紧邻隧道上方的土石方开挖控制爆破技术.pdf

第2 7 卷第2 期 2 0 1 0 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．2 J t m ．2 0 1 0 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 0 ．0 2 ．0 1 3 紧邻隧道上方的土石方开挖控制爆破技术 蒋楠1 , 29 周传波2 1 ．岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．中国地质大学 武汉 T 程学院，武汉4 3 0 0 7 4 摘要汪家山工业园区土石方开挖爆破工程紧邻襄渝铁路线汪家山和白浪一号2 座隧道上方，其爆破振 动效应将直接对隧道稳定产生影响。为确保隧道安全，施工前进行了现场爆破试验。同时，对试验中采取的 不同参数条件下的爆破振动效应进行了测试，并依据测试结果对土石方开挖爆破振动效应进行了灰色关联 和回归分析；最后，依据爆破试验与综合分析结果，为了控制孔深和最大单段药量，提出了有效的爆破技术方 案，取得了良好的爆破施工效果。 关键词土石方控制爆破；紧邻隧道上方；灰关联分析；回归分析 中图分类号q q Y 2 3 5 ．3 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 2 0 0 4 9 0 3 C o n t r o l l e dB l a s t i n go fR o c k - S o i lE x c a v a t i o nA d j a c e n tt oT u n n e lT o p J I A N GN a n l ．一．Z H O UC h u a n ．b 0 2 f1 ．E n g i n e e r i n gR e s e a c hC e n t e ro fR o c k S o i l E x c a v a t i o na n dP r o t e c t i o n M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； 2 ．E n g i n e e r i n gC o r t e g e ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h er o c ka n ds o i le x c a v a t i o ne n g i n e e r i n go fW a n 6 i a s h a nI n d u s t r i a lP a r ki s a d j a c e n tt ot h et o p0 f W a n g j i a s h a nt u n n e la n dB a i l a n g y i h a ot u n n e lo ft h eX i a n g y ur a i l w a y ，t h ee f f e c to fb l a s t i n gv i b r a t i o nw i l la f f e c td i r e c t l y o nt h es t a b i l i t yo ft u n n e l ．I no r d e rt oe n s u r i n gt u n n e ls a f e t y ，t h ef i e l dt e s tb l a s t i n g sw e r ec a r r i e do u tb e f o r et h ec o n s t r u c t i o n ．B l a s t i n gv i b r a t i o ne f f e c t so ft h et e s t su n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sw e r em o n i t o r e d ．A c c o r d i n gt Ot h et e s tr e s u i t s ，t h ee f f e c to fb l a s t i n gv i b r a t i o nW a Sa n a l y z e db yg r e yr e l a t i o na n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ．I nt h ee n d ，b a s e do nt h e r e s u l t so ft e s tb l a s t i n g sa n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ．a ne f f e c t i v eb l a s t i n gt e c h n o l o g yw 船p r o p o s e da n dh a sa c h i e v e d g o o dm s u l t s ． K e yw o r d s r o c k ．s o i lc o n t r o l l e db l a s t i n g ；a d j a c e n tt ot u n n dt o p ；g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ；r e g r e s s i o na n a l y s i 8 1工程概况 十堰经济开发区工业园白浪汪家山山地平整工 程需平整用地为8 0 0 亩，平整区域山体岩性一般特征 下部为弱风化白云质灰岩，主要矿物成分为碳酸岩， 细晶结构、块状构造，细节理裂隙较发育；中部为灰黑 至灰绿色强风化千枚岩，主要矿物成分云母、长石等， 变余泥质结构，千枚状构造；上部为第四系覆盖层含 收稿日期2 0 0 9 一1 2 3 0 作者简介蒋楠 1 9 8 6 一 ，男，在读硕士研究生，主要从事地质工 程、地下建筑工程研究，E m a i l h a p p y j o h n f o x m a i l ．t o m 。 矿石亚粘土，褐黄色，碎石具棱角状。按要求，工业园 区平面设计高程为2 5 3m ，其上中部岩土体松软、强风 化，一般可采用机械法开挖，下部岩体为中硬岩体，采 用爆破法开挖，开挖高度一般8 1 2m 。 在爆破开挖区域下方，有襄渝铁路线的汪家山 D Z K 9 5 4 0 0 ～D Z K 9 6 5 4 0 和白浪一号 K 9 6 2 8 6 ．1 一l 9 6 7 6 7 2 条新、旧隧道贯穿。汪家山隧道 为本世纪初构建，断面形状曲墙拱形，白浪一号隧道 为上个世纪6 0 年代末建造，断面形状直墙拱形，2 条 隧道高度8m 、跨度5m ，均采用混凝土浇筑支护。按 要求，隧道顶部爆破开挖的保留高度为1 4m 。本次 万方数据 爆破2 0 1 0 年6 月 土石方爆破周边范围无其他民房等建筑物，爆破施工 所产生的主要危害是爆破振动。因此，如何确保2 条 隧道的安全稳定，采用合理的爆破技术方案，控制爆 破振动效应，是该爆破工程的重点与难点问题。 2 现场爆破试验 2 ．1 试爆方案确定 由现场爆破实际，山体需开挖8 1 2m ，开挖面 到隧道的垂直距离1 4I T I 。在如此近的距离内，既要 保证隧道的安全稳定，同时又要满足生产进度要求， 选取合理的控制爆破方案尤为重要。为了能够得到 合理的爆破参数，在开挖场地内离隧道较远区域进 行爆破试验。结合现场钻孔机械钻孑L 深度的性能要 求，爆破试验拟采用一次爆破、分层爆破2 种爆破技 术，其中分层爆破具体采用分2 层 每层层高6 7 m 与分3 层 上2 层孔深4 5m ，下分层层高2 ～ 2 ．5m 的爆破方式。根据拟定的2 种爆破技术，具 体采用的以下5 组试爆方案 如表1 所示 进行爆 破试验。 表1 试爆方案参数 2 ．2 爆破振动测试 根据现场爆破试验的目的，以及施工现场场地 情况，采用质点振动速度作为本次爆破振动效应测 试的测试量。 2 ．2 ．1 测试系统 根据相关规程和本次测试目的，对爆破测振仪 器的总体要求是①自触发设置要可靠；②记录波形 应有负延时记录，若由自触发启动记录存储，没有负 延时设置，有可能丢失振动波头记录；③振动分析仪 的内存可适当加大，增大此内存，可增加记录波形的 数据容量，方便野外多次测振记录；④测振仪的振动 速度传感器频率范围应符合爆破地震的频响范围； ⑤野外测振仪应轻便、耐用，能准确、可靠地捕获到 信号。 参照上述总体要求，选用u B O x 2 0 0 1 6 数据采集 系统及其配套的S D P ．1 型速度传感器为本次爆破地 震效应测试仪器。分析软件采用T O P V I E W - 2 0 0 0 虚 拟仪器软件。 2 ．2 ．2 测点布置 考虑爆破振动测点布置一般要求及本次测试具 体目的，本次测试的测点布置应遵循以下原则以 当次爆破爆源最近处隧道断面为中心，在中心断面 两侧一定距离处的不同隧道断面点上布置测点，以 测定测点处的振动强度；在爆破地震效应对隧道影 响范围较大的区域布置测点，以分析该区域的地震 强度衰减规律⋯。 按照测点布置原则，结合现场爆破地质条件与 周围环境，各爆破振动效应测试点布置在避车洞附 近，白浪一号隧道内7 个测点布置如图1 所示，汪家 山隧道内测试进行类似布置。 2 ．3 测试结果分析 测试结果的分析过程中，首先采用灰色系统理 论的方法，以测试结果数据为分析样本，对爆破振动 效应进行了多因素的灰色关联分析，确定影响爆破 效应各因素的主次关系，为有针对性地爆破振动控 制措施提供了依据；然后通过回归分析的方法确定 爆破地震波的衰减规律，为预测爆破振动速度提供 了依据。 图1白浪一号隧道测点布置示意图 襄樊 2 ．3 ．1 灰关联分析 据研究，在高差不大、近距离范围的情况下，一 般是垂向速度分量对爆破地震起控制作用；在高差 大、距离较远时，一般是水平径向速度分量对爆破地 震起控制作用B 】。结合工程现场实际 爆破点距离 隧道位置较近 ，故选择垂向速度分量作为系统特 征变量。 对爆破振动速度影响的因素有总药量、最大单 段药量、段数、爆心距、高程差、爆破方向、孔网参数、 炮孔深度、地质条件等因素旧J 。孔网参数对块度起 着决定的影响，但对爆破振动的影响较小，所以不予 考虑；由于本工程均采用孔外延时，孔外延时很长， 万方数据 第2 7 卷第2 期蒋楠，周传波紧邻隧道上方的土石方开挖控制爆破技术 5 1 段数的影响不大，所以不予考虑；由于本工程的特殊 性，隧道方向位于爆源下方，爆破方向大体一致，所 以不予考虑；由于地质条件难以数据表示，所以不予 考虑H 】。故最终选择总药量、最大单段药量、爆心 距、高程差、炮孔深度为本次分析的相关因素变量。 根据现场爆破试验实测数据，得到分析样本见表2 所示。 表2 现场爆破试验实测振动数据 根据灰色系统理论灰关联计算方法[ 5 】，得出灰 色绝对关联矩阵为 A 占1 5 0 ．5 4 71 ，0 ．7 6 4 l ，0 ．6 9 37 ， 0 ．5 4 05 ，0 ．6 8 06 由此计算结果可知，土石方开挖爆破工程中各 因素对隧道内的振动影响的重要程度依次为最大 单段药量、孔深、爆心距、总药量、高程。 因此，对于汪家山工业园区土石方开挖爆破工 程，为了控制爆破振动对隧道的影响，首先应控制单 段药量，其次是孔深，最后是总药量。 2 ．3 ．2 回归分析 前苏联科学院地球物理研究所的萨道夫斯基得 出了质点振动速度峰值与装药量和距离之间经验关 系式 V m , K f 连1 4 、 R ， 式中，‰为质点振动速度峰值；K 为与爆破场地有 关和系数；o r 为与地质条件有关的参数；Q 。。为单段 最大药量；R 为测点至爆破中心的距离。 根据上式，对试爆实测数据进行回归分析M J ， 如图2 所示。 f ， 暑 蟊 塔 趔 鹫 唇 涮 嘲 7 图2 现场爆破试验实测数据回归曲线图 由图2 可知，K 、Q 的回归值分别为2 0 5 ．3 7 和 1 ．6 6 35 ，回归系数为0 ．8 1 93 。因此可归纳出土石 方开挖爆破工程对隧道影响的地震波传播规律为 y 2 0 5 ．3 7 f 四1 。6 6 3 5 ＼ R ／ 3 开挖爆破施工技术 根据灰关联分析的结果，得到单段药量与炮孔 深度对爆破振动的影响关联度很大。故在确定爆破 技术方案时，重点提出控制该2 项因素的措施。 引用中华人民共和国爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - 2 0 0 3 的有关规定，可知交通隧道的爆 破振动安全允许标准为1 0 ～2 0c m ／s 。考虑到白浪 一号为6 0 年代末期修建，已使用4 0 多年。为了确 保安全，给出安全系数为2 ，即允许的爆破振动速度 控制在5c m ／s 。根据归纳出的地震波传播规律表 达式，反推计算出在土石方开挖爆破过程中距离隧 道最近位置 离隧道中心线2 5n l 处 允许的最大单 段药量为2 8 ．9k g ，其它距离根据传播规律表达式依 次推出。 因该爆破工程，炮孔深度对爆破振动的影响很 大，还需制定控制孔深的技术方案。根据现场试验 爆破的情况以及振动效应的分析结果，进行方案的 比选。方案A 通过一次爆破就达到开挖标准面，施 工周期短，施工进度快，但考虑到孔深对爆破振动的 重要影响，且1 0m 孔深的单孔装药量就已经超出了 所限定的最大单段药量，采用该方案爆破不能保证 隧道的安全稳定，存在相当大的风险的，不可取。方 案B 开挖深度适中，施工进度较快，同样考虑到孔 深对爆破振动的重要影响，同时又由于其单孔装药 已达1 6 ．3k g ，起爆时为控制其单段药量，必须单孑L 单爆，严重增加了成本，不采用。由试验爆破的分析 结果，可知方案C 、D 、E 施工均可以确保隧道的安全 稳定。同时，由现场施工反馈信息了解方案C 的施工 下转第9 l 页 万方数据 第2 7 卷第2 期李宏兵乳胶远程配送系统相关技术研究 9 1 上接第5 1 页 进度要比方案D 要快 9 0m m 炮孔比4 0m r ／l 炮孔的钻 孔速度与装药速度都要快 ，显然方案C 优于方案D 。 综上所述，为确保隧道的安全稳定以及满足施工 进度要求，最终决定采用现场试验爆破方案c 和方案 E 相结合的爆破技术方案，即浅孑L 大直径与小直径相 结合的分层松动爆破技术方案爆破开挖分为3 层，上 2 层为大直径浅孔爆破，炮孔直径9 0m n l ，炮孑L 深度4 5I l l ，同时起爆3 个孑L ，最大单段药量为2 5 ．8k g ，炮孔装 药结构如图3 a 所示，采用孔外延时起爆网路；下分层 采用浅孔小直径爆破，炮孑L 直径4 0m m ，炮孑L 深度2 2 ．5m ，同时起爆1 6 个孔，最大单段药量为2 4l g ，炮孔 装药结构图3 b 所示，采用孔外延时起爆网路。 a 浅孔大直径 b 浅孔小直径 l 一炸药 2 。岩石或乳化炸药 ；2 一起爆药包； 3 - - 堵塞段；4 一导爆管。 图3 装药结构示意图 单位m 4 爆破效果 严格采用所提出的爆破技术方案施工，并实时 监测爆破对隧道产生的振动影响。现场施工信息反 馈，松动爆破效果良好，满足现场挖掘要求。同时现 场监测振动速度在0 ．0 5 8 1 ．8 3 4e m ／s 之间 小于5 e m ／s ，完全控制在允许的爆破振动速度内，达到了 较好的振动控制效果。确保了汪家山和白浪一号2 条新、旧隧道的安全稳定。 致谢论文以导师周传波教授的汪家山工业园区土 石方开挖爆破技术及其振动效应监测评价 项目为依托，郭 志杏、徐曦、赵建洲等研究生参与了现场试验与测试，现场试 验与测试工作得到了现场相关技术人员的大力配合，在此对 导师、各住同学和现场技术人员深表感谢 参考文献 [ 1 ] 周传波，陈建平．乌龙泉露天矿深孔爆破振动测试与 分析[ J ] ．工程爆破，2 0 0 0 ，6 4 7 1 - 7 5 ． [ 2 ]范孝锋，周传波．爆破振动影响因素的灰关联分析 [ J ] ．爆破，2 0 0 5 ，2 2 2 1 0 0 - 1 0 2 ． [ 3 ] 宋龙伯，邓民宪．爆破地震效应的灰色关联分析[ J ] ． 爆破，1 9 8 9 ，6 1 2 5 - 2 8 ． [ 4 ]赵新涛，程贵海．灰色关联分析在爆破振动效应控制 中的应用[ J ] ．爆破器材，2 0 0 8 ，3 7 1 3 4 - 3 8 ． [ 5 ] 邓聚龙．灰色系统基本方法[ M ] ．武汉华中科技大学 出版社，2 0 0 5 ． [ 6 ] 彭德红．某石料厂石材开采爆破振动测试与分析[ J ] ． 爆破，2 0 0 5 ，2 2 4 3 2 - 3 4 ． 万方数据