青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价.pdf

第3 2 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 2N 。．3 2 0 1 5 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 2 5 青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价木 王仁涛1 ，王成虎1 ，江英豪1 ，宋2 周宜3 1 ．中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京1 0 0 0 8 5 ； 2 ．青岛第一市政工程有限公司，青岛2 6 6 0 3 3 ； 3 ．山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，青岛2 6 6 5 9 0 摘要城市浅埋隧道下穿建筑物的爆破施工应加强爆破振动控制。针对青岛地铁3 号线太延区间段隧 道下穿青岛疗养区供应公司，埋深为7 ．4m 、围岩I V ～V 级、地下水丰富等特点，结合先前其他区间段隧道施 工经验，对该区段隧道施工进行专项爆破振动控制设计。通过采用大直径中空直眼掏槽和减小单段最大起 爆药量，合理布置炮孔间排距、优化爆破网路，对爆破振动速度进行控制。对地上建筑物振动实时监测，爆破 振速满足2c m ／s 的爆破振速控制标准，振动峰值速度在砖混结构建筑物顶层存在放大效应。此爆破振动控 制方案取得了良好的爆破振速控帑j 效果和工程、社会效益，可为类似城市浅埋隧道施工提供参照意义。 关键词浅埋隧道；爆破开挖；振动控制；振动监测 中图分类号U 2 3 1 ．3 ；U 4 5 5 ．4 1 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 3 0 1 3 9 0 7 B l a s t i n gV i b r a t i o nC o n t r o lT e c h n i q u e sa n dI n f l u e n c e A s s e s s m e n to nQ i n g d a oM e t r oL i n e W A N GR e n ．t a 0 1 ，W A N GC h e n g h u l ，f l A N GM n g h a 0 1 ，S O N GK a i 2 ，Z H O UY i 3 1 ．K e yL a b o r a t o r yo fC r u s t a lD y n a m i c s ，I n s t i t u t eo fC r u s t a lD y n a m i c s ，C h i n aE a r t h q u a k e A d m i n i s t r a t i o n ，B e i j i n g1 0 0 0 8 5 ，C h i n a ；2 ．Q i n g d a oN o ．1M u n i c i p a lE n g i n e e r i n gC oL t d ，Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ，C h i n a ；3 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yB r e e d i n gB a s ef o rM i n i n gD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dC o n t r o l ， S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 9 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb l a s t i n gv i b r a t i o no fs h a l l o w b u r i e du r b a nt u n n e ld u r i n gab l a s t i n go p e r a t i o ns h o u l db ec o n t r o l l e d w h e nt h et u n n e lp a s s e su n d e r n e a t he x i s t i n gb u i l d i n g s ．T h ep r o j o c to fQ i n g d a oM e t r oc r o s s e su n d e r n e a t ht h eE x p r e s s ． T h es u r r o u n d i n gr o c km a s so ft h et u n n e lw a sb u r i e di n7 ．4md e e p ，r a n k e da sI Vt oV ，w i t ha b u n d a n tu n d e r g r o u n d w a t e ri nt h er o c km a s s ．B a s e do nt h ep r e v i o u sb l a s t i n ge x c a v a t i o ne x p e r i e n c e s ，t h es p e c i f i cb l a s t i n gv i b r a t i o nc o n t r o l c o u n t e r m e a s u r e sw e r et a k e n ．B yd r i l l i n gl a r g e - d i a m e t e rp i l o th o l et or e l e a s et h es u r p l u se n e r g ya n dc o n t r o l l i n gt h e m a x i m u md e t o n a t i o nd o s ef o rp e rp r i m i n gc h a r g ed u r i n gt h eb l a s t i n go p e r a t i o n ，t h eb l a s t i n gv i b r a t i o nW a sc o n t r o l l e d ． C o m b i n e dw i t ht h ea p p r o p r i a t eb l a s tb o r e h o l ea r r a n g e m e n t sa n dt h eo p t i m i z e db l a s t i n gn e t w o r k ，s u r f a c eb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yw a sc o n t r o l l e db e l o w2c m ／s ．T h er e s e a r c ho np e a kb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yw a sc a r r i e do u tb ym o n i t o r i n gt h eb r i c k c o n c r e t es t r u c t u r e ．T h ep e a kv i b r a t i o nv e l o c i t yr e a c h e dam a x i m u mv a l u ea tt h er o o fo ft h eh o u s e ， w h i c hi n d i c a t e dat o p - l e v e la m p l i f i c a t i o ne f f e c to nt h et o ps t r u c t u r e ． K e yw o r d s s h a l l o w l y - b u r i e d t u n n e l ；b l a s t i n ge x c a v a t i o n ；v i b r a t i o nc o n t r o l ；v i b r a t i o nm o n i t o r i n g 万方数据 爆破2 0 1 5 年9 月 目前，钻爆施工仍然是城市岩体隧道施工较为 经济方便的开挖方法。在城市中，爆破诱发的危害， 如振动、噪声、污染、飞石等，都会影响人们的正常生 活甚至造成财产损失。其中，爆破振动对周围建 构 筑物和设施造成的危害，越来越受到关注和重 视⋯。依据爆破安全规程G B 6 7 2 2 - - 2 0 0 3 规定的 安全标准，对于软硬结合岩浅埋隧道的爆破施工，当 其下穿地表建筑物时，为了保障地面建筑物安全，必 须控制爆破振速，减小对建筑物的扰动。 目前已有学者对隧道爆破振动的控制技术开展 了许多研究杨新江通过在掏槽眼中间布辅助空眼 增加临空面、掏槽眼分段起爆减少最大段的装药量 的方法，取得了预定爆破控制效果旧J 。李俊祯等在 济南开元寺隧道浅理段开挖时采用多级复式楔形掏 槽，在孔外利用毫秒延时雷管实现了振动错峰，显著 降低了爆破振动峰值旧J 。张志和在长洪岭隧道浅 埋下穿城镇段采取小导洞爆破超前、扩挖层及预留 光爆层分区爆破的施工技术实现了减振爆破H ] 。 上述几种爆破振动控制技术是在与之相应的不同开 挖环境下适用的爆破方案。因青岛地铁3 号线太延 区间段隧道的开挖环境异常复杂，对爆破振动的控 制要求更为严格，爆破振动速度控制在2c m ／s 以内 方可满足爆破安全允许振速；且根据前期青岛地铁 其他区间段采用类似爆破控制技术的现场爆破试 验，得到的爆破振动控制效果并非理想，施工工程量 和施工进度也不能保障。因此，在对该区段隧道施 工时需专项设计爆破振动控制方案。 I 工程概况 青岛地铁一期工程3 号线始于青岛火车站终至 青岛火车北站，全长2 4 ．9k m ，全部为地下线，共设 2 2 个站点，全线采用钻爆法施工，沿线下穿、侧穿各 种类型的建 构 筑物多达9 5 处。不同的隧道区段 由于地质条件的变化，相应的爆破振动控制标准高 低不一。3 号线0 3 标段的太延区间浅埋段为最靠 近海岸段，较3 号线的其他区段下穿建筑物更多，道 路和居民密集，地下水丰富，建筑物基础底距区间隧 收稿日期2 0 1 5 0 7 1 4 作者简介王仁涛 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，主要从事工程地质稳 定性分析及控制研究， E - m a i l w r t a o 1 6 3 ．t o m 。 通讯作者王成虎 1 9 7 8 一 ，男，中国地震局地壳应力研究所四室副 主任／副研究员、博士，主要从事地应力测量及其在工程和 地震监测预报中的应用研究， E m a i l h u c h e n g w a n g 1 6 3 ． t o m o 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 1 0 3 8 0 0 9 ；国家自然科学 基金面上项目 4 1 2 7 4 1 0 0 ；中央级科研院所基本科研业 务专项资助项目 Z D J 2 0 1 2 - 2 0 道顶开挖垂直距离仅为5 1 3m ，最小距离处为青 岛疗养区供应公司 如家快捷酒店太平角店 。如 家快捷酒店为砖混结构、毛条石基础，其基础底距区 间隧道顶开挖垂直距离仅为5m ，下穿隧道拱顶距 地面垂直距离为7 ．4m 。下穿隧道里程段为斟 8 5 1 ～斛 8 9 8 ，该区段围岩等级V 级，洞身为中风 化花岗岩，洞顶以上至建筑物基础为强风化花岗岩， 地貌类型为剥蚀坡地和山前侵蚀堆积坡地，所处地 形变化不大，地下水丰富。 太延区间浅埋段下穿房屋段隧道基本采用单洞 单线方式，采用台阶法施工。炮眼利用率要求在 9 0 ％以上；光面爆破炮眼残痕率在8 5 ％以上；平均 线性超挖不大于7c m ，最大不超过1 0c m ，相邻两循 环炮眼台阶不大于1 0c m ，局部欠挖面积小于 0 ．1i n 2 ／m 2 ，最大欠挖小于5c m 。根据以上钻爆法 施工设计要求，上台阶每天计划循环进尺为 0 ．7 5i n ，下台阶进尺为2i n 。台阶高度控制在3 ．6i n 左右，台阶长度控制在5n l 左右。上台阶开挖面积 为1 61 T 1 2 ，为了降低单段起爆药量，上台阶分成8 个 分断面开挖；下台阶采用水平炮孔爆破开挖，掘进断 面积为1 7I n 2 ，分成2 个分断面开挖。开挖断面示意 图如图1 。 一 l I 图1 开挖断面示意图 单位m m F i g ．1B l a s t i n gp a r a m e t e r sf o rt h e u p p e rb e n c h u n i t m m 万方数据 第3 2 卷第3 期王仁涛，王成虎，江英豪，等青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价 1 4 1 2 爆破参数设计 2 ．1 上台阶钻爆设计 根据设计要求若采用斜眼掏槽方法，通过起爆 掏槽眼增加自由面，产生的振动速度会超过标准要 求；若采用直眼掏槽方法，可以在开挖断面上打一个 或多个不装药的空眼，作为辅助自由面，在掏槽眼起 爆后所产生的能量很大一部分可以通过空眼的自由 面泄放“ 引。经过前期施工的比较分析，在上台阶开 挖施工中采用中部布置大直径中空孔，中空孑L 周围 布置菱形掏槽眼的光面爆破方法。大直径中空直孔 直径为1 5 0m m ，炮眼直径4 2m m 。 爆破开挖时炮孑L 的深度对爆破产生的振动影响 较大“ j ，炮眼深度和循环进尺主要依据地表建筑物 允许爆破振动速度确定。根据先前其他区间段隧道 爆破施工状况，且为了降低爆破振动取炮眼深度为 0 ．8 5m ，取循环进尺为0 ．7 5m ，掏槽孔深度g x o ．9 5m ， 可将地表振动速度控制在设计要求范围内。 按炮眼布置的基本原则进行炮孔布置。1 掏槽 眼采用大直径中空孔直眼掏槽，中空孔周围布置掏槽 眼，掏槽眼的布置采用菱形布置，掏槽眼间距向外逐步 扩大，共1 6 个装药掏槽眼。2 周边眼本段隧道的围 岩为中硬岩和软岩，岩石松软，受到爆破扰动后引起隧 道变形会达不到设计要求的轮廓悼J ，故对周边眼爆破 的要求严格。取炮眼间距E 3 5 0i n n l ，光面爆破周边 眼最小抵抗线W 与E 的关系应为E W ，周边眼密集 系数K K E ／W 取0 ．8 5 时爆破效果较好，取W 4 0 0m ／n ，周边眼共设4 7 个。周边眼装药量根据眼距、 光爆层厚度、岩吞陛质、装药集中度和炸药种类等综合 考虑确定，结合减弱爆破振动的要求，取周边眼的装药 集中度为0 ．1k g ／m 。根据工程实际可操作性，实际取 单孔装药量为0 ．1k g 。对于较硬围岩可根据实际情 况，适当增加单孔装药量。3 辅助眼辅助眼大致采用 弧形布置，辅助眼孔间距取为4 0 0n f f l l ，排间距取为4 0 0 m m ，辅助眼共7 6 个。辅助眼的装药量一般受围岩情 况、炮眼间距、最小抵抗线影响，其单孔装药量根据式 1 计算 g 丁y - 厶 1 式中q 为辅助眼的单孔装药量，k g ；下为装药系数， 根据炮孔间排距及围岩性质，取丁 0 ．2 ；y 为每米药 卷的炸药质量，对于直径为3 2m m 的乳化炸药，y 1k g ／m ；L 为炮眼长度，辅助眼的炮眼深度为 0 ．8 5m ，根据上式q 0 ．2 1X0 ．8 5 0 ．1 7k g 。根 据工程实际操作和考虑到爆破振动影响，实际取q 0 ．1 5 k g ，此值满足依据铁路隧道围岩分级确定的 围岩级别所对应的隧道爆破单位耗药量 铁路隧 道工程施工技术指南} T Z 2 0 4 - - 2 0 0 8 。 一般认为，掏槽爆破时振动最大，掏槽眼最大单 段装药量0 ．1k g ，爆心距建筑物基础底部最小距离 约为8m 。由振动验算公式 秽兰．Q 旦 2 秽 一‘V 3 IzJ R “ ‘ 、7 式中尺为爆破振动安全允许距离，m ；Q 为炸药量 齐发爆破总药量，延时爆破为最大一段药量，k g ；V 为保护对象所在地质点的振动安全允许速度， c m ／s ；K 、d 为与爆破点至计算保护对象间的地形、地 质条件有关的系数和衰减指数。参照已有对K 、d 值选取的研究旧j ，由于爆破点至计算保护对象间为 中强风化花岗岩，爆破周围介质的不均匀性使得地 震波衰减差异较大，取K 、a 的值对应为2 0 0 、1 ．6 5 。 带人式 2 得振速为1 ．8 2c m ／s ，爆破振动对地面建 筑物的振动小于2c m ／s 。其他炮眼依据其相对应 的尺、K 、a 值对振动验算均满足爆破允许安全振速。 上台阶爆破参数表中，分别将起爆顺序、段号、 单孑L 装药量、总装药量、单段最大起爆药量列出，见 表1 。上台阶炮眼布置见图2 。 表1 上台阶爆破参数 T a b l e1 B l a s t i n gp a r a m e t e r sf o rt h eu p p e rb e n c h 万方数据 1 4 2爆破 2 0 1 5 年9 月 图2 上台阶炮眼布置 单位m m F i g ．2L a y o u to ft h eb l a s th o l e si nt h eu p p e rb e n c h u n i t n u n 2 ．2 下台阶钻爆设计 由于上台阶的爆破为下台阶增加了自由面，下 台阶爆破所产生的振动将会大大减弱。由先前其他 区间爆破经验，下台阶的炮眼深度可适当增大，循环 进尺为2m ，炮眼利用率一般要求不低于0 ．8 5 ，故炮 眼深度在2 ．2 ～2 ．4m 之间。同一段起爆的炮眼数 也可适当增加，辅助眼每一段起爆2 个炮眼，周边眼 每一段起爆4 个炮眼。由于段数限制和断面面积较 大，同时为了最大限度的减小爆破振动，将下台阶分 两次起爆在布置炮眼时分两个爆区I 和Ⅱ。 同上台阶炮眼布置遵循原则对下台阶炮眼进行 布置，下台阶炮眼的最小抵抗线应按式 3 计算 W 0 ．4 1 ．0 L 3 式中￡为炮孔深度，m ；最小抵抗线W 0 ．4 ～ 1 ．0 L 0 ．8 8 2 ．4m ，为降低爆破震动对地面建筑 物的影响，形取0 ．6m 。炮孔密集系数K 1 ，炮眼 孔距取E 0 ．6m ，则炮眼排距W E ／K 1 ．0m 。 根据先前爆破经验取炸药单耗为O ．7 7k g ／m 3 。下 台阶爆破参数表，见表2 ，下台阶炮眼布置，如图3 所示。 表2 下台阶爆破参数 T a b l e2B l a s t i n gp a r a m e t e r sf o rt h el o w e rb e n c h 3 爆破振动监测 参考已有振动监测仪的现场合理布置经 验o l o , 1 11 ，本方案测试拟使用7 台U B O X 5 0 1 6 爆破振 动智能监测仪2 1 个传感器，分别在如家快捷酒店的 7 个楼层以垂直方式布置监测仪，对正下方穿过的 左线隧道 Z K 4 8 9 4 ．2 9 一Z K 4 8 7 0 ．2 8 进行振速 监测。在楼房的每层相同位置布置1 台仪器，其中 1 号仪器布置在楼房的第0 层 地下1 层 ，2 号仪 器布置在第1 层，3 号仪器布置在第2 层，4 号仪器 布置在第3 层，5 号仪器布置在第4 层，6 号仪器布置 在第5 层，7 号仪器布置在第6 层 楼顶 。爆心距建 筑物基础底部垂直距离约为8m ，垂直布置的监测点 所对应里程为Z K 8 7 7 ．5 。具体布置见图4 。 大量的测试资料和工程实践表明，地面最大振 动速度与建筑结构破坏的相关性最好，所以目前广 泛采用最大振速作为结构安全的评定标准2 ’1 3J 。 对左线隧道里程段Z K 4 8 9 4 ．2 9 ～Z K 4 8 7 0 ．2 8 进 行爆破振动速度监测，振速取自每隔2 个循环进尺 里程所对应的振速峰值，振速峰值多出现自掏槽部 位的起爆，振速统计结果绘于图5 。该段里程所测 得振速均满足2c m ／s 的爆破允许振速要求。 万方数据 第3 2 卷第3 期王仁涛，王成虎，江英豪，等青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价 1 4 3 f ∽ ● 吕 3 ＼ 蚓 蜷 髫 蝼 ．5 0 0 10 1 1 闩。。 一鼍5 9 ∑11 。j ＼1 4。1 2 953 1 I 怍F 皿娶～．．．． o ＼q 垆 1 0 8 7 67 81 0 √ 6 。 ／／ 3j 。。 ∥ o ≮。l o ．1 0 ，3 5 1 1 0l ‘≥／ 口 n 图3 下台阶炮眼布置 单位m m F i g ．3 L a v o u to ft h eb l a s th o l e si nt h el o w e rb e n c h u n i t m l n 阒W 矸矸 冈么二WWW 阒多二WWW 4 I W 钐I W虱 阒多二WWW 阒么二WWW - D 钐W I WW 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F 囟监测仪 冒传感器 O F 图4 监测仪器布置方案 F i g ．4L a y o u to fv i b r a t i o nm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t s 图5各楼层爆破振速随工作面里程推进变化规律 F i g ，5 L a wo ft h eb l a s t i n gv i b r a t i o no fe a c hf l o o rw i t h t h ew o r k i n gf a c ea d v a n c i n g 通过监测现场爆破振动峰值，对于固定的各楼 层监测点，所测爆破振速随工作面的不断推进呈现 出一定的规律特点 1 振动峰值速度呈现震荡变化的特点。工作 面处于测点的正下方时，各层所测的振动峰值并非 最大；当爆心离测点水平距离1 ～3m 时，所测的振 动峰值较大。推断是因该段隧道的埋深较浅，自此 特定深度处爆心发出的爆破振动波在工作面正上方 位因干涉效应形成了振动减弱区，而再距工作面几 米附近则因振动波干涉效应形成了振动加强区，导 致此类监测现象的存在。 2 由图5 可以看出，从第1 层到第6 层，振动 峰值速度波动变化，但均处于一较低范围。从第6 层到第7 层 楼顶 振动峰值速度突然增大，呈现建 筑物顶层振速放大效应。表明砖混结构建筑对爆破 振动速度的衰减作用不明显，爆破振动波能量在顶 层聚集，使顶层处振动速度较大。 4 讨论与结论 4 ．1 讨论 对于此区段V 级围岩、中一强风化的花岗岩隧道 状况，需特别注意爆破振动对地表建筑的影响控制。 通过对已有爆破振动控制技术的总结分析和尝试， 对于此浅埋区段特殊隧道状况，采用在掏槽设置大 直径中空孔的方式能有效控制掏槽眼起爆时的爆破 振动，大直径中空孔直眼掏槽能较普通直眼掏槽和 斜眼掏槽提供更大的自由面引，爆破控制的效果较 为理想。因掏槽眼的爆破振动对地表影响相对其他 炮眼更大5 | ，掏槽处单独起爆的振动得以控制，便 更易达到2c m ／ s 的爆破振速控制标准。 万方数据 1 4 4爆破2 0 1 5 年9 月 由现场爆破振动监测得出振动速度在砖} 昆结构 建筑物存在顶层振速放大效应的结论知，对于类似 砖混结构建筑物进行爆破安全允许振速监测时，不 仅应在地表处设置监测点还应同时注意对建筑顶部 进行监测，以免振速放大效应致使顶层爆破振动速 度超过安全允许标准，因监测死角造成安全隐患。 4 ．2 结论 该爆破方案使得爆破振动速度可控制在2c m ／s 内的现场爆破试验得到的结论如下 1 在浅埋隧道下穿建筑物爆破施工时，根据炮 眼利用率和降低装药量的要求，采用上台阶0 ．7 5m 进尺、下台阶2 ．0m 进尺的分步掘进方案是可行的， 既能有效地控制爆破地震效应，又能保证工程进度。 2 采用直眼菱形掏槽方法，上台阶中部打直径 为1 5 0m m 的大直径中空孔，可增加掏槽眼爆破时的 自由面，有效释放掏槽眼爆破时的能量，减小掏槽眼 的夹制作用，有效减弱掏槽眼爆破时产生的振动。 3 根据爆破振动监测知，振动峰值速度虽呈 现震荡变化特点，但亦可通过统计分析发现其有振 动加强区和振动减弱区之分，爆破振动在砖混结构 建筑物存在顶层振速放大效应。这些现象应不予忽 视，做好多方位爆破振动监测，及时反馈、分析数据 信息，以便更好地保障地面建筑安全及施工安全。 针对青岛地铁太延区间浅埋段特殊隧道状况及 地表建筑结构的高爆破振速控制标准，设计的爆破 振动控制方案取得了很好的爆破振速控制效果。对 于类似城市浅埋爆破开挖隧道该爆破控制技术可供 参照，以便更合理地指导隧道施工的安全高效施行。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] 参考文献fR e f e r e n c e s 蒋培，段卫东，韩传伟．城市浅埋隧道爆破开挖施工 技术研究[ J ] ．爆破，2 0 1 4 1 7 5 - 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