城镇复杂环境下的顶管隧道爆破.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．2 J u n ．2 0 1 2 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 2 ．0 2 ．0 1 4 城镇复杂环境下的顶管隧道爆破 李启航，栾龙发，张智宇，李祥龙 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 摘要以腾冲县太板桥景区顶管隧道爆a t 施．r - 为背景，设计了腾冲县顶管爆破工程掘进断面的爆破参 教，并进行现场爆破试验，根据最小二乘法原理对监测到的爆破震动速度进行回归分析，得到该场地的爆破 地震波传播衰减规律。通过F o u r i e r 变换进行了爆破振动的功率谱分析，得到爆破振动能量分布的优势频 率。 关键词复杂环境；顶管爆破；爆破震动；回归分析；F o u r i e r 变换 中围分类号T D 2 3 5 ．1’文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 2 } 0 2 - 0 0 5 4 - 0 3 C o m p l e xU r b a nE n v i r o n m e n to ft h eT o pT u b eT u n n e lB l a s t i n g ⅡQ i h 增，L U A N 幻增咖，Z H A N GZ h i - y u ，／2X ／a n g 一／o n g F a c u l t yo fL a n dR e s o u r s eE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t T a k et h ep i p e - j a c k i n gb l a s t i n gc o m t r u e t i o nt oT a i ] ib , 4 a s es c e n i c 目％o fT e n g e h o n gc o u n t ya sa ne l i - a m p l e 。t h eb l a s t 弘啦m l c t e mo fa d v a n c e m e n t w 柚d e s i g n e d f o re x c a v a t i o n ，a n d m e e t i n g b l a s t t e s t ．T h er e g r e s s i o na r u d y - s i Bo f b l a s t i n gv i b r a t i o nv d o e i t y W a g d o n eb y t h e l e a s t I K l U m e Sp r i n c i p l e ．a n d f i n a l l y t h e l a wo f b l a s t i n gv i b r a t i o np r o p - a g a ￡i 佣W Uo b t a i n e da tt h i s 删．T h el a s t i n gv i b r a t i o n 伽旧a n a l y z e db yF o u r i e rt r a n s f o r mp o w e rs p e c t r u m ，a n dt I I ea d ‘ v a n t a g e sf r e q u e n c yo fe n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h eb l a s t i n gv i b r a t i o nw ∞o b t a i n e d ． K e yw o r d s c o m p l e xe n v i r o n m e n t ；t o p - m b eb u r s t ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；r e g e s s i o na n a l y s i s ；F o u r i e rt r a n d o r m m e t h o d s 城市控制爆破越来越多，尤其是城市浅埋隧道 的施工，除爆破满足工程的质量和进度的需要外，还 要保证爆破区域人员的安全、建筑物的安全和设备 仪器的安全J 。目前，许多国家采用萨道夫斯基公 式对场地爆破振动进行预测，该方法简便有效，但因 地质条件的不同，预测结果变化范围较大，影响到计 算精度与爆破安全。因此，在有重要保护对象时，有 必要对爆破施工现场进行多次试爆，根据实测数据 回归分析场地的衰减系数，最终建立适合于现场地 质条件的衰减规律公式晗⋯。腾冲县顶管爆破工程 所处地理地形条件复杂，尤其是对太极桥的保护为 收稿日期2 0 1 1 - 0 9 1 4 作者简介李启航 1 9 8 6 一 ．男，硕士研究生，从事爆破工程与安全 技术方面的研究， E - m a i i 5 3 1 7 1 6 2 0 1 q q ．c o r n 。 重中之重。故以太极桥处所测震速为研究对象，利 用最小二乘法原理，分析其传播衰减规律；结合F 丌 法分析其频谱规律，为爆破参数的合理选择提供指 导，从而达到既安全又高效的实施爆破的目的。 1 工程概况 腾冲县城市污水处理厂配套管网工程 一标 段 位于云南省保山市腾冲县城叠水河景区太极桥 旁。管道埋深距离地表8 1 5m ，工程总长度1 8 4m 左右，共分为2 段，开挖方量5 0 0m ’方左右，隧道横 断面为2 ．6 9m 2 。其中管口距离保山市重点文物保 护单位叠水河景区的太极桥只有1 8m ，距离县城公 路7 0m 、桥梁7 5m ，距离售楼部3 3m ，距离最近居 民房 土坯房 6 0m 。具体位置见图1 所示。 万方数据 第2 9 卷第2 期李启航，栾龙发，张智字，等城镇复杂环境下的顶管隧道爆破 5 5 图1 爆区环境平面示意图 单位m F i g ．1 P l a ns k e t c ho fb l a s tm ae n v i r o n m e n t u n i t m 由图l 可见，爆破区域沿线地表道路、建筑物复 杂，尤其是太极桥属于保山市重点文物保护单位。 这就给施工带来一定困难，不仅要保护沿线地表建 筑物，还要保证施工质量和进度。 爆破施工场地主要为火山沉积岩形成的灰质砂 岩、砂岩。总体上，岩石新鲜坚硬，呈块状构造。组 成矿物简单，岩石结构比较均匀，岩石密度 2 ．6 5t ／m 3 。无丰富地下水，局部地段有层间结合裂 隙水。 工程采用比较先进的顶管法施工，即在管道的 沿线按设计方案设置工作井和接受井。工作井内设 置坚固的后座，吊进油压千斤顶以及要顶进的钢管 或混凝土管，接好照明以及泥浆管、油管等管线，然 后用油压千斤顶缓慢顶进。通过压浆系统使管节周 围形成泥浆套，管道在泥浆套中滑行，在顶进的过程 中通过激光经纬仪测量顶管的方向，边顶进边排土 边调整，直至将钢管或混凝土管顶至接收井内。 设计方案，最终实现将爆破振动控制在安全允许范 围以内。 2 ．2 初拟爆破方案 腾冲县顶管爆破工程的施工现场为火山沉积 岩，岩石较硬；施工断面小，横截面只有2 ．6 8m 2 ，周 围岩层对爆破区域夹制作用大；爆破时管道紧贴所 爆区域岩壁。垂直掏槽不仅能适应各种硬度的岩 层、加大循环进尺，而且钻孔效率高。岩渣抛掷较近。 故选择采用垂直掏槽。 为了确保太极桥的安全，根据爆破安全规程 的规定垆J ，一般古建筑与古迹的最大安全允许震速 为0 ．5c m ／s 。故根据萨道夫斯基经验公式得最大 单响药量为 Q R 3 ∥K 3 血 1 8 3 0 ．5 ／2 0 0 3 门一 0 ．2 7k g 1 式中爆心距R 1 8m ；岩性系数K 取2 0 0 ；o r 取1 ．8 。 由于炮孔内含有裂隙水，所以施工时选用 ‘b3 2n 瑚乳化炸药，采用塑料导爆管雷管电雷 管联合起爆系统，孔内导爆管雷管段别选用M S I 、 M S 3 、M S 5 、M S 6 、M S 7 五个段别，孔外用1 发电雷管 起爆。 爆破后太极桥测点实测震动速度为O ．4 9 3 2c n v s 。 实际震速比理论值大。这是由于爆破地震波随着传 播介质的不同，其传播特性也不同。而K 、O t 值则直 接反映了岩性，其取值大小对震动速度的计算结果 影响很大‘6J ，故应对K 、c l t 值进行理论分析，从而找 出在火成岩中爆破时震动速度沿不同方向传播衰减 规律。 2 爆破设计 3 爆破震动分析 2 ．1 控制爆破的降振措施 由于该工程距离保山市重点文物太极桥最近点 仅有1 8m 。在对该顶管爆破工程建设施工做爆破方 案设计时，爆破有害效应中的爆破振动需作为首要 考虑因素。因此，研究爆破地震波传播的信号变化 规律对结构的灾害预防具有重要意义H “。根据爆 破原理和爆破地震波传播规律制定必要的降振措施 是消除和减小爆破振动危害的一种主要方法。 由萨道夫斯基经验公式可以看出，震动与最大 单响药量成正比，因此控制用药量是控制震动强度 最有效的措施H 1 。将一次爆破药量分成多段毫秒 雷管延时起爆，这样在总药量不变的情况下，震动可 以降低很多。主要就是基于这一原理进行爆破降振 试验，并通过对隧道爆破开挖引起的建筑物具体振 动速度进行监测，根据监测结果及时调整修正爆破 3 ．1 回归分析 爆破震动测试仪器采用的是成都中科动态仪器 公司生产的I D T S 3 8 5 0 爆破震动记录仪及配套的速 度传感器，选取初期试验炮爆破震动监测的测试结 果，进而分析其K 、O t 值。 为了能较准确的反应客观实际，避免因取值随意 性带来的误差，对所取数据采用最小二乘法进行回归 分析。把测试所得数据利用3 8 5 0S e i s m o g r a p h 主软件 中的萨道夫斯基回归分析，回归结果为置信系数为 0 ．9 ；衰减系数与指数K 1 2 3 6 ．9 4 7 、a 2 ．1 1 4 。 由此可知，该场地的爆破震动传播速度为 口 1 2 3 6 ．9 4 7 沏尺 1 4 2 小净距隧道施工时夹制作用较大，再加之腾冲 县的地质条件为火山沉积岩，虽然岩石比较坚硬，但 其孔隙率较高，故表现出K 、o t 值较大的情况。 万方数据 爆破2 0 1 2 年6 月 在具体施工过程中应根据式 2 ，及时调整爆 破参数，从而达到安全高效实施爆破的目的。 3 ．2 爆破震动波形分析 爆破震动信号具有复杂、不规则、突变和衰减快 等特点，是一种典型的非平稳随机信号。对爆破震 动信号采用各种数字信号处理方法进行分析与处 理，提取各种时、频特征信息，是爆破研究的重要内 容之一⋯。根据F o u r i e r 变换方法J ，可以得到功率 谱的分布规律，进而可以获悉其优势频率，为安全施 工提供指导。 图2 、图3 分别为l 、2 号观测点 1 号测点爆心 距大于2 号 爆破震动波形图和其对应的功率谱。 由图2 和图3 中可以看出 1 质点震动速度峰值与观测距离密切相关，在 其它条件相同的情况下，随观测距离的增加而减小。 2 采用分段毫秒微差爆破的方法，虽然有部 分波形叠加，但总体上震动波形分布比较均匀，说明 选用合理的微差爆破段延时间隔可以使各段之间的 爆破振相相反，彼此削弱。 3 毫秒延期爆破震动信号的能量在频域上分 布比较广泛，但是绝大部分能量集中在3 0 ～9 0H z 中低频段。由于普通建 构 筑物的自振频率较低， 一般在l OH z 以下。显然有利于建筑物的安全。 4 随着传播距离的增加，爆破震动的主震频 带有往低频发展的趋势。由于工程结构体的自振频 率较低，因此爆破地震波在传播过程中，虽然其振动 强度不断衰减，但其破坏效应可能更大，这一点可以 从有些爆破工程中爆源近处的建筑物没有受到破坏 而远处的建筑物被破坏的现象中得到验证。 f 目 睾 } ’ C ● g ≮ } ’ 图2 爆破震动波形图 F i g ．2W a v e f o n no fb l a s t i n v i b r a t i o n |；＼I 1 号测点 ．、} ～＼．一，＼一一2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 5 6 ．2 C H 2F r c q u e n c y l H z 0 一√ 2 号测点 入八 一／＼卜一 ，、． 02 04 06 08 01 0 0 1 1 7 ．2 C H 2F r e q u e n c y t H z 图3F o u r i e r 变换得到的功率谱 F i g ．3 P o w e rs p e c t r u mb yF o u r i e rh a n “o r l l l 4 爆破效果 爆破后没有造成地表房屋损坏，尤其是太极桥， 通过对裂缝观测，施工过程中也没有发生裂缝扩展 现象，说明所采取的爆破震动控制技术是成功的。 采用垂直桶形掏槽爆破后，爆破设计单循环进尺 0 ．6m ，实际循环进尺为0 ．5 5m 左右，炮眼利用率约 9 1 ％。从现场观察来看，爆破后岩体没有大块，破碎 效果较好，爆堆比较集中，达到松动爆破的目的，不 仅对管道损坏较小，同时也便于清渣；开挖边界较为 平整、光滑，除几处由于软弱岩层的影响而出现局部 超挖O ．1 5m 左右，开挖误差都控制在0 ．1m 范围 内，没有欠挖情况。 5 结语 1 在整个施工过程当中，由于采用了垂直桶 形掏槽、严格控制最大单响药量、毫秒微差起爆的方 式，有效的降低了爆破振动对保山市重点文物太极 桥的影响。 2 小净距隧道开挖采用垂直桶形掏槽的爆破 方法，炮孔利用率高，岩渣抛掷距离较近，爆落的岩 块均匀，有利于出渣，加快了施工进度。在建筑物林 立、人口稠密、交通密集的城市复杂环境条件下进行 浅埋隧道爆破作业施工时，应遵循少装药、短进尺、 多循环的原则。 下转第5 9 页 加弘∞”加”m∞O 鲐如巧加2 m 晒 _‘；豳1．o_、A葺飞 一j回一，o_【、晕飞 万方数据 第2 9 卷第2 期谢兴博．王希之，谭雪刚，等易碎岩石大粒径石料开采爆破关键参数研究 5 9 上接第5 6 页 3 根据对现场监测的爆破振动数据进行回归 分析，得出了爆破振动在火山沉积岩形成的灰质砂 岩、砂岩中传播的K 、理值。 4 采用毫秒延期爆破后，震动的能量主要集 中在3 0 ～9 0H z 的中低频段，由于建筑物的自振频 率一般在1 0H z 以下，显然对建筑物的影响较小。 参考文献 R e f e r e n c e s 吕增寅．城市公路隧道减振爆破施工技术研究[ J ] ．地 下工程与隧道，2 0 0 7 3 8 5 - 8 8 ． L VZ e n g - y i n ．U r b a nr o a d t u n n e lb l a s t i n gv i b r a t i o n * s e a r c h [ J ] ．U n d e r g r o u n dE 口g i n e e r i I l g a n dT u n n e l s ， 2 0 0 7 3 8 5 - 8 8 ． i nC h i n e s e 姚道平，谢志招，张艺峰，等．基于回归分析的爆破振 速预测保护古建筑[ J ] ．爆破。2 0 0 9 ，2 6 4 1 0 3 1 0 7 ． Y A O 晰p i l 唔，X I E2 3 ．i z h a o ，Z H A N GY i - f e n g ．e t8 ．1 ．B i a s - 血l gv i b r l 扯i o Rv e l o c i t yp r e d i t t i o ．b a s e do nr e g r e s s i o na n a l y s i s f o rp c o t e e f i n ga n c i e n ta m I I i t e 魄l r e [ J 】．B L a r i n g ，2 0 0 9 ，2 6 4 1 0 3 1 0 7 ． 访C h i n e s e 逢焕东。陈士海．弹性介质中爆破地震波传播的分区 变化规律研究[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 9 ，2 8 3 1 0 5 ．1 0 7 ． P A N GH u a n d o n g ，C H E NS h i - h a i ．E l a s t i cm e d i ab l 相血玛 s e i s n f i cw “ ep r o p a g a t i o nv a r i a t i o no ft h ep a r t i t i o n [ J ] ． J o u r n a lo fV i b r a t i o na n dS h o c k ，2 0 0 9 ，2 8 3 1 0 5 ．1 0 7 ． i nC h i n e s e [ 4 】 费鸿禄，马诺诺．坝基开挖爆破振动频带小波能量分 析[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 3 9 9 - 1 0 4 ． [ 4 】F E IH e n g - l u ，M AN u o - m l o ．W a v e l e te n e r g ya n a l y s i so fb b r i n gv i 妇mh e q I | e n c yb a n d0 1 1d a mf o u n d a t i o ne ％．a v a t i o n [ J ] ．2 0 1 0 ，2 7 3 9 9 - 1 0 4 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 耿贵刚，池恩安，刘凤钱．基于双谱时延估计的爆心距 定位研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 1 1 4 ．1 7 ． [ 5 ] G E N GG u i g a n g ，C H IE n - a n ，L I UF e n g - q i u n ．B i s p e c t n u n t i m ed e l a ye s t i m a t i o nb a s e dO i ll o e 心o n [ J ] ．B h s t i n g ， 2 0 1 l ，2 8 1 1 4 ．1 7 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 庙延钢，栾龙发．爆破工程与安全技术[ M ] ．北京化 学工业出版社，2 0 0 7 ． 【6 ] M I A OY a n - g a n g ．L U A NL o n g h ．B l a s t i n ga n ds a f e t yt e c h - n d n g y [ M ] ．B e i j i n g C h e m i c a lI n d u s t r yP r e s s ，2 0 0 7 ． i n C h i n e s e [ 7 ]李夕兵，张义平，刘志祥，等．爆破震动信号的小波分析与 H I l T 变换E J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 5 ，2 5 6 5 2 8 - 5 3 5 ． [ 7 ] uX i - b m g ，Z H A N GY i p i n g ，L I UZ h i x i a n g ，e ta 1 ．W a v e - l e ta n a l y s i so fb l a s t i n gv i b r a t i o na n dH H Tt r a n s f o r m [ J ] ． F J q D t o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 5 ．2 5 6 5 2 8 - 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