地铁隧道爆破参数优化及其振动效应研究.pdf
第35卷 第2期 2018年6月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 2 Jun. 2018 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 02. 015 地铁隧道爆破参数优化及其振动效应研究* 周仕仁 1, 周建敏2, 王洪华1, 丁晓峰1, 叶剑波1, 赵明生2 (1.上海宝冶集团有限公司, 上海200000;2.贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵阳550002) 摘 要 贵阳轨道交通二号线富源北路站至森林公园段部分区间采用爆破法开挖, 由于地铁隧道周边民房 较多, 对于控制质点峰值振动速度提出很高的要求。采用分台阶爆破施工方法进行隧道开挖, 上台阶超前于 下台阶3 ~5 m。选择炮孔直径40 mm, 炮孔深度1. 5 ~1. 7 m, 隧道爆破每循环进尺控制在1. 2 m以内, 孔内 采用1 ~15段毫秒延期导爆管雷管进行起爆。通过合理布置测点进行了现场爆破振动监测, 拟合出了考虑 高程差条件下的振动速度预测公式。爆破振动监测结果表明 斜井隧道爆破振动的水平径向峰值振动速度 最大, 而垂直方向的主频频率大于水平方向, 且主频范围集中在20 ~60 Hz之间, 远远小于建筑物的自振频 率。爆破振动存在放大作用, 但其质点峰值振动速度均小于民房振速安全阈值(1. 5 cm/ s), 不会对斜井隧道 上方的民房造成振动破坏。提出复式小楔形掏槽结构代替原有的大楔形掏槽结构, 能够有效减弱岩体的夹 制作用, 达到降低爆破振动的要求。 关键词 地铁隧道;爆破开挖;振动监测;参数优化;减振技术 中图分类号 O625 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2018)02 -0085 -05 Analysis of Blasting Parameters Optimization and Blasting Vibration Effects of Subway Excavation ZHOU Shi-ren1,ZHOU Jian-min2,WANG Hong-hua1,DING Xiao-feng1,YE Jian-bo1,ZHAO Ming-sheng2 (1. Shanghai Baoye Group Co Ltd,Shanghai 200000,China; 2. Guizhou Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd,Guiyang 550002,China) Abstract Subway Line No. 2 from Fuyuanbeilu Station to Senlinggongyuan Station on Guiyang was excavated by blasting. Due to many buildings arrounding the subway,controlling the peak particle velocity of blast-induce becomes very crucial. The tunnel excavation is carried out by the method of step blasting construction method. The upper step is 3 ~5 m ahead of the lower step. The diameter of the bore-hole 40 mm,the hole depth 1. 5 ~1. 7 m,and the tunnel blasting length less than 1. 2 m,and time delay 1 to 15 milliseconds after the detonation ignition were applied. The measuring points for blasting vibration test were reasonably arranged,the attenuation law of blasting vibration velocity was obtained by after considering height difference. The results of blasting vibration showed that horizontal radial peak particle velocity of blasting vibration was maxium,the vertical direction frequency of blasting vibration was grea- ter than the horizontal direction,and the frequency range from 20 Hz to 60 Hz,far less than the natural frequency of the structure. The blasting vibration has a magnifying effect,but the particle peak vibration of the houses is smaller than the safety threshold(1. 5 cm/ s) ,which won′t cause vibration damage to the houses above the tunnel. The choice of the multi-stage small wedge cutting holes instead of big wedge cutting holes can noticeably reduce the blas- ting vibration. Key words subway tunnel;blasting excavation;monitoring of blasting vibration;optimization of blasting pa- rameters;vibration reduction technology 万方数据 收稿日期2018 -01 -16 作者简介周仕仁(1982 -) , 男, 浙江省湖州市, 高级工程师、 本科, 主要从事地铁隧道爆破开挖技术研究,(E-mail) 377413454@ qq. com。 通讯作者周建敏(1990 -) , 男, 福建省三明市, 高级工程师、 博士研 究生,主要从事工程爆破技术研究,(E-mail) zjm377413454@126. com。 基金项目黔科合成果[2017]4774(贵州省科技计划项目2017年 创新型领军企业再支持) ; 黔科合高G字[2015]4004号 ( 贵州省科技计划课题贵州省爆破工程技术研究中心 能力提升平台建设) 国内外的隧道开挖施工, 多采用爆破作为主要 的施工方法。然而爆破荷载产生的动力冲击作用, 对隧道围岩应力分布、 内部支护结构性能以及地表 建( 构) 筑物安全等造成不同程度的影响, 容易造成 隧道塌方、 支护结构受损以及地表建(构)筑物破坏 等危害[ 1-3]。 目前国内外学者对于隧道爆破的研究主要集中 在隧道爆破参数优化及地震波传播规律研究。对于 隧道爆破参数优化的研究, 主要是通过改变掏槽形 式、 控制最大单响药量以及选择合理的毫秒延期时 间等方法来减少隧道爆破产生的地震波能量, 达到 降低爆破振动危害的目的。而对于爆破地震波的传 播规律方面的研究, 主要是通过现场监测和分析爆 破振动信号, 从质点峰值振动速度和主振频率上探 讨隧道爆破振动的传播规律, 进而提出相应的安全 判据和减振措施[ 4-8]。上述研究主要集中在爆破振 动对隧道围岩、 支护结构以及临近隧道等构筑物的 稳定性影响[ 9,10], 而开展隧道爆破参数优化及其振 动效应研究, 尤其是考虑高程差的振动速度衰减规 律, 对提出合理的隧道爆破参数和振动控制技术措 施, 具有重要的现实意义。 以贵阳市轨道交通2号线隧道爆破开挖工程为 研究背景, 通过对隧道下穿民房段爆破开挖及其振 动监测, 研究地铁隧道爆破对地表建(构)筑物的影 响, 并对该段隧道爆破施工参数进行了优化。 1 工程概况 贵阳轨道交通二号线富源北路站至森林公园标 段, 隧道全长3041. 056 m, 在区间小里程端设置斜 井, 作为富森暗挖区间隧道进入正线掘进的临时施 工通道。斜井起点位于富源北路站北侧, 接着向南 侧前行与区间正线逐步靠近, 相距12 m左右后, 平 行区间左隧道前行, 先后下穿富源北路、1. 5环高架 桥、 七星大酒店和民房后进入森林公园山体, 斜井终 点于ZDK39 +385与区间左隧相接。斜井设计起讫 里K0 +000 ~ +422. 647, 总长422. 647 m, 隧道拱顶 埋深为5. 5 ~ 140 m。斜井通道平面位置如图1 所示。 图1 斜井通道平面位置示意图( 单位m) Fig. 1 Plane position of inclined well channel(unitm) 斜井在K0 +150 ~ +230段下穿大量低矮民房 区(1 ~4层砼) , 民房大多数为条形浅基础, 房屋结 构较差, 隧道拱顶埋深32 ~ 50 m, 斜井隧道周边建 筑物分布情况如表1所示。斜井隧道周边民房分布 如图2所示。隧道穿过的中硬岩地段主要为白云质 灰岩和中风化灰岩, 岩石普氏系数为6 ~8。拱顶岩 层厚度28 ~46 m。 图2 斜井周边建筑物 Fig. 2 Buildings around the inclined well 68爆 破 2018年6月 万方数据 表1 隧道周边建筑物分布情况 Table 1 The distribution of buildings around the tunnel 方位爆区与建筑物、 居民区、 交通要道名称水平距离/ m垂直距离/ m 隧道上方民房(1 ~4层砼) 砖混条形基础0 ~5032 ~50 隧道右上方七星酒店( 桩基础2 ~10. 2 m)2432 2 斜井隧道爆破方案优化与振动监测 2. 1 斜井隧道爆破设计方案 斜井隧道断面形状为马蹄形,断面尺寸宽为 5. 82 m, 高为6. 42 m。隧道开挖采用分台阶爆破施 工法, 整个隧道断面分成上下2个台阶, 上台阶超前 于下台阶3 ~5 m。选择炮孔直径40 mm, 炮孔深度 1. 5 ~1. 7 m, 隧道爆破每循环进尺控制在1. 2 m以 内, 孔内采用1 ~ 15段毫秒延期导爆管雷管进行起 爆。斜井隧道台阶爆破参数见表2。斜井隧道爆破 炮孔布置如图3所示。 表2 斜井隧道台阶爆破参数 Table 2 The parameters of bench blasting in inclined tunnel 位置孔类 间距/ mm 孔深 单孔 药量/ g 孔数/个 段位 最大单响 药量/ kg 掏槽孔4001. 780063 上台阶辅助孔6001. 5500185 ~94. 8 周边孔5001. 53002711 ~15 辅助孔6001. 5500281 ~7 下台阶周边孔5001. 5300129 ~114. 2 底板孔4001. 5400913 图3 斜井隧道爆破炮孔布置( 单位m) Fig. 3 Layout of blasting holes in the inclined tunnel(unitm) 2. 2 爆破振动监测方案 (1) 爆破振动测试仪器及其布置方法 采用成都中科测控TC-4850爆破振动测试仪 进行现场爆破振动监测。TC-4850爆破测振仪通过 石膏将其配套的三分量速度传感器粘接在测点周边 的基岩上, 进行各向振速的监测。通过该仪器可监 测得到爆破地震波的峰值振动速度、 主振频率和持 续时间等参量, 用以表征爆破振动的特性。现场仪 器的布置如图4所示。 (2) 现场振动监测点布置 为研究隧道爆破的振动效应, 在隧道上方的民 房周围布置测点进行振动监测。具体方案如下 沿 隧洞开挖轴线的掌子面(爆源)的掘进方向布置一 条测线, 各个测点在同一垂直平面内, 各个测点与爆 源中心的连线为一条直线。现场振动监测点的布置 如图5所示。 3 振动测试结果与分析 为研究斜井隧道爆破的振动效应, 在爆破现场进 行了多次爆破振动监测, 获得了大量的爆破振动监测 数据。其中部分典型隧道爆破振动数据见表3。 3. 1 爆破振动速度回归分析 选取20组现场监测的振动数据, 通过二元线性 回归计算, 得到斜井隧道爆破振动在考虑高程差条 件下的基于萨道夫斯基公式的K、α、β系数, 从而得 到考虑高程的斜井隧道爆破振动预测公式。 其中Z( 垂直) 、Y( 水平径向) 、X(水平切向)方 向上的预测公式分别为 78第35卷 第2期 周仕仁, 周建敏, 王洪华, 等 地铁隧道爆破参数优化及其振动效应研究 万方数据 Vz= 188 3 、Q J R 1. 52 3 、Q J H 0. 31 Vy= 165 3 、Q J R 1. 46 3 、Q J H 0. 25 Vx= 176 3 、Q J R 1. 48 3 、Q J H 0. 28 图4 中科测控TC-4850仪器布置 Fig. 4 Layout of the equipment of TC-4850 图5 隧道周边民房振速测点布置图 Fig. 5 Layout of the vibration velocity measurement points of the residential buildings around the tunnel 3. 2 振动速度结果分析 经过数次现场爆破振动监测, 根据所得的斜井 爆破振动数据, 发现如下规律 (1) 下台阶开挖时的爆破振动速度峰值小于上 台阶。上台阶爆破的振动峰值主要出现在25 ms左 右, 即掏槽孔爆破时产生的爆破振动最大。究其原因 主要是掏槽孔爆破时其自由面少, 岩石的挟制作用 大, 且掏槽孔单孔装药量较大。并且掏槽孔通常是数 孔同时起爆, 导致掏槽孔段往往是最大单响药量段。 表3 部分典型隧道爆破振动实测数据 Table 3 Measured data of some typical tunnel blasting vibration 测点 测点爆心 水平距S/ m 测点爆心 高差H/ m 爆心距 R/ m 质点振速峰值/ (cms -1) 振动主频/ Hz 持续 时间/ s 垂直0. 8638. 9261. 52 123232水平径向1. 0841. 0441. 57 水平切向0. 9936. 5211. 49 垂直0. 7858. 1271. 58 2103234水平径向0. 9846. 4381. 61 水平切向0. 9145. 6481. 54 垂直0. 6143. 0561. 63 3243240水平径向0. 7835. 7841. 68 水平切向0. 7138. 4121. 59 垂直0. 4132. 1671. 72 4184649水平径向0. 5324. 3891. 75 水平切向0. 4828. 9141. 63 (2) 在爆心距为50 m范围内, 质点峰值振动速 度随着爆心距R的增大而减小。斜井隧道爆破振 动的水平径向峰值振动速度最大, 而垂直方向的主 频频率大于水平方向。斜井隧道爆破的主振频率主 要集中在20 ~60 Hz之间, 高于建筑物的固有频率 2. 0 ~10 Hz。 (3) 根据上述拟合的爆破振动预测公式可以看 出, 虽然爆破振动存在放大作用, 但是其质点峰值振 动速度均在民房的振速安全阈值(1. 5 cm/ s)以下。 因此不会对斜井隧道上方的民房造成振动破坏。 3. 3 斜井隧道爆破振动控制技术 基于现场爆破振动监测以及相关隧道爆破的工 程经验, 提出以下减振控制技术措施 (1) 选择合理的掏槽结构形式。斜井隧道爆破 振动监测结果表明, 掏槽孔爆破时产生的爆破振动 最大。为此提出了复式楔形掏槽结构形式, 即采用 复式小楔形掏槽结构代替大楔形掏槽结构。使得各 掏槽孔单孔装药量减小, 同时前一级掏槽爆破为后 一级掏槽爆破提供自由面, 能够有效降低爆破振动 强度, 改善斜井隧道的爆破效果。 88爆 破 2018年6月 万方数据 (2) 选择合理的微差爆破间隔时间。对于本斜 井隧道爆破工程, 对低段位各排炮孔之间选择合理 的微差间隔时间起爆掏槽孔, 保证了地震波之间不 发生叠加。同时采用段位较高的毫秒延时雷管来起 爆辅助孔和周边孔, 适当增加同段位爆破的炮孔数, 既不会显著提高隧道爆破振动强度, 同时又能有效 改善隧道爆破效果。 (3) 隧道爆破振动实时监测与爆破参数优化。 斜井隧道爆破开挖过程中, 应实时进行隧道爆破振 动监测, 全面监控隧道爆破开挖及其振动效应, 不断 优化和调整隧道爆破参数。 4 结论 (1) 拟合了考虑高程差的隧道爆破振动预测公 式, 虽然爆破振动存在放大作用, 但其质点峰值振动 速度均在民房的振速安全阈值(1. 5 cm/ s)以下。 且主频范围集中在20 ~ 60 Hz之间, 远远大于建筑 物的自振频率。因此隧道爆破振动不会对隧道上方 的民房造成损坏。 (2) 掏槽孔爆破的振动控制是降低斜井隧道爆 破振害的关键, 通过改变掏槽结构形式, 采用复式小 楔形掏槽结构代替原有的大楔形掏槽结构, 同时合 理选择微差爆破间隔时间, 能够有效降低爆破振动 强度, 改善斜井爆破的破碎效果。 (3) 斜井隧道爆破开挖过程中, 应实时进行隧 道爆破振动监测, 全面监控隧道爆破开挖及其振动 效应, 不断优化和调整隧道爆破参数。 参考文献(References) [1] 袁红所, 张家铭, 贺立新, 等.复杂地质条件下隧道爆 破方案优化设计[J].爆破,2016,33(1) 50-54. [1] YUAN Hong-suo,ZHANG Jia-ming,HE Li-xin,et al. Op- timization of tunnel's blasting scheme under complicated geological conditions[J]. Blasting,2016,33(1) 50-54. (in Chinese) [2] 张维明, 肖 柳, 卜俊锐, 等.月亮山隧道爆破减震试 验研究[J].爆破,2016,33(2) 23-27. [2] ZHANG Wei-ming,XIAO Liu,BU Jun-rui,et al. Damping blasting field experiment in Yueliangshan Tunnel[J]. Blasting,2016,33(2) 23-27.(in Chinese) [3] 龚 敏, 陈 哲, 吴昊骏, 等.掏槽药量与起爆时差的 关系对隧道爆破合成振速的影响[J].应用基础与工 程科学学报,2016(6) 1110-1124. [3] GONG Min,CHEN Zhe,WU Hao-jun,et al. Influence of correlation between cut basting charge and detonating in- terval time on superposition vibration velocity caused by millisecond blasting in tunnel[J]. Journal of Basic Sci- ence and Engineering,2016(6) 1110-1124.(in Chi- nese) [4] 张新彬, 刘新荣, 范兵旗, 等.复杂立交隧道爆破开挖 参数设计及动力响应分析[J].地下空间与工程学报, 2017(S2) 736-740. [4] ZHANG Xin-bin,LIU Xin-rong,FAN Bing-qi,et al. Blas- ting excavation parameter design and dynamic response a- nalysis on complex interchange tunnel[J]. Chinese Jour- nal of Underground Space and Engineering,2017(S2) 736-740.(in Chinese) [5] 李 得, 杨 溢, 李 睿, 等.多级复式楔形掏槽在大 断面隧洞掘进中的应用研究[J].爆破,2017,34(1) 52-56. [5] LI De,YANG Yi,LI Rui,et al. Application of multi-level double wedge cut in large section tunnel driving[J]. Blas- ting,2017,34(1) 52-56.(in Chinese) [6] 程跃辉, 江 鸿, 陈 伟.隧道下穿匝道爆破振动控制 技术及效果分析[J].爆破,2017,34(3) 63-67. [6] CHENG Yue-hui,JIANG Hong,CHEN Wei,et al. Blas- ting vibration control technology and effect in tunnel un- derneath ramp[J]. Blasting,2017,34(3) 63-67.(in Chinese) [7] 邹新宽, 潘 强, 王 微, 等.隧道楔形分段掏槽爆破 减震机理及试验研究[J].现代隧道技术,2017, 54(4) 186-192. [7] ZOU Xin-kuan,PAN Qiang,WANG Wei,et al. Experi- mental study of the vibration absorption mechanism of staged wedge-cut blasting technology[J]. Modern Tunnel- ling Technology,2017,54(4) 186-192.(in Chinese) [8] 杜小刚, 亢丽竹, 林从谋.下穿既有隧道爆破振动响应 研究[J].爆破,2017,34(4) 52-56. [8] DU Xiao-gang,KANG Li-zhu,LIN Cong-mou. Research on blasting vibration response of existing tunnels[J]. Blasting,2017,34(4) 52-56.(in Chinese) [9] 费鸿禄, 曾翔宇, 杨智广.隧道掘进爆破振动对地表影 响的小波包分析[J].爆炸与冲击,2017,37(1) 77-83. [9] FEI Hong-lu,ZENG Xiang-yu,YANG Zhi-guang. Influ- ence of tunnel excavation blasting vibration on earth′s sur- face based on wavelet packet analysis[J]. Explosion and Shock Waves,2017,37(1) 77-83.(in Chinese) [10] 戴 俊, 李传净.模糊多元分析法在隧道爆破参数优 化中的应用[J].爆破,2017,34(2) 63-67. [10] DAI Jun,LI Chuan-jing. Application research of fuzzy mult- ivariate analysis method in tunnel blasting parameter opti- mization[J]. Blasting,2017,34(2) 63-67.(in Chinese) 98第35卷 第2期 周仕仁, 周建敏, 王洪华, 等 地铁隧道爆破参数优化及其振动效应研究 万方数据