城区隧道微震爆破技术研究.pdf

第2 8 卷第4 期 2 0 1 1 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．4 D e c ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 4 ．0 0 2 城区隧道微震爆破技术研究半 孟祥栋’，田振农2 ，王守伟3 ，王国欣4 1 重庆市爆破公司，重庆4 0 0 0 2 0 ；2 ．山东大学土建与水利学院，济南2 5 0 0 6 1 ；3 ．重庆市公安局，重庆4 0 11 2 0 ； ‘4 ．中国建筑第八工程局，上海2 0 0 1 2 0 摘要针对城区隧道爆破施工断面大、浅埋和临近建筑物的特点，分析了爆破扰动效应的危害、预测方 法。以及主要的减震技术措施。通过工程对比试验研究了电子雷管起爆对降低爆破振动效应的作用，并提出 了基于电子雷管起爆条件下错相减震爆破技术和增大耦合系数的光面爆破技术。对比试验分析结果显示 采用电子雷管起爆时。在1 0 6 0H z 的主振频域内．爆破振动比采用非电毫秒延期雷管起爆时降低了5 2 ％， 爆破松动圈范围减少了6 0 ％。采用电子雷管起爆，保证了城市隧道爆破振动安全和提高施工效率，为城区 隧道微震爆破提供了新方案。 关键词 隧道；微震爆破；电予雷管；对比试验 中图分类号0 3 8 3 ．1 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 4 0 0 0 6 - 0 5 S t u d yo nS l i g h tV i b r a t i o nT e c h n o l o g yo fT u n n e l B l a s t i n gi nU r b a nA r e a M E N GX i a n g ．c l o n 9 1 ，T I A NZ h e n ．n o n 9 2 ，W A N GS h o u ．w e i 3 ，W A N GG u o - x i n 4 1 ．C h o n g q i n gB l a s t i n ge n g i n e e r i n gC o ，C h o n g q i n g4 0 0 0 2 0 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，S h a n d o n gU n i v e r s i t y ，J i n a n2 5 0 0 6 1 ，C h i n a ； 3 ．C h o n g q i n gP u b l i cS e c u r i t yB u r e a u ，C h o n g q i n g4 0 1 1 2 0 ，C h i n a ； 4 ．C h i n aC o n s t r u c t i o nE i I s h t hE n g i n e e r i n gD i v i s i o n ，S h a n g h a i2 0 0 1 2 0 ，C h i n a A b s t r a c t L a r g es e c t i o n s ．s h a l l o w - b u r i e da n dc l o s et ob u i l d i n ga 托t h ec h a r a c t e r i s t i co ft u n n e lb l a s t i n gc o n s t r u c t i o n i nu r b a nK r e a ．I nt h i sp a p e r ，t l l eh a z a r do fb l a s t i n gv i b r a t i o n ，f o r e c a s t i n gm e t h o da n dt h ep r e c a u t i o n sf o rr e d u c i n g b l a s t i n gv i b r a t i o nw e r ea n a l y z e d ．T h ev i b r a t i o nm i t i g a t i o ne f f e c tW a ss t u d i e db ye n g i n e e r i n gc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t w h e ni ti n i t i a t e dw i t he l e c t r o n i cd e t o n a t o r ，a n dt h en e wt e c h n o l o g yo fr e d u c i n gv i b r a t i o nb yp h a s es t a g g e ra n ds m o o t - h i n gb l a s t i n gw i t h1 8 孵c o u p l i n gf a c t o r sw 鹪p r e p 0 8 e d ．T h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a ti ft h ep r i n c i p l ef r e q u e n c yi s f r o m1 5t o6 0I - I z ．t h eb l a s t i n gv i b r a t i o nW a sd e c r e a s e d5 2 ％a n dr a n g eo fb r o k e nr o c kz o n ew a sd e c r e a s e d6 0 ％t h a n n o n e l e c t r i ci n i t i a t i o ns y s t e mw h e ni ti n i t i a t e dw i t he l e c t r o n i cd e t o n a t o r ．S ot h e r ei si m p o r t a n tr o l eo nv i b r a t i o ns a f e t y o ft u n n e lb l a s t i n ga n di m p r o v i n gc o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c yi nc i t ya r 阻b yu s i n ge l e c t r o n i cd e t o n a t o r ．w h i c hp r o p o s e sa n e ws l i g h tv i b r a t i o nt e c h n i q u ef o rt u n n e lb l a s t i n gi nu r b a n8 1 “ c a ． K e yw o r d s t u n n e l ；s l i g h tv i b r a t i o nb l a s t i n g ；e l e c t r o n i cd e t o n a t o r ；c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t 收稿日期2 0 1 l 0 6 1 0 作者简介盂祥栋 1 9 6 2 一 ，男，高级工程师，从事岩土爆破方面的 研究， E m a i l b p 2 0 4 1 2 5 1 6 3 ．c o m 。 通信作者田振农 1 9 7 1 一 ，男，博士，讲师，从事岩土爆破方面的研 究． E ．m a i l m i l a n s d u ．e d u ．c a 。 基金项目国家自然基金面E 项目 5 0 9 7 9 0 5 2 ／嗍0 1 ；中国博士 后科学基金 2 0 9 0 4 6 1 2 3 6 保证洞室稳定和临近建筑物的安全是城市爆破 作业的关键问题，而微震爆破是其中的关键技术。 采用毫秒延期雷管起爆时，主要减震措施包括小进 尺掘进、预裂爆破、分步开挖等‘1 。引，保证工程安全 都是以降低施工效率为前提的，因此城市隧道爆破 万方数据 第2 8 卷第4 期盂祥栋，田振农，王守伟，等城区隧道微震爆破技术研究 7 工程迫切需要改善减震技术。廖先葵、魏小林等人 利用波的叠加原理研究了爆炸波干扰减震存在的条 件和技术【5 引，但由于起爆器材的限制，还没有形成 一项实用技术。 正如毫秒延期雷管的应用，在爆破工程中产生 了微差爆破技术一样，电子雷管的研发也预示着工 程爆破技术革新的又一次飞跃。它不受段别的限 制，彻底实现了单孔单响的目标，使爆破振动比原来 降低了三分之一【8 圳。目前电子雷管的延时精度可 以达到1m s ，使爆炸波在掘进断面内相互叠加和应 用干扰减震技术成为可能，但是光面爆破时齐爆周 边炮孔将会引起更大的振动，造成围岩损伤范围扩 大。虽然电子雷管已经在一些重要爆破工程中使 用m 1 1 | ，但对与其相关的微震爆破技术还缺乏深入 研究。 该研究以工程对比试验为手段，在实现单孔单 晌的前提下，研究电子雷管起爆时微震爆破技术、错 相减震技术，为使用电子雷管进行城市隧道微震爆 破设计提供依据。 1 爆破振动效应的危害及预测理论 1 ．1 对临近建筑物的危害 爆破振动是由于爆炸波在岩体内传播，引起岩 体内质点的扰动产生的。爆炸波经过建筑物时，容 易在窗口、墙角等处产生应力集中，超过混凝土破坏 强度，就会对建筑物造成损坏。我国爆破安全规 程建议采用萨道夫斯基公式预测爆破振动危害， 如式 1 所示 y 矗 铜“ ㈩ 式中y 质点最大振动速度，c m ／s ；Q 为药量，k g ； 尺为测点到爆源中心距离，m ；K 、a 为地质、地形影 响系数。 但是该公式不能直接反映爆破地震波对建筑物 的影响、预测范围较大，而且仅对爆破远区适用。根 据建筑物结构建立其对爆炸波的动力响应方程，如 式 2 所示，通过数值计算得到建筑物随周期或频 率变化的反应谱，结合混凝土强度破坏准则，也可以 预测建筑结构的受损程度。 M ／／ C 五 K u 一M i 2 s t 2 式中肘为质量矩阵，c 为阻尼矩阵，K 为刚度矩阵， ／／, f i 、M 为建筑物节点的加速度、速度和位移，面。 t 地面运动加速度。 这种方法适用于对建筑物的整体结构判断，无法 描述局部应力集中引起的破坏。采用数值模拟的方 法可以刻画建筑结构细节特征，但建模复杂、工作量 大，还没有在工程中普及应用。工程中为保护临近建 筑物的安全，通常采用现场监测的方法获得质点振动 速度，再经过分析监测结果指导后续爆破作业。 1 ．2 对围岩体的破坏 爆炸作用对围岩体的破坏可分为2 部分剥落 区 即周边眼以外超挖部分 和扰动区 裂隙生成及 扩展区 ，引起围岩体破坏的主要原因是应力波的 传播、反射以及相互之间的作用使岩体内裂纹起裂、 扩展、贯通，当隧道轮廓线内岩石被开挖后，由于应 力重新分布和岩石强度降低，就可能导致围岩体的 变形破坏。耦合装药时裂隙区半径可按下式计 算㈣ 尺，f 墅一掣 3 I O t d ／1 2 4 2 0 e d ／ 式中I T 以为岩石动态抗拉强度，o r d 为岩石动态抗压 强度，h 为炮孔半径，D 爆轰波传播速度，P 。为装药 密度，詈 2 ／z d ／ 1 一心 ，砌为动态泊松比，A 为 P 爆轰波压力进入岩石的透射系数，B 为与岩石侧向 变形有关的系数。该预测方法依赖于岩石动态力学 参数，这些参数取值范围较大，导致预测结果变化范 围较大。 另外，也经常采用数值模拟的方法研究爆炸载 荷下围岩体的损伤范围，常用的程序如L s D y n a 、 F l a c 等，同样由于建模复杂，还没有在工程中普及应 用。现场测试围岩体损伤范围的方法主要有超声波 法和地质雷达法超声波法基于岩体内纵波速度与 岩体内孔隙度的近似反比关系，寻找波速随孔深变 化的突变点，从而得到围岩体的松动范围；地质雷达 基于岩体介质对广谱电磁波的不同响应来确定岩体 的异常情况，通过观测位移电流的变化来实现其探 测目的。 可见现有预测方法中或者误差范围过大、或过 于复杂，现场主要还是采用实测分析评价工程安全， 达不到防患于未然的目的，因此城市爆破工程迫切 需要革新技术降低爆破振动。 2 电子雷管微震爆破技术 2 ．1 错相减震设计 电子雷管起爆延时精度比毫秒延期雷管提高了 近一个数量级，使其容易实现比干扰减震更精确的 爆破设计，因此引入错相减震的概念，它是指在多炮 孔起爆时，通过控制炮孔之间的起爆延时间隔，使到 达被保护点的爆炸波主振相错开约半个周期，实现 万方数据 8爆破 2 0 1 1 年1 2 月 爆破振动的降低。根据波动理论，爆炸波可认为是 有一系列简谐波合成的，即 t ， ∑A i t A t i C O S [ t O f 1 A t f 妒] 4 式中∞i 为第i 个振动波的角频率；t 为振动持续时 间；A t ；为炮孔起爆间隔时间；t p 为初相位。研究表 明【l3 l ，对同一测点初始相位差别可以忽略不计；函 数A i t 为第i 个振动波形包络线。 经过简单计算可得主振频域内各谐波半个相位 差的时间最小约为苦，其中f 为主振频率，一般为 1 0 ～6 0H z 。可见当电子雷管的起爆延时精度为 1m s 时，起爆延时误差一般不超过主振子波半个相 位时间差的十分之一，因此容易实现错相减震爆破 设计。在原孔网参数和装药参数基本不变的情况 下，对掏槽眼爆破和辅助眼爆破的起爆网络进行如 下设计通过单孔爆破振动采样得到被保护建筑物 处的主振频率，尽可能实现具有相同药量的相邻炮 孔间隔苦的时间对应起爆。 2 ．2 光面爆破设计 采用毫秒延期雷管进行光面爆破时，要求周边 炮眼齐爆，由于存在延时误差，实际上各炮孔很难同 时起爆，一般隧道爆破工程，相邻炮孔起爆时差至少 在1 0m s 范围内离散。而电子雷管起爆可以将所有 周边眼起爆延时误差减小到lm s 范围内。根据岩 体中应力波的传播速度，起爆时差即使仅为0 ．1m s ， 爆炸波也无法在两炮孔间叠加，研究表明光面爆破 成缝机理是由于准静态应力场的叠加和炮孔周围应 力集中的结果4 J 。根据文献[ 1 5 一1 6 ] ，单炮孔起爆 时爆炸载荷作用时间为 扛万L L C O 器 詈 5 扛万 一 ≯ i ‘5 ’ 式中L 为装药长度，D 为爆轰波传播速度，，为作用 于孔壁的冲量，形为最小抵抗线，n 为冲击波与孔壁 碰撞时压力增大系数，m 为装药不耦合系数，P 为炸 药密度，c 。为岩体内纵波波速，c o 爆轰时稀疏波波 尾传播速度。 对一般隧道爆破，作用时间约li n s ，因此采用电 子雷管起爆将有利于临近炮孔裂隙的贯穿破坏，但由 于齐爆药量的增加，会引起较大的振动，并对围岩体 造成更大损伤。结合现场试验，采用电子雷管进行光 面爆破设计时，原参数基本不变，仅使装药耦合系数 增大1 ．5 ～2 倍，成缝和减震效果都明显改善。 3 工程实例 3 ．1 概况 某地铁站上覆岩层厚度为8 1 0m ，主要为泥 岩和半风化砂岩，最大开挖断面近7 0 0m 2 ，周围待 保护建筑物多，到最近建筑物的水平距离仅3m 。 反复验算和早期的现场试验说明采用毫秒延期雷管 起爆已经不能满足振动安全和工程效益的要求。因 此采用“隆芯l 号”数码电子雷管进行微震爆破设 计，整个断面分9 步开挖，进尺2m ，每次爆破炮孔 约1 1 0 个、使用乳化炸药约1 2 0k g ，全程进行爆破振 动监测，并抽样进行围岩松动范围测试。为了对比 分析，同时给出了近似条件下毫秒延期雷管爆破效 应测试结果。 3 ．2 爆破振动效应测试分析 爆破振动测试系统由T C A 8 5 0 爆破振动记录仪、 ，I T _ _ 3 A 型振动速度传感器、计算机、打印机组成。测 试点选择在隧道正上方地表、距掌子面0 ～1 0 0 ．01 1 1 的推进方向，共布置8 个测点。典型爆破振动速度监 测结果如图l 所示。 图1 爆破振动对比监测结果 F i g ．1 T h em o n i t o r e dr e s u l t so fb l a s t i n gv i b r a t i o n 8 6 4 2 o 之 4 巧 迅 一，暑3、冬奄o≈≯ Ol 8 O6 O B Ⅳ b ，L 402OOO 万方数据 第2 8 卷第4 期孟祥栋，田振农，王守伟，等城区隧道微震爆破技术研究 9 分析图l 可以看出采用毫秒延期雷管起爆时， 对应掏槽眼、辅助眼、周边眼爆破，振动图上出现了 3 个速度峰值，最大值为5 ．9c m ／s ，超过了爆破安 全规程限制，振动持续时间约0 ．8s ，主振频域为 1 5 4 5H z 。采用电子雷管爆破时，速度峰值最大约 2c m ／s ，分别出现在振动开始和结束时刻，大部分时 刻的振动明显降低，振动持续时间约1 ．3s ，主振频 域为1 0 ～6 0H z 。比较结果显示采用电子雷管起 爆，质点振速峰值降低了2 ／3 ，原因在于 1 质点振 动能量被分布在更宽的时间域和频域上，因此峰值 会有所下降； 2 出现了爆炸波的错相叠加，使大部 分时刻的振速峰值低于单孔爆破引起的振速峰值。 在地表测量的垂直振动速度峰值随距离的传播 衰减规律如图2 所示，可以看出电子雷管起爆时，振 速峰值一直低于毫秒延期雷管起爆时的振速峰值， 对被保护点可以通过错相减震设计，使爆破振动明 显降低。 ， e ● 暑 ≤ 叁 图2 爆炸波的传播衰减 F i g ．2 A t t e n u a t i o no fe x p l o s i v ew a v ew i t hd i s t a n c e 3 ．3 围岩松动圈测试分析 围岩松动圈利用R S M - - S Y S 5 超声波探测仪，测 试孔径为5 0m m ，孔深4i n ，测量样本频率为1 5 0k H z 。 在充满水的情况下，探头从孔底逐步向孔口移动，每 2 0c m 测量一次。典型测试结果如图3 所示。 ， l ∞ ● 目 o 图3 围岩松动圈测试结果 F i g ．3 T h et e s tr e s u l t so fs u r r o u n d i n gr o c kl o o s ec i r c l e 可以看出在洞室壁附近声速较低，说明岩体损 伤严重。采用毫秒延期雷管起爆时，在孔深2 - 2 ．6m 的位置，声波速度上升变化较快，之后区域稳定，说明 该处为爆炸波扰动损害界面。当采用电子雷管起爆 时，声波速度变化趋势显示在孔深1 ．2 1 ．6m 的位 置为爆炸波扰动损害的界面。采用电子雷管起爆 时，围岩松动圈显著减小的原因在于除周边眼外， 彻底实现了单孔单响，从而降低了齐爆的炸药量，减 小了对围岩体的损害；另外，利用静态应力场的有效 叠加，减少了周边眼爆破时的炸药单耗，也使围岩体 损伤降低。 4 结语 通过理论分析和工程对比试验，可以得出以下 结论 1 城区爆破，振动安全是关键问题，它主要包 括爆破振动对周围建筑物的损害和爆炸波对围岩体 的损害，采用普通电雷管或非电雷管起爆保证安全 是以降低工程效率为前提。 2 由于电子雷管的延时精度高，使控制质点 振动相位成为可能，也因此增加了周边眼齐爆的几 率，必须采取措施降低周边眼爆破对围岩体的损害。 3 采用电子雷管起爆时，微震方案主要采取的 技术措施为利用电子雷管的延时精度进行错相减震 设计，相邻炮孑L 起爆间隔时间由被保护点的主振频率 决定；另外，增大周边眼的不耦合装药系数，该工程显 示，不耦合装药系数为2 ．5 4 时，效果较好。 4 该地铁站爆破振动监测结果说明采用电 子雷管的起爆减震方案，能够满足城区临近建筑物 浅埋大断面隧道的微震技术要求。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 范海军，张哲．暗挖地铁隧道减震爆破技术[ J ] ．广 州建筑，2 0 0 5 2 2 8 - 3 1 ． [ 1 ] F A NH a i - J u n ，Z H A N Gz h e ．T e c h n i q u eo fu n d e r g r o u n de x P A ＆- v a f i o nc o n s t r u c t i o nt oc o n t r o lt u n n e lb l a s t i n gv i b r a t i o n [ J ] ． G u l 嘴g h o uA r c h i t e c t u r e ，2 0 0 5 2 2 8 - 3 1 ． i nC h i n e s e [ 2 ] 郭英杰，吕波，付强．城市浅埋暗挖隧道减震控制 爆破施工技术[ J ] ．山西建筑，2 0 0 9 ，3 5 1 1 3 3 1 - 3 3 2 ． [ 2 ] G U OY i n g - J i e ，L V1 3 0 ，F uQ i a I l g ．D a m p i n gc o n t r o l l i n g s k i Uo fd y n a m i t i n gc o n s t r u c t i o no fs h a l l o w - b u r i e de x c a v a - t i o nt u n n e li nc i t y [ J ] ．S h a n x iA r c h i t e c t u r e ，2 0 0 9 ， 3 5 1 1 3 3 1 - 3 3 2 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 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