陳雅輝

(中鐵十八局集團第四工程公司 天津 300350)

0 引言

近年來，我國城市建設(shè)迅速發(fā)展，眾多城市存在交通負荷過大的問題，為了緩解過大的交通壓力，已經(jīng)規(guī)劃和在建的地鐵軌道等交通項目已經(jīng)遍布全國各個大中型城市[1]。地鐵軌道多存在于地下隧道內(nèi)，在地鐵軌道建設(shè)中，首要的工作內(nèi)容即隧道的掘進。隧道施工的主要方法有明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法等。在城市區(qū)域，交通要道及地上地下構(gòu)筑物復(fù)雜地區(qū)，若隧道埋深較大，隧道洞身地段巖體整體性好，在巖層中進行地鐵隧道修建時，鉆爆法因其成本低，工序簡單以及爆破效果顯著等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用[2-3]。然而，采用鉆爆法施工會帶來一系列爆破危害，特別是爆破振動，會對地表建筑造成一定破壞，因此，對下穿建筑物的地鐵隧道鉆爆施工方案設(shè)計有更高的要求，必須對隧道爆破引起的爆破振動進行信息化施工監(jiān)測，以此指導(dǎo)工程爆破參數(shù)的設(shè)計和后續(xù)施工。本文以昆明市地鐵5號線隧道爆破施工區(qū)間為依托，研究地下淺孔爆破對既有結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵振動影響，對薩道夫斯基經(jīng)驗公式使用最小二乘法進行回歸預(yù)測，建立基于本次爆破施工在水平徑向(x向)、水平切向(y向)、鉛直方向(z向)3個方向上的振動速度經(jīng)驗公式，可為類似工程提供理論依據(jù)和參考。

1 工程概況

1.1 爆破周邊環(huán)境

昆明市地鐵5號線圓通公園站—翠湖站位于昆明市五華區(qū)，礦山法隧道區(qū)間位于圓通山下。隧道入口緊臨鼓樓路，鼓樓路兩側(cè)及中間地下管道、線路較復(fù)雜，圓通山上為昆明市動物園，公園地面建筑物主要以矮層框架房結(jié)構(gòu)為主，區(qū)級文物滇西抗戰(zhàn)陣亡紀念碑距離隧道最近處為 52.1 m，市級文物三石牌坊距離隧道最近處為 104.8 m。隧道南側(cè)昆明動物園外是圓通禪寺，距離爆破點最近距離 150 m。因本工程地處昆明鬧市區(qū)，周圍環(huán)境復(fù)雜，500 m范圍內(nèi)有省級文物圓通寺，根據(jù)爆破安全規(guī)程規(guī)定，本工程應(yīng)提高一個級別，將該工程列為C級爆破工程。爆區(qū)周圍環(huán)境位置示意圖如圖1所示。

圖1 爆區(qū)周圍環(huán)境相對位置示意

1.2 地質(zhì)情況

整個礦山段區(qū)間位于圓通山下，隧道埋設(shè)22.14～44.63 m，隧道穿越的巖土層主要為中等風(fēng)化白云巖，主要由碳酸鹽礦物組成，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖石飽和抗壓強度42.88 MPa，為較硬巖石。圍巖穩(wěn)定性主要特征為隧道洞身地段的地下水位高于隧道頂板約1～5 m，隧道洞身局部地段裂隙較為發(fā)育，巖體較為破碎，圍巖穩(wěn)定性較差；隧道洞身部分地頂、底板均有通過全填充粘土溶洞，且洞身均位于地下水位以下。此次爆破開挖施工對周邊環(huán)境影響范圍較大，因此需要對周邊既有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵振動特征進行監(jiān)測分析。

2 爆破設(shè)計監(jiān)測方案

隧道爆破開挖施工過程中難免會擾動圍巖，產(chǎn)生振動，隧道周邊的圓通山上昆明動物園區(qū)內(nèi)建筑、文物、園內(nèi)動物、圓通禪寺和鼓樓路下埋設(shè)管線為主要保護對象。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中對爆破振動安全允許標準中規(guī)定，一般古建筑與古跡的安全允許質(zhì)點振動速度為 0.3～0.5 cm/s；一般民用建筑物的安全允許質(zhì)點振動速度為 2.5～3.0 cm/s。為保證施工安全，高速度、高質(zhì)量的將巖石按規(guī)定斷面爆破下來，并減少周圍的巖石擾動及確保周圍建(構(gòu))筑物的安全，本次控爆施工設(shè)計指標為：按文物抗戰(zhàn)紀念碑、三石牌坊、圓通禪寺處振動速度不超過 0.2 cm/s，鼓樓路地下埋設(shè)管線及動物場館振動速度不超過 2.5 cm/s 進行控爆設(shè)計。

2.1 施工爆破方法及炮孔設(shè)計

采用數(shù)碼電子雷管爆破，選用防水效果好的Φ32乳化炸藥，限制一次爆破的最大用藥量，設(shè)計中使每段雷管的起爆時差適當加大，防止前后段震動波的疊加，并嚴格控制段發(fā)炸藥量，以達到降震的目的。選擇合理的掏槽形式，不僅能降低各級掏槽爆破藥量，同時還可以減弱巖石的夾制作用，改善掏槽爆破效果，降低爆破振動效應(yīng)[4-5]。根據(jù)本工程圍巖實際情況及實際開挖進尺，決定采用楔形布置，采用N=6(個)掏槽眼，槽眼間的距離取80 cm，同一平面上兩炮眼眼底的距離為40 cm。炮眼具體參數(shù)如表1所示，炮眼布置詳圖見圖2—3。

表1 炮眼參數(shù)

圖2 上臺階炮眼布置

圖3 下臺階炮眼布置(單位：mm)

2.2 爆破測試步驟

采用CBSD-VM-M01型網(wǎng)絡(luò)測振儀，該測振儀包括控制分析儀和傳感器兩部分，將傳統(tǒng)的傳感器和測振儀進行優(yōu)化整合，實現(xiàn)了測振數(shù)據(jù)采集、儲存、傳輸全過程的無縫對接。 通過網(wǎng)絡(luò)測振儀對監(jiān)測保護對象的地基質(zhì)點振動速度和主振頻率進行監(jiān)測，其中測量振動速度包括3個方向的振動速度，即鉛直方向(z向)、水平徑向(x向)、水平切向(y向)。爆破測試步驟如圖4所示。

圖4 測試步驟

3 監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，考慮測試設(shè)備安裝情況以及設(shè)備自身原因，剔除無效測試數(shù)據(jù)，最后得到有效數(shù)據(jù)144組，受篇幅限制，部分數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 x、y、z向振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.1 爆心距對振速的影響

為研究此次地下淺孔爆破對既有結(jié)構(gòu)的振動特征以及地下爆破的在巖層中的衰減規(guī)律，通過對現(xiàn)場爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)分析，剔除異常以及離散較大的數(shù)據(jù)，將收集到不同爆心距x、y、z3個方向上的振動速度，為得到此次爆破施工爆心距與振速的關(guān)系，根據(jù)表2繪制出爆心距與振速的關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 爆心距與振速關(guān)系

由圖5可見，各測點3個方向(徑向x、切向y、鉛直z)的振動速度基本低于1 cm/s，只有極個別測點大于1 cm/s，遠遠低于安全控制值2.5 cm/s，文物抗戰(zhàn)紀念碑、三石牌坊、圓通禪寺處等測點安全控制值為0.2 cm/s，從工程概況中可知，這3處測點距離爆破點最近距離為52.1 m，從爆心距與振速關(guān)系圖中可看出，當爆心距大于50 m后，振速值基本控制在0.2 cm/s以下，這說明此次爆破施工的安全性高，可行性強。

另外通過觀察振動變化趨勢線，測點振速受較近爆破區(qū)域影響較大，距爆心距離越近振速越大，但在較近爆破區(qū)域，振速的衰減作用同時也表現(xiàn)的越明顯，從圖中可看出較近爆破區(qū)域振速衰減明顯，隨著爆心距的增大，振速衰減作用減弱，振速表現(xiàn)較為平緩，振速衰減變化近似呈冪函數(shù)變化。

3.2 振動速度衰減理論回歸分析

目前，國內(nèi)外對于涉及到爆破振速問題，一般采用前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基提出的經(jīng)驗公式，如式(1)所示。

(1)

式中，V為爆破振速；Q為最大一段的裝藥量，kg；R為爆源中心距離最近需要保護對象的最小距離，m；K為與介質(zhì)特性、爆破方式及其他因素有關(guān)系數(shù)；α為震動衰減系數(shù)，大小與地質(zhì)條件及距離爆破中心的距離有關(guān)。

定義K,α為爆破衰減參數(shù),可反應(yīng)振動在爆破過程中的衰減規(guī)律, 采用最小二乘法回歸理論對測點徑向x、切向y、鉛直z3個方向的振動速度公式進行研究[6]。

將式(1)兩邊同時取對數(shù)得：

(2)

令y=lgV,x=lg(Q1/3/R) ,b=lgk,k=α,將式(2)轉(zhuǎn)換為式(3)：

y=kx+b

(3)

通過最小二乘回歸分析,可建立水平徑向(x向)、水平切向(y向)、鉛直方向(z向)3個方向的振動速度經(jīng)驗公式。

3.3 建立振速衰減規(guī)律經(jīng)驗公式

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)爆心距R、振動速度V以及結(jié)合爆破使用的單孔藥量Q,采用上述理論進行擬合，得到了水平徑向(x向)、水平切向(y向)、鉛直方向(z向)3個方向的振動速度擬合直線，其中y=lgV,x=lg(Q1/3/R) ,如圖6所示。

(a)水平徑向X數(shù)據(jù)

(b)水平切向Y數(shù)據(jù)

(c)鉛直方向Z數(shù)據(jù)

由圖6(a)可知，水平徑向x的擬合關(guān)系式如式(4)所示(相關(guān)度為0.886 2)：

y=1.407 13x+1.656 3

(4)

由圖6(b)可知，水平切向y的擬合關(guān)系式如式(5)所示(相關(guān)度為0.776 07)：

y=1.569 34x+1.871 97

(5)

由圖6(c)可知，鉛直方向z的擬合關(guān)系式如式(6)所示(相關(guān)度為0.901 1)：

y=1.795 13x+2.293 06

(6)

由式(2)聯(lián)立式(4)—(6)即可得到水平徑向(x向)、水平切向(y向)、鉛直方向(z向)3個方向的衰減參數(shù)K、α，具體參數(shù)值見表3。

表3 x、y、z 3個方向衰減參數(shù)

由表3及式(1)可得水平徑向(x向)、水平切向(y向)、鉛直方向(z向)3個方向上的振動速度經(jīng)驗公式如式(7)—(9)所示。

水平徑向(x向)振動速度經(jīng)驗公式：

(7)

水平切向(y向)振動速度經(jīng)驗公式：

(8)

鉛直方向(z向)振動速度經(jīng)驗公式：

(9)

在同類型工程中，根據(jù)爆心距和最大段裝藥量，結(jié)合經(jīng)驗公式(7)—(9)可對既有結(jié)構(gòu)水平徑向(x向)、水平切向(y向)、鉛直方向(z向)等3個方向的振動速度進行有效預(yù)測，為爆破施工的安全和既有結(jié)構(gòu)的保護提供重要的參考價值。同時通過經(jīng)驗公式也可看出此次爆破振動影響最大的方向為鉛直方向(z向)，而后為水平切向(y向), 水平徑向(x向)次之，其中鉛直方向(z向)的爆破振動影響較大于其他2個方向。

3.4 主振頻率分析

為研究主振頻率與爆心距之間的關(guān)系，繪制主振頻率與爆心距的關(guān)系圖，如圖7所示。從圖7可知，3個方向的主振頻率與爆心距均無明顯的變化規(guī)律，主振頻率主要集中在10～75 Hz之間，此次質(zhì)點監(jiān)測對象均為低層建筑，對于低層建筑而言，其固有頻率一般為1～10 Hz左右，因此可判斷此次爆破施工引起既有結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象的可能較低，但在小范圍內(nèi)存在部分測點主振頻率低于10 Hz，可能會對既有結(jié)構(gòu)造成危害。通過觀察3個方向的主振頻率與爆心距關(guān)系圖可發(fā)現(xiàn)其主振頻率波峰均出現(xiàn)在爆心距約50 m處，因此不會造成2個不同爆心距波峰之間的主振頻率干涉現(xiàn)象。

(b)y向監(jiān)測數(shù)據(jù)

(c)z向監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

針對昆明市地鐵5號線礦山法隧道區(qū)間，為防止爆破施工對臨近建筑物產(chǎn)生危害，對質(zhì)點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行理論分析，得出以下結(jié)論:

(1)地鐵5號線礦山法隧道區(qū)間外圍環(huán)境復(fù)雜，充分考慮周圍建筑物爆破振動允許值以及爆破距離，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明最大振動速度為1.67 cm/s，低于控制標準值2.5 cm/s，爆心距50 m后振動速度均控制在約0.2 cm/s，極大的降低了古建筑受損的概率。

(2)水平徑向x向，水平切向y向,鉛直方向z向等3個方向的振動速度衰減在爆心距較近區(qū)域隨爆心距的增大而表現(xiàn)明顯，較遠區(qū)域則體現(xiàn)出衰減緩慢的特點，其中鉛直方向振動速度衰減最為明顯。主振頻率主要集中在10～75 Hz之間，存在共振現(xiàn)象的可能性較低。

(3)對薩道夫斯基經(jīng)驗公式使用最小二乘法進行回歸預(yù)測，建立基于本次爆破施工在水平徑向x、水平切向y、鉛直方向z3個方向上的振動速度經(jīng)驗公式，可較好的預(yù)測3個方向上的振動速度衰減規(guī)律，研究結(jié)果可為類似工程提供重要參考價值。