月亮山隧道爆破减震试验研究.pdf
第3 3 卷第2 期 爆破 V o l 3 3N o 2 2 0 1 6 年6 月B L A S T I N G J u n .2 0 1 6 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 6 .0 2 .0 0 5 月亮山隧道爆破减震试验研究 张维明1 ,肖柳2 ,I 俊锐1 ,于大伟2 ,陈姿霖2 ,陈先锋2 1 .中铁十一局集团第三工程有限公司,十堰4 4 2 0 1 2 ;2 .武汉理T 大学资源与环境工程学院,武汉4 3 0 0 7 0 摘要黄石月亮山隧道是典型的城市浅埋大跨度隧道。为了控制隧道开挖中的爆破震动效应,减少下穿 隧道对居民区、房屋建筑结构的影响,在隧道掏槽爆破过程中,采取电子雷管逐孔孔间微差起爆技术进行爆 破作业。考虑到微差时间对爆破震动和爆破效果的影响,分别选取5m s 、6 m s 、7 m s 、8m s 和1 0m s 逐孔微差 时间进行试验,得出不同孔间微差时间下爆破效果,进而优选方案。结合震速、震动频率和爆破效果的优选 结果表明选取孔间微差时间为7m s 时,测点最大震动速度小于1 .5c m /s ,控制在震动安全标准之内;最低 震动频率高于3 0H z ,与房屋结构发生共振几率较小;且岩石破碎效果较好。 关键词隧道掘进;电子雷管;逐孔爆破;微差时间;减震效果 中图分类号U 4 5 5 .6文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 2 3 0 5 D a m p i n gB l a s t i n gF i e l dE x p e r i m e n ti nY u e l i a n g s h a nT u n n e l Z H A N GW e i m i n 9 1 ,X I A OL i u 2 ,B UJ u n .r u i l ,Y UD a w e i 2 ,C H E NZ i l i n 2 ,C H E NX i a n - f e n 9 2 1 .N o .3E n g i n e e r i n gC oL t do fC R l l B G ,S h i y a n4 4 2 0 1 2 ,C h i n a ; 2 .S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g , W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ,W u h a n4 3 0 0 7 0 ,C h i n a A b s t r a c t Y e l l o w s t o n eM o o nM o u n t a i nT u n n e li sat y p i c a ls h a l l o wu r b a nt u n n e lw i t hl a r g es p a n .I no r d e rt oc o n - t r o lt h eb l a s t i n gv i b r a t i o ne f f e c ti nt h et u n n e lb l a s t i n gp r o c e s s ,a n dt Or e d u c et h ei m p a c to fb l a s t i n go nr e s i d e n ta n d b u i l d i n gs t r u c t u r e ,t h em i l l i s e c o n db l a s t i n gm e t h o db yu s i n ge l e c t r o n i cd e t o n a t o r sw a sp e r f o r m e d .C o n s i d e r i n gt h ei m p a c to ft i m ed e l a yo nt h eb l a s t i n gv i b r a t i o na n de f f e c t s ,t h ed i f f e r e n t t i m ed e l a yt e s t si nh o l e sw e r ec a r r i e do nw i t h5 m s ,6 m s ,7m s ,8m sa n d1 0h i S .B a s e do nt h eb l a s t i n gr e s u l t sa n dv i b r a t i o nd a t a ,t h eo p t i m i z e dt i m ed e l a yW a so b - t a i n e d ,w h e r et h es h o c ks p e e d ,v i b r a t i o nf r e q u e n c ya n db l a s t i n ge f f e c tw e r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n .W h e nt h et i m e d e l a yw a sd e s i g n e da s7m s ,t h em a x i m u mv i b r a t i o ns p e e dw a sl e s st h a n1 .5c m /s ,w h i c hw a si nt h ec o n t r o lo fs a f e t y s t a n d a r d s .T h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yw a sh i g h e rt h a n3 0 H za n dm a d en or e s o n a n c eh a z a r do nb u i l d i n gs t r u c t u r e s . M e a n w h i l e ,t h er o c kf r a g m e n t a t i o na l s og o ti m p r o v e d . K e yw o r d s t u n n e le x c a v a t i o n ;e l e c t r o n i cd e t o n a t o r ;b l a s t i n g b y b o r e ;m i l l i s e c o n dt i m e ;d a m p i n ge f f e c t 钻爆法是中国目前应用最广、最成熟的隧道开 挖方法,它具有施工快,适应能力强,施工成本低廉 的优点,但是,在钻爆施工过程中产生的爆破地震效 应会对围岩以及周围的建 构 筑物造成不同程度 收稿日期2 0 1 6 0 4 0 6 作者简介张维明 1 9 7 4 一 ,男,高级工程师,从事工程施工项目. E m a i l z h a n g w e i m i n 9 7 4 1 1 6 3 .c o r n 。 通讯作者肖柳 1 9 9 2 一 ,女,硕士研究生, E m a i l x i a o l i u l l 2 w h u t .e d u .c n 。 的影响,特别是在城市隧道爆破过程中,隧道穿过闹 市、居民区,爆破震动会对居民的生活和安全造成隐 患。爆破震动危害控制的方法大致有三种’2 1 一 是针对爆源所采取的控制措施;二是针对受控对象 所采取的措施;三是针对爆破地震波在传播过程中 所采取的措施。目前使用和研究的重点是控制爆源 降震,干扰降震法、控制最大段药量、改变爆破参数 等方法。非电导爆管分段毫秒爆破过程中,从监测 万方数据 2 4爆破 2 0 1 6 年6 月 的波形图可以看出,掏槽孔爆破震动引起的地表震 动最强烈,这是因为掏槽孑L 的轴线与爆破自由面的 夹角较大,使岩体爆破的夹制作用增大【3J 。掏槽孔 爆破的震动效应控制是降低或消除浅埋隧道爆破震 害的关键,研究其地表震动的变化特征尤为重要。 毫秒延时雷管时间控制精度很不足,常用的前1 5 段 雷管延时误差范围在1 0 ~1 2 0m s ,要达到理想的微 差干扰降震目的,雷管的时间精度误差应该控制在 1 m s 以内,这便需要具有依靠高精度延时控制技术 的数码电子雷管Ho 。在采取降震措施时可采用电 子雷管单孔连续起爆技术,与非电雷管爆破相比,爆 破震动降低非常明显,采用隧道电子雷管单孔连续 起爆时,掏槽眼间的延时间隔时间对降振效果和爆 破进尺至关重要。如何合理的控制微差延期时间是 微差爆破技术研究的核心和焦点∞o 。叶海旺等在 数码雷管减震爆破试验中旧J ,分析了孔问、排间微 差时问产生的不同爆破效果,张志呈等也对逐孔爆 破微差时问做了研究“ J 。沈晓松研究了微差时间 对爆破块度的影响。微差时间间隔过短可能会出现 效果不明显或分段震波出现叠加,增强震动效应;时 间间隔过长,可能影响岩石破碎效果。 在黄石月亮山浅埋隧道爆破掘进过程中,掏槽 爆破采用逐孑L 微差起爆。考虑到孑L 间微差时间可能 对爆破震速、频率以及爆破效果产生影响,进行了电 子雷管减震试验,选取不同的微差时间对电子雷管 逐孔微差爆破效果进行比较,选取一定范围内最为 理想的微差时间,在后续爆破施工中实现了较好的 爆破效果,且爆破震动效应控制在安全标准范围内。 1 .2 开挖方案 月亮山隧道北端暗洞洞口部位,为小净距V 级 较差围岩段,开挖方式主要采用上台阶开挖法。 隧道开挖采用光面爆破,选取V 级围岩净宽为 1 3 .5m 隧道断面掏槽爆破时,减震电子雷管试验进 行研究。采用斜眼掏槽,循环进尺为2m ,炮孑L 孔径 为4 2m m ,药卷直径3 2m m 的岩石膨化炸药。 电子雷管逐孔微差爆破时,共3 6 个炮孔。炮孔 对称排布,采用连续装药,炮孔堵塞长度3 0c m ,掏 槽孔爆破从内圈炮孑L 向外圈延伸。试验采用逐孑L 起 爆,实施了5 种不同的微差延时方案,分别为5m s 、 6m s 、7m s 、8m s 和1 0m s 。电子雷管逐孔微差爆破 炮孔布置及参数见图l 注数字表示起爆顺序 。 、。鎏it 赛l ,,。d 2 9- 9 ● ”“ ● ●● l l 图1数码电子雷管炮孔布置图 单位c m F i g .1D i g i t a le l e c t r o n i cd e t o n a t o rb l a s t h o l el a y o u t u n i t c m 1 试验背景2 减震试验 1 .1 工程概况 黄石市月亮山隧道工程位于黄石市老城区端, 该工程为分离式隧道设计,两洞间距1 1 .5 3 3m 。 左线隧道起讫桩号Z K 3 5 8 5 ~Z K 6 7 0 0 ,全长 3 1 1 5m ;右线隧道起讫桩号Z K 3 5 8 5 ~Z K 6 7 0 1 , 全长3 11 6m 。隧洞围岩构造及岩层走向复杂、稳定 性差,且属于典型浅埋隧道 地表最小垂直距离为 2 0m ,最小水平距离为2 3m 。隧道北端围岩主要 为中风化灰岩,少量中风化泥灰岩,岩体较破碎,自 稳能力较差。跨度大,存在V 级围岩的净宽为 1 3 .5m 的三车道和Ⅳ级围岩净宽为5 .7 5m 的双车 道隧道,隧道穿越多个居民区。 隧道下穿居民区,房屋建筑年限较长,且大多为 砖混结构,故要求所测得测点的最大震动速度不能 超过1 .5c m /s 。 2 .1 试验方案 爆破掌子面的电子雷管延时顺序见图1 。电子 雷管爆破试验主要采取逐孔起爆方法,孔间时差分 别设置为5m s 、6I l l s 、7m s 、8m s 、1 0m s ,每次爆破试 验的总药量为5 6k g ,单响最大药量为1 .6k g ,相同 微差时间各进行3 组测试。每次试验前在测点位置 提前布设传感器,记录爆破震动数据,根据震动监测 结果分析以及每次试验后的爆破效果,最终确认最 佳孔间时差,从而实现爆破效果优化。 2 .2 测点布设 从掘进掌子面的正上方地表,沿隧道掘进方向 敷设2 个测点 间隔2 0m ,考虑到隧道的空洞放大 效应,在隧道掘进的反方向也布置2 个测点,同时垂 直于隧道的方向沿着掌子面也布置两个点。测点布 设图见图2 。 弘● 如● 拍●拈●”● H ●∞●● ●●∞● 骝“k 1 。.;;m. o m 万方数据 第3 3 卷第2 期张维明,肖柳,卜俊锐,等月亮山隧道爆破减震试验研究 a 测点布置侧视图 a S i d ev i e wo fm e a s u r i n gp o i n tl a y o u t f b 测点布置俯视图 b T o pv i e wo fm e a s u r i n gp o i n tl a y o u t 图2 测点布设图 单位m F i g .2A r r a n g e m e n to fm e a s u r i n gp o i n t s u n i t m 3 不同微差时间爆破震动监测及波形 分析 对数据分析时发现,相同微差时间进行的3 次 爆破试验中对应的各测点的震动数据相差不大,比 较3 组数据,选取爆破震动最大值处测点的震速、频 率和波形图作为参考数据。不同微差时间时震动数 值的选取均以相同的方法进行,监测数据见表1 。 同时获取不同微差时间时最大震速时的波形图 见 图3 。 表1不同孔间微差下的震动数据 T a b l e1V i b r a t i o nd a t ao nd i f f e r e n tt i m ed e l a yi nb l a s th o l e 微差时间/ 查垩堡塑查兰塑鱼 垂童查旦 m s 速度/ c m - s 。1 频率/H z 速度/ c m s “ 频率/H z 速度/ c m s 。1 频率/H z 结合波形图和掌子面测点监测数据来看,孔间 微差时间为5m s 时,震源位置 掌子面 正上方震动 峰值达到4c m /s ,房屋结构震感强烈,其它测点震 动值较小,垂直方向频率较低,爆破效果较好;但震 源正上部震动仍偏大,远远超过安全标准。波形图 中,后半段震速明显增加,降震效果不好可能是因为 单孔产生的地震波的主震相叠加,使地表质点速度 幅值变大。爆破后掏槽效果欠佳,岩体破碎效果不 好,挖掘清渣困难,可能的原因是孑L 间微差较小,自 由面未充分形成时,I 临近炮孑L 即被引爆。 采用孔间微差6m s 电子雷管起爆时,爆破震动 峰值较微差时间为5m s 时降低约4 2 %左右,且只有 掌子面正上方处震动值略偏大,其他测点震动均较 小,震动控制较好,但是径向和切向震动频率均在 1 0H z 左右,与房屋极易发生共振,破坏房屋结构。 从波形图看,0 .1S 左右出现震速叠加。且爆破后掏 槽效果欠佳,岩体破碎效果不好,挖土机清渣困难, 分析因为是孑L 间微差偏小,自由面未完全形成的时 候,临近炮孔起爆。 孑L 间微差为7m s 的电子雷管起爆,爆破震动峰 值有明显降低,且掌子面正上方处震动值为 1 .3 3c m /s ,降低了约7 0 %,波形图出现削波现象, 其他测点震动均较小完全符合爆破安全规程中 普通房屋安全振速应小于1 .5c m /s 的规定,震动控 制较好;震动频率均大于3 0H z ,出现共振几率不 大,故共振对结构破坏的可能性不大;本微差实验 中,大块率较低,破碎效果很好。 孔问微差为8m s 的电子雷管起爆,爆破震动峰 值较5m S 时虽有明显降低,但掌子面正上方处震动 值略大,在0 .2S 左右出现震速叠加增大;且径向频 率仅为2 0H z ,有可能使房屋结构发生共振破坏;掏 槽效果欠佳,岩体破碎效果不好,爆破效果不理想。 孔间微差为1 0m s 时,电子雷管爆破过程中监 测得到了理想的波形,距离掌子面最近建筑物处地 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 表质点最大振速仅为1 .5 5c m /s ,基本符合安全标 准。各个测点测得的震动频率最低为4 2H z ,爆破 频率较高,与房屋结构自振频率相差大,出现共振几 率小。由最大震速测点的波形图看出,最大震速出 现在后段,可能是选取的微差时间不合适,不同段别 的地震波波头与波尾出现相互叠加;且微差时间为 1 0m s 时,掏槽效果不好,产生了明显大块,主要是 炮孔较密集,孑L 间微差时间较长,相邻岩体相互作用 时间较短导致。 一UU I ”IJ 【J 1 I J I J1 , U 2 0 I J2 , I J 』l Jj o4 Uo4o4 S 时间/s e 1 1 0 m s 图3 不同孑L 间时差下的最大振速的波形图 F i g .3 V i b r a t i o ns p e c t r u mf o rd i f f e r e n th o l e u n d e rt h et i m ed i f f e r e n c e 4 结论 通过对不同孑L 间微差时间效果和数据分析得出 以下结论 1 隧道掘进过程中爆破地震波垂直分量震动 振幅高,是引起房屋破坏的重要因素。采用电子雷 管逐孔起爆可以控制最大起爆药量,降低震速;但是 爆破震动与逐孔微差时间的关系并不呈现单调性, 并不是简单地随时间增加或减小。 2 在本次直孑L 掏槽爆破试验中,试验效果最 佳出现在孑L 间7m s 微差延时的工况。孔间微差为 7m s 的电子雷管起爆,显著降低了隧道爆破震动效 应,震动速度控制在国家标准1 .5c m /s 以内,震动 频率较高且爆破效果最佳;因此,从震动速度、频率 和爆破效果三个角度来考虑,月亮山隧道开挖中采 用孑L 间7m s 微差延时对楼房的影响最小。 综合分析来看,月亮山隧道爆破掏槽爆破的最 优方案为逐孔爆破且微差时间为7m s ,为了控制爆 破震动效应及改善爆破效果,最终选取此方案;且后 续爆破实践中均获得较好的效果。 参考文献【R e f e r e n c e s 李夕兵,凌同华,张义平,等.爆破震动信号分析理论 与技术[ M ] .北京科学出版社,2 0 0 9 . 凌同华,李夕兵,王桂尧,等.爆破震动灾害主动控制 方法研究[ J ] .岩土力学,2 0 0 7 ,2 8 7 1 3 3 9 1 4 4 3 . L I N GT o n g h u a ,L IX i b i n g ,W A N GG u i y a o ,e ta 1 .M e t h o do fa c t i v ec o n t r o lo fb l a s t i n gv i b r a t i o n D i s a s t e r [ J ] . R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ,2 0 0 7 ,2 8 7 1 3 3 9 1 4 4 3 . i n C h i n e s e 张继春,曹孝君,郑爽英,等.浅埋隧道掘进爆破的地 表震动效应试验研究[ J ] .岩石力学与工程学报, 2 0 0 5 ,2 4 2 2 4 1 5 8 4 1 6 3 . Z H A N GJ i c h u n ,C A OX i a o j u n ,Z H E N GS h u a n g y i n g ,e t a 1 .E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ne f f e c to f s u l f a e ei ns h a l l o w t u n n e l i n gb l a s t i n gv i b r a t i o n [ J ] .C h i n e s eJ o u r n a l R o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ,2 0 0 5 ,2 4 2 2 4 1 5 8 4 1 6 3 . i nC h i n e s e 赵根,吴新霞,周先平,等.电子雷管起爆系统及其 在岩塞爆破中的应用[ J ] .爆破,2 0 1 5 ,3 2 3 9 l 一9 4 . Z H A OG e n ,W UX i n x i a ,Z H O UX i a n p i n g ,e ta 1 .E l e c t r o n i ed e t o n a t o rd e t o n a t i n gs y s t e ma n di t s a p p l i c a t i o ni n r o c kp l u gb l a s t i n g [ J ] .B l a s t i n g ,2 0 1 5 ,3 2 3 9 l - 9 4 . i n C h i n e s e 孟小伟.浅埋隧道下穿密集民房爆破减震技术研究 [ D ] .北京北京交通大学,2 0 1 1 . M E N GX i a o w e i .R e s e a r c ho nt h eb l a s t i n gs h o c ka b s o r p t i o nt e c h n o l o g yi ns h a l l o w b u r i e dt u n n e lu n d e r t r a v e r s i n g t h ed e n s er e s i d e n c e s [ D ] .B e i j i n g B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ,2 0 11 . i nC h i n e s e [ 6 ]叶海旺,王亮,张延吉,等.金堆城南露天数码雷管 减震爆破试验研究[ J ] .中国矿业,2 0 1 4 ,2 3 1 2 1 3 6 1 4 6 . [ 6 ] Y EH a i w a n g ,W A N GL i a n g ,Z H A N GY a n j i ,e ta 1 .D a m p i n gb l a s t i n gf i e l de x p e r i m e n tw i t hd i g i t a ld e t o n a t o ri nJ i n d 7 0 0 0 0 0 7 0 O 0 O O 0 0 6 4 2 2 4 6 一 一 一1,gs/Z帮蝌 1I 1 J 1J]J]J]J]J ● 2 2 3 3 4 4 5 5 r;rl r L r L r L r L r L 帖 帖 柏 弘如筋 ~卧‰ 呲时∽ 宝 档帖∞“如拍 ~黔 蛇时㈦ ∞ 姐帖∞“如巧 ~黔眈时㈤ 兮 万方数据 第3 3 卷第2 期 张维明,肖柳,卜俊锐,等月亮山隧道爆破减震试验研究 2 7 上接第2 2 页 [ 2 ]杨军,金乾坤,高文学.岩石爆破损伤模型研究的几 个问题[ J ] .岩石力学与工程学报,1 9 9 9 ,1 8 3 2 5 5 2 5 8 . [ 2 ] Y A N GJ u n ,J I NQ i a n k u n ,G A OW e n x u e .S o m ep r o b l e m s i nt h er e s e a r c ho fr o c kd a m a g em o d e lb yb l a s t i n g [ J ] . C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g , 1 9 9 9 ,1 8 3 2 5 5 - 2 5 8 . i nC h i n e s e [ 3 ] 杨军,金乾坤,黄风雷.岩石爆破理论模型及数值计 算[ M ] .北京科学出版社,1 9 9 9 . [ 4 ] 杨军,王树仁.岩石爆破分形损伤模型研究[ J ] .爆 炸与冲击,1 9 9 6 ,1 6 1 6 1 0 . 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