小净距隧道爆破振动对邻近隧道影响测试研究.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 u n ．2 0 l O 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 0 小净距隧道爆破振动对邻近隧道影响测试研究术 陈连进1 ’2 1 ．中国地质大学 武汉 ，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉4 3 0 0 7 4 摘要为研究小净距隧道爆破对工作面前后中间岩柱的影响规律，结合泉厦高速公路扩建工程大坪山隧 道振动监测，对小净距隧道中间岩柱的振动响应及累积损伤进行测试研究，得出爆破地震波在小净距隧道中 间岩柱衰减公式及％曲线，分析了距离掌子面不同位置爆破地震波特性规律。结果可为类似条件下小净 距隧道的现场监测、爆破控制和建立动荷载作用下隧道破坏临界值提供依据。 关键词小净距隧道；爆破振动； 累积损伤；质点振动速度 中图分类号T D 2 3 5 ．1 4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 3 6 一0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nB l a s t i n gV i b r a t i o nI n f l u e n c eo n n e a r b yT u n n e l sw i t hS m a l lI n t e r v a l C H E NL i a n - j i n l 2 1 ．C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s e i e n c e s ，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 gR e s e a r 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 A b s t r a c t F o rr e s e a r c h i n gt h ei n f l u e n c el a wo ft h eb l a s t i n gv i b r a t i o no nt h er o c kp i l l a r sa r o u n dt h ew o r k i n gf a c e s i nt u n n e lw i t hs m a l li n t e r v a l ，t h ev i b r a t i o nr e s p o n s ea n da c c u m u l a t i v ed a m a g eo ft h er o c kp i l l a r sb e t w e e nt h et u n n e h w i t hs m a l li n t e r v a lw e r er e s e a r c h e dc o m b i n i n gw i t ht h em o n i t o r i n go fv i b r a t i o ni ne x p a n s i o np m j e e to fD a p i n g s h a n t u n n e lt h a ti sp a r to fQ u a n z h o u - X i a m e nh i g h w a y ，t h e nt h ea t t e n u a t i o nf o r m u l ao fb l a s t i n gv i b r a t i o na n d ～c o r r e l a t i o n c u r v et h r o u g ht h er o c kp i l l a r sw e r eo b t a i n e d ．A f t e r w a r d s ，t h el a w so fb l a s t i n gs e i s m i cw a v e sa td i f f e r e n tp o s i t i o n sf r o m t h ew o r k i n gs p a c ew e r ea l s oa n a l y z e d ．T h er e s u l mC a l lb er e f e r r e dt of o rt h ef i e l dm o m t o f i n g ，b l a s t i n gc o n t r o la n dd y n a m i cl o a dd a m a g et h r e s h o l di ns i m i l a rc o n d i t i o n s ． K e yw o r d s t u n n e l sw i t hs m a l li n t e r v a l ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；a c c u m u l a t i v ed a m a g e ；p a r t i c l ev i b r a t i o nv e l o c i t y 0 引言 由于受地形和环境等因素的影响，扩建隧道与 既有隧道的净间距较小，在采用钻爆法施工时，新建 隧道爆破可能引起邻近既有隧道围岩和衬砌的损 收稿日期2 0 1 0 0 3 1 8 作者简介陈连进 1 9 5 7 一 ，男，中国地质大学 武汉 地下建筑工程 专业在读博士。E - m a i l c h e n l j 3 3 1 2 6 ．c o r n 。 基金项目国家自然科学基金 5 0 7 7 8 1 0 7 ；福建省自然科学基金 2 0 0 6 J 0 4 4 5 伤。研究爆破振动在对中夹岩中的传播规律，以减 少或避免爆破施工对隧道围岩稳定及相邻隧道的损 害u 引，具有重要的工程意义。目前，许多学者采用 数值分析旧引、现场爆破地震测试等方法对临近隧道 在爆破振动作用下的动态响应以及衰减规律进行了 大量有意义的研究L 7 引。但针对4 线小净距隧道群 爆破地震效应的研究，尤其是探讨中夹岩累积损伤 还很少。基于现场测试，分析研究了小净距隧道中 夹岩中爆破地震波特性。 万方数据 第2 7 卷第2 期 陈连进小净距隧道爆破振动对邻近隧道影响测试研究 3 7 1工程背景2 小净距隧道中间岩柱的振动响应分析 大坪山新建隧道为泉厦高速公路的扩建隧道， 原隧道为左右洞分离式隧道。新建隧道主要穿越岩 层燕山早期侵入花岗岩及其风化层，其构造条件相 对稳定，山顶地形波状起伏。新建左线位于原既有 2 隧道中间，全长10 8 8 ．3m ，距原洞净距分别为 1 1 ．2 8m 和1 1 ．0 8m ；新建右线位于原既有隧道右洞 外侧，全长10 8 2 ．5m ，距原洞净距5 ．2 8m 。既有隧 道采用锚喷砼做初期支护，复合式衬砌，衬砌厚度为 3 0 4 0c m 。 设计的新隧道为拱形，毛断面高8 ．3 9m ，采用 炮孔爆破掘进，每循环布西4 0 炮孑L1 7 6 个，孑L 深3 ．3 ～3 ．5m ，总装药量乳化炸药1 6 0k g ，全断面导爆管 毫秒延期网路一次起爆，段最大药量不大于2 8k g 。 新建隧道爆破振动测点布置在既有隧道内。为 研究既有隧道与掌子面前后位置的影响，测点布置 如图1 所示。已获得有效监测数据2 8 0 组。限于篇 幅，这里取代表性监测结果为例进行分析 见表1 。 既有左线 14 一 皂 ul 堡- 7l ≯- l i 9 l 乏10 1 萝1 ’1 2 既有右线 爆源 图I大坪山隧道爆破振动测点平面示意图 F i g ．1A r r a n g e m e n to fm o n i t o r i n gp o i n t si nt h ep r o f i l e 表1 各测点爆破振动速度汇总 T a b l e1V i b r a t i o nv e l o c i t i e so fm o n i t o r i n gp o i n t s 2 ．1质点振动速度分量随距离变化规律 图2 、图3 分布为新建左线和新建右线爆破振 动速度分量随距离变化的曲线。由图中可以看出 1 各方向振动速度峰值符合随距离的增加而 衰减的规律； 2 掌子面前方测点的振动速度大于相应的掌 子面后方的对称测点的振动速度，约为1 ．2 1 ．8 5 倍； 3 新建左隧道爆破监测各测点的径向方向振 动速度峰值最大，切向方向与垂直方向的振动速度 峰值相近，径向方向速度峰值为切向和垂直方向的 1 ．4 ～2 ．5 倍。新建右线爆破时各测点的振动速度 也是径向方向的速度峰值最大，切向方向与垂直方 向的振动速度峰值相近，径向方向速度峰值为切向 万方数据 3 8爆破 2 0 1 0 年6 月 和垂直方向的1 ．2 3 ．5 倍。 ， I 晴 ● 昌 3 魁 恻 需 鞲 1 3 的1 0 ％一2 0 ％，振动影响较小，表明在新建右线 爆破开挖中，在距离掌子面3 2m 外，爆破振动对既 喜裂萎器葛 有右线右侧壁影响低于安全振动速度1 0c t n ／s ，即 右侧壁径向 既有右线右侧壁衬砌的处于安全状态。 喜怒萎篓鲁 3 新建右线开挖所用药量虽小于新建左线，但 右侧壁垂直 由于中夹岩厚度及围岩等级等条件的影响，新建右 线所监测的振动速度比新建左线的振动速度大，新 建右线对既有隧道的影响大于新建左线，因此可以 看出，中夹岩厚度是爆破对既有隧道影响的至关重 要的因素，中夹岩厚度越大，隧道净距越大，受到的 爆破振动的影响越小。 图2 新建左线爆破质点振动速度分量随 相对距离变化曲线 F i g ．2C u r v e so fp a r t i c l ev i b r a t i o nw e i g h tv e l o c i t yw i t ht h e c h a n g eo fr e l a t i v ed i s t a n c e si nt h el e f tn e wt u n n e lb l a s t i n g ， ●∞ ● 吕 三 趟 制 需 骚 爆心距离R i m 图3 新建右线爆破质点振动速度分量随距离变化曲线 F i g ．3 C u r v e so fp a r t i c l ev i b r a t i o nw e i g h tv e l o c i t yw i t l lt h e c h a n g eo fd i s t a n c e si nt h ef i g h tn e wt u n n e lb l a s t i n g 2 ．2 合矢量随距离变化规律 图4 、图5 分布为新建左线和新建右线爆破振 动速度合矢量随距离变化。由图可以看出 1 掌子面前方振动速度衰减较慢，后方则相对 较快掌子面前方测点2 的振动速度峰值为掌子面 后方测点4 的振动速度峰值的1 ．1 5 倍，测点l 振动 速度大于测点5 的振动速度，前者是后者的1 ．2 5 倍，说明掌子面前测点的衰减速度小于掌子面后各 测点衰减速度。这与掌子面前方中间岩柱双侧均为 临空面有关，因此施工中宜加强该部位的监测和相 关支护。 2 新建右线爆破既有右线右侧壁各测点合矢 量的爆破振动速度衰减规律测点1 3 振动速度最 大，至测点1 5 振动速度衰减为测点1 3 振动速度的 4 0 ％一5 0 ％，而测点1 7 、测点1 8 振动速度仅为测点 ， I ∞ ● 吕 3 越 馏 需 鞴 左线右侧壁 右线左侧壁 图4 新建左线振动速度合矢量随相对距离变化曲线 F i g ．4 C u r v e so fp a r t i c l ev i b r a t i o na l lv e l o c i t yw i t ht h e c h a n g eo fr e l a t i v ed i s t a n c e si nt h el e f tn e wt u n n e lb l a s t i n g p I ∞ ● 吕 3 魁 鲻 需 蜷 爆心距离彤m 图5 新建右线振动速度合矢量随距离变化曲线 F i g ．5 C u r v e so fp a r t i c l ev i b r a t i o na U tv e l o c i t yw i t ht h e c h a n g eo fd i s t a n c e si nt h ef i g h tn e wt u n n e lb l a s t i n g 2 ．3 主振频率 爆破地震波随着传播介质的不同，其传播特性 也不同，尤其在缺陷介质中的传播更具可变性与多 形性。爆破点周围的地层起过滤系统的作用，以不 同的速率抑制或衰减爆破振动波频率谱。通常情况 下，岩石、土壤对较高频率的衰减作用要大于较低频 率的衰减速度。因此埋设距离爆破点愈远的测振探 头记录到的频率就越高，地震波的高频成分衰减相 当快。由于测点是布置在既有隧道混凝土衬砌上， 测点与围岩原岩体有1 层厚4 0 一6 0c m 混凝土相 隔，存在地质分界面层，通过频谱分析发现，所测质 点振动速度波的频率成分会发生相应的变化，而主 万方数据 第”卷第2 期陈连进小净距隧道爆破振动对邻近隧道影响测试研究 3 9 振频率或次主频也因此有了相应的改变。图6 为典 型波形频谱分析图，其振动的主振频率主要集中为 1 5 2H z 。 3 魁 粪z 瓣 雷 l 。一．▲ ．俄虬从L 05 01 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 0 频率／H z 图6 典型振动波形频谱分析图 F i g ．6F r e q u e n c ya n a l y s i so ft y p i c a lb l a s t i n gw a v e 图7 显示，切向振动主频主要分布在l O 一1 5 0 H z 频段，主要集中在5 ～2 0H z ，但高频段3 4 0 3 5 0 H z 也有出现；图8 显示径向振动主频主要集中在5 0 H z 以内，但在3 5 0 ～4 0 0H z 等高频段出现频度较 高；图9 显示垂直振动主频主要集中在5 3 0H z 间。由分布趋势来看，切向与径向的主频主要集中 在5 。5 0H z 的低频段，具有相同的主频分布趋势， 垂直方向的主频较为分布较为离散，低频段出现频 度也较高，且在高频段出现较为频繁。 图7 切向振速主频分布图 F i g ．7 C u r v e so fm a i nf r e q u e n c yf o rt a n g e n t i a l m a x i m u mv e l o c i t y ； 6 薹； ， l O1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 主频脚z 图8 径向振动主频分布图 F i g ．8 C u r v e so fm a i nf r e q u e n c yf o rr a d i a l m a x i m u mv e l o c i t y 图9 垂直振动主频分布图 F i g ．9 C u r v e so fm a i nf r e q u e n c yf o rv e r t i c a lm a x i m u mv e l o c i t y 3结论 1 在掌子面前方各点的衰减速度比掌子面后 方各测点衰减速度慢； 2 各测点径向方向振动速度峰值最大，切向方 向与垂直方向的振动速度峰值相近，新建左线径向 方向速度峰值为切向和垂直方向的1 ．4 - 2 ．5 倍； 3 比较发现，质点振动主振频率虽然均主要出 现在低频段，但集中分布的频段因传播介质不同而 存在变化； 4 对应相同的最大一段爆破药量，围岩质量 越好，中夹岩厚度越大，各测点振动速度越小，即受 爆破振动的影响越小，反之则越大。 致谢中铁1 1 局4 公司李盛春、肖文坦和王红生工程 师对现场测试工作提供了无私的帮助；林从谋、林丽群、林 键、郑强、杨海书、黄金山等参加了现场全部测试工作。在 此，一并致谢。 参考文献 [ 1 ] 黄拔洲，陈少华，秦峰．小净距隧道在京福高速公路 上的实践[ J ] ．重庆大学学报，2 0 0 3 ，2 6 1 0 1 9 - 2 2 ． [ 1 ] H U A N GB a - z h o u ，C H E NS h a o - h u a ，Q 1 NF e n g ．D e v d 卵m e n t o fP a r a l l e lT u n n e l sw i t hS u p e r - s m a l l c l e a rS p a c ei nB e i j i n g - F u z h o uF r e e w a yE n g i n e e r i n g [ J ] ．J o u r n a l0 fC h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，2 0 0 3 ，2 6 1 0 1 9 - 2 2 ． i nC h i n e s e [ 2 ] 谭忠盛，杨小林，王梦恕．复线隧道施工爆破对既有隧 道的影响分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ， 2 2 2 2 8 1 - 2 8 5 ． [ 2 ] T A NZ h o n g - s h e n g ，Y A N GX i a o - l i n ，W A N GM e n g - s h u ．E f f e c t 0 fB l a s ti nD o u b l e ．1 i n eT u n n e lo nE x i s t i n gT u n n e l [ 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 sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 2 2 2 8 1 - 2 8 5 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 王明年，潘晓马，张成满，等．邻近隧道爆破振动响应 研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 4 ，2 5 3 4 1 2 _ 4 1 4 ． [ 3 ] W A N GM i n g n i a n ，P A NX i a o m a ，Z H A N GC h e n g m a l l ，e t 8 1 ．S t u a yo nB l a s t i n gV i b r a t i o nI n f l u e n c eO n c l o s e - s p a c e d 万方数据 4 0爆破2 0 1 0 年6 月 T u n n e l [ J ] ．R o c ka n dS o f tM e c h a n i c s ，2 0 0 4 ，2 5 3 4 1 2 - 4 1 4 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 林丽群，林丛谋，蔡丽光，等．隧道爆破振动的B P 神经 网络预测及应用研究[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 4 4 - 7 ． [ 4 ] L I NL i q u n ，L I NC o n g m o u ，C A IL i g u a n g ，e ta 1 ．P r e d i c t i o na n dA p p l i c a t i o nR e s e a r c ho fT u n n e lB l a s t i n gV i b r a - t i o nb a s e do nB PN e u r a lN e t w o r k [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 9 ， 2 6 4 4 ．7 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 刘艳青，钟世航，卢汝绥，等．小净距并行隧道力学状 态试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 5 5 9 0 ．5 9 4 ． [ 5 ] L I UY a h - q i n g ，Z H O N GS h i - h a n g ，L UR u - s u i ，e ta 1 ．E x p e r - i m e n t MS t u d yO n m e c h a n i c a lC h a r a c t e r i s t i c so fT w i nT u n n e hw i t hS m a l lC l e a rS p a c e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR 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 0 ，1 9 5 5 9 0 - 5 9 4 ． i n C h i n e s e [ 6 ] 刘慧．近距侧爆情况下马蹄形隧道动态响应特点的 研究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 0 ，2 0 2 1 7 5 1 8 1 ． L I UH u i ．D y n a m i cR e s p o n s e so fH o o f - s h a p e dT u n n e l st o A d j a c e n tB l a s t i n g [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 0 ， 2 0 2 1 7 5 1 8 1 ． i nC h i n e s e 蔡冻，吴立，梁禹．野山河隧道爆破振动监测与 分析[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 4 8 9 - 9 2 ． C A ID o n g ，W UL i ，L I A N GY u ．M o n i t o R i n ga n dA n a l y s i s o nB l a s t i n gV i b r a t i o no fY e s h a n h eT u n n d [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 0 9 ，2 6 4 8 9 - 9 2 ． i nC h i n e s e 张立国，龚敏，于亚伦．爆破振动频率预测及其回归 分析[ J ] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 5 ，2 4 2 1 8 7 - 1 8 9 ． Z H A N GG u o - l i ，G O N GM i n ，Y UY a h i n ．F o r e c a s ta n dR e g r e s s i o nA n a l y s i so fB l a s t i n gV i b r a t i o nF r e q u e n c y [ J ] ． J o u r n a lo fL i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，2 0 0 5 ，2 4 2 1 8 7 一1 8 9 ． i nC h i n e s e 上接第4 页 [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] C A P U A N ID ，W I L L I SJR ．W a v eP r o p a g a t i o ni nE l a s t i c M e d i a 试t hC r a c k sP a r tI T r a n s i e n tN o n l i n e a rR e s p o n s e o faS i n g l eC r a c k [ J ] ．E u r o p e a nJ o u r n a lo fM e c h a n i c s ，A ／ S o h d s ，1 9 9 7 ，1 6 3 3 7 7 - 4 0 8 ． 盖京波，王善，杨世全．冲击波在多层结构中的传播 [ J ] ．火力与指挥控制，2 0 0 7 ，3 2 3 1 2 - 1 3 ． G A IJ i n g ．b o ，W A N GS h a n ，Y A N GS h i q u a r t ．P r o m u l g a t i o n o fI m p a c tW a v ei nM u l t i l a y e rS t r u c t u r e [ J ] ．F i r eC o n t r o l a n dC o m m a n dC o n t r o l ，2 0 0 7 ，3 2 3 1 2 - 1 3 ． i nC h i n e s e 张秀丽，焦玉勇，刘泉声，等．节理对爆炸波传播影响 的数值研究【J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 3 7 1 7 - 7 2 1 ． Z H A N GX i u - l i ，J I A OY u y o n g ，L I UQ 啪- s h e n g ，e ta 1 ． N u m e r i c a lS t u d yo nE f f e c to fJ o i n t so nB l a s t i n gW a v e P r o p a g a t i o ni nR o c kM a s s [ J ] ．R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ， 2 0 0 8 ，2 9 3 7 1 7 - 7 2 1 ． i nC h i n e s e W UYK ，H A OH ，Z H O UYX ，e ta 1 ．P r o p a g a t i o nC h a r a c - t e r i s t i e so fB l a s tI n d u c e dS h o c kW a v e si naJ o i n t e dR o c k M a s s [ J ] ．S o i lD y n a m i c sa n dE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ，1 7 6 4 0 7 - 4 1 2 ． R O S S M A N I T HHP ．P r o cI n tS y m pO nF r a c t u r ea n dD a m - a g eo fC o n e r e t e ra n dR o c k [ M ] ．V i e n n a ，L o n d o n ，1 9 9 5 3 5 6 ．3 6 5 ． F O U R N E YWL ．D i c kRD ．U t i l i z a t i o no fE x p l o s i v eL o a d - i n g 的aN o n d e s t r u c t i v eE v a l u a t i o nT o o li nG e o l o g i cM a t e - r i a l s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fs o l i d sa n dS t r u c t u r e s ， 1 9 9 5 ，3 2 1 7 1 8 25 1 1 - 25 2 2 ． [ 11 ] S H A OJF ．E t u d ed uc o m p o r t e m e n td i a n ee r a i eb l a n c h e 憾p o r e u s ee tm o d 6 l i s a t i o n [ t h 6 s ed ed o c t o r a t ] [ D ] ． L i l l e U n i v e r s i t 6 d e sS c i e n c e se tT e c h n o l o g i e sd eL i l l e ， 1 9 8 7 ． [ 1 2 ]王礼立．应力波基础[ M ] ．长沙国防工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 1 3 ]马晓青．冲击动力学[ M ] ．北京北京理工大学出版 社，1 9 9 2 ． 【1 4 ]赵坚，赵宇辉．B u b tT i m a h 花岗闪长岩的H u g o n i o t 状态方程[ J ] ．岩土工程学报，1 9 9 9 ，2 1 3 3 1 5 - 3 1 8 ． [ 1 4 ] Z H A OJ i a n ，Z H A OY u ．h u i ．T h eH n g o n i o tE q u a t i o no f S t a t ef o rB u H t T i m a hG r a n i t e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f G c o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，2 1 3 3 1 5 - 3 1 8 ． i n C h i n e s e [ 1 5 ]J O N E SOE ．M e t a lR e s p o n s eu n d e rE x p l o s i v eL o a d i n g [ c ] ∥B e h a d o ra n dU t i l i z a t i o no fE x p l o s i v e si nE n g i ． n e e r i n gD e s i g n ．N e wM e x i c oS e e ，A S M E 1 9 7 2 1 2 5 ． [ 1 6 ]吕洪生，曾新吾．连续介质力学[ M ] ．长沙国防科技 大学出版社，1 9 9 9 ． [ 1 7 ] 宋守志．固体介质中的应力波[ M ] ．北京煤炭工业 出版社，1 9 8 9 ． 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J № p p 哆 哆 万方数据