洞形成后的爆破控制，更要嚴(yán)格把控，盡可能減少對建筑物損害.