隧道下穿建筑物爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究
2015-05-29
1 引言
隨著鐵路、公路隧道在我國的大規(guī)模修建，很多隧道不可避免地要在建筑物下方施工。隧道施工是一個(gè)非常復(fù)雜的工程，尤其在下穿重要建筑物時(shí)，隧道施工將會(huì)對(duì)地表建筑物的安全性構(gòu)成極大的危害。因此需要對(duì)隧道施工中的爆破振動(dòng)進(jìn)行分析研究，確定合理的爆破施工參數(shù)，確保建筑物結(jié)構(gòu)安全。
本文結(jié)合敖包溝隧道出口段下穿敖家溝西梁煤礦辦公區(qū)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，介紹了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的一系列內(nèi)容。
2 工程概況
巴準(zhǔn)鐵路敖包溝隧道洞身在里程D1K34+592～D1K34+651段連續(xù)穿越敖家溝西涼煤礦三層辦公樓、職工食堂及變電站。下穿建筑物區(qū)段洞頂覆土約20m，個(gè)別建筑物因其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同，隧道埋深比較淺：穿越職工食堂半側(cè)，約12m，職工食堂設(shè)有地下室，高約2m，基礎(chǔ)厚約2m，下穿食堂時(shí)洞頂覆土厚只有16m左右。隧道穿越辦公樓一角約6米寬，從正下方穿越變電站。
下穿區(qū)段隧道洞身巖層層理平緩，主要巖層為砂巖夾泥巖，弱風(fēng)化，V級(jí)圍巖。隧道上部從拱頂至地面分布巖（土）層依次為：6.5m厚強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖，粉砂含量高，呈土狀；1.0m全風(fēng)化砂巖夾泥巖，巖芯呈土狀；地表以下12m分布砂質(zhì)黃土。隧道掘進(jìn)過程顯示，洞身巖層含少量基巖裂隙水，地表生活用水也有一定的滲漏，在施工過程中容易造成泥巖軟化，強(qiáng)度降低。同時(shí)，層狀巖層開挖后容易造成層間黏結(jié)強(qiáng)度下降，支護(hù)不及時(shí)，易掉塊，局部塌方。
隧道下穿區(qū)段采用臺(tái)階法施工，上臺(tái)階高約5.7m，下臺(tái)階高約4.4m，分段裝藥光面爆破，初期支護(hù)采用型鋼鋼架及錨噴混凝土。
3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法
3.1 儀器設(shè)備
?。?）監(jiān)測(cè)采用四川瞭望工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)有限公司最新研制的BR-6722（爆破）振動(dòng)記錄儀。
?。?）傳感器采用四川瞭望工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)有限公司研制的BR-TT-1A型振動(dòng)速度傳感器。
3.2 監(jiān)測(cè)方法
爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以在爆破前根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行細(xì)致的準(zhǔn)備工作，并嚴(yán)格按照工作流程進(jìn)行工作。
為確保監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確可靠，首先對(duì)爆破點(diǎn)附近的監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的調(diào)查后，確定監(jiān)測(cè)對(duì)象，然后在爆破前對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢查、檢測(cè)和標(biāo)定，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象與爆破點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系，確定測(cè)點(diǎn)位置及布置方法，提前進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安置，根據(jù)爆破時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
3.2.1 測(cè)點(diǎn)布置
爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：
?。?）為確保地表建筑物結(jié)構(gòu)的安全，需要在隧道其他施工地段對(duì)當(dāng)前爆破設(shè)計(jì)下的振動(dòng)影響進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，總結(jié)爆破振動(dòng)傳遞規(guī)律。
（2）下穿建筑物區(qū)段隧道施工時(shí)，應(yīng)在上臺(tái)階開挖時(shí)選取離爆心最近的點(diǎn)，測(cè)試爆破振動(dòng)引起地表的速度。
?。?）隧道在建筑物正下方爆破施工時(shí)，在隧道中線處地表，建筑物地基上分別布設(shè)測(cè)點(diǎn)，如果有必要還應(yīng)在建筑物樓層地面布設(shè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控爆破振動(dòng)速度的影響。對(duì)于建構(gòu)筑物測(cè)點(diǎn)選取基礎(chǔ)上表面，若基礎(chǔ)埋于土層下，則選擇最近基礎(chǔ)且堅(jiān)實(shí)的散水作為測(cè)點(diǎn)。
?。?） 測(cè)點(diǎn)數(shù)目要足夠多，以便有足夠的數(shù)據(jù)分析地面振動(dòng)傳播的衰減規(guī)律以及和爆心距等參數(shù)的關(guān)系。
（5） 考慮不同地貌、地質(zhì)條件的影響，便于了解分析這些因素條件對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響規(guī)律。
根據(jù)以上要求及隧道施工現(xiàn)場(chǎng)情況，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)可按每五米一個(gè)斷面布設(shè)，在測(cè)試過程中可按實(shí)際情況調(diào)整。
3.2.2 傳感器的安裝
若測(cè)點(diǎn)表面為堅(jiān)硬巖石，可直接在巖石表面修整一平臺(tái)。若巖石風(fēng)化，則可將風(fēng)化層清除，再澆筑一混凝土墩。測(cè)點(diǎn)表面為土質(zhì)時(shí)，一般將表面松土夯實(shí)，鋪以砂或碎石，再澆筑混凝土墩，然后再將傳感器固定在平臺(tái)或混凝土墩子上。傳感器安裝時(shí)，常采用生石膏粉粘結(jié)，取適量生石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀，將傳感器粘結(jié)在測(cè)點(diǎn)上，約10min后石膏凝固后即可進(jìn)行測(cè)試。
在安裝過程中，垂直速度傳感器應(yīng)該盡量保持與水平面垂直；水平速度傳感器的安裝應(yīng)該與水平面平行，水平速度傳感器的水平方向有一氣泡，如安裝處于水平狀態(tài)時(shí)氣泡應(yīng)該在刻度的中間位置。安裝徑向水平傳感器應(yīng)該水平指向爆心，切向水平速度傳感器則與徑向垂直并且和地面保持水平。三個(gè)傳感器應(yīng)安裝在一起，構(gòu)成一個(gè)關(guān)于爆心的三維直角坐標(biāo)系。
4 監(jiān)測(cè)原理及監(jiān)測(cè)內(nèi)容
?。?）監(jiān)測(cè)原理
爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理及過程如流程圖
圖7 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理圖
由于炸藥在巖（土）中的爆炸作用，使安裝布置在監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)上的傳感器隨質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)而振動(dòng)，使傳感器內(nèi)部的磁系統(tǒng)、空氣隙、線圈之間作相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，變成電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，電動(dòng)勢(shì)信號(hào)通過導(dǎo)線輸入可變?cè)鲆娣糯笃鲗⑿盘?hào)放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換，再通過時(shí)鐘、觸發(fā)電路，同時(shí)也通過存儲(chǔ)器信號(hào)保護(hù)，再通過CPU系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，采用波形顯示和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行波形分析和數(shù)據(jù)處理。
?。?）監(jiān)測(cè)內(nèi)容
出口段從上臺(tái)階D1K34+665起開始施工時(shí)，首先在隧道中線處地表進(jìn)行垂向、徑向、切向爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以確定最大爆破振動(dòng)速度。同時(shí)在D1K34+665橫斷面距離隧道中線10米處地表布設(shè)垂直速度傳感器，監(jiān)測(cè)不同距離下的爆破振動(dòng)特征。出口段下臺(tái)階D1K34+704下臺(tái)階爆破施工時(shí)，在隧道中線處地表進(jìn)行垂向、徑向、切向爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以確定最大爆破振動(dòng)速度。同時(shí)在D1K34+665中線處地表布設(shè)垂向速度傳感器，測(cè)試不同距離的地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。
5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析
采用自動(dòng)記錄儀將速度傳感器測(cè)得的測(cè)點(diǎn)水平徑向、水平切向和垂直方向上的振動(dòng)速度進(jìn)行記錄。然后需對(duì)爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行回歸分析，模擬出其傳播規(guī)律?；貧w分析可根據(jù)測(cè)點(diǎn)高程不同采用分組進(jìn)行，選擇相互之間高差較小的測(cè)點(diǎn)作為一組采用薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析：
式中，Vmax為測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度，應(yīng)分三個(gè)方向統(tǒng)計(jì)分析；
K、α為衰減系數(shù)；
Q為爆破裝藥量，齊發(fā)爆破時(shí)為總裝藥量，延時(shí)爆破時(shí)為最大一段藥量；
R為測(cè)點(diǎn)至爆源的距離。
按照最小二乘法原理，根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可求出K、α值。K、a值與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件和爆破條件都相關(guān)，但K值更依賴于爆破條件的變化，a值主要取決于地形、地質(zhì)條件的變化。爆破臨空條件好，夾制作用小，K值就小，反之K值大；地形平坦，巖體完整、堅(jiān)硬，a值趨小，反之破碎、軟弱巖體，地形起伏，a值趨大。根據(jù)我公司以前的相似工程經(jīng)驗(yàn)，K取值范圍大部分在50～1000之內(nèi)，a取值在1.3～3.0之間。而近距離振動(dòng)衰減規(guī)律和遠(yuǎn)距離衰減規(guī)律可分開考慮，當(dāng)比例距離R1=R/Q≤10為近距離，R1=R/Q≤10時(shí)為遠(yuǎn)距離。近距離振動(dòng)K值較大，可達(dá)500以上，a值較大，可達(dá)2.0～3.0；遠(yuǎn)距離爆破振動(dòng)，K達(dá)130～500，a為1.3～2.0。
監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)垂直振動(dòng)速度值最大，是對(duì)房屋結(jié)構(gòu)造成破壞的最主要因素、而水平徑向和切向速度相差不大，且數(shù)值較小，故施工時(shí)只對(duì)垂直振動(dòng)速度進(jìn)行控制即可。在施工過程中，出現(xiàn)過1次垂向爆破振動(dòng)速度超標(biāo)現(xiàn)象，垂直振動(dòng)速度達(dá)到34.839mm/s，如圖 8所示。
經(jīng)過對(duì)超標(biāo)原因的分析，發(fā)現(xiàn)最大峰值速度出現(xiàn)在1段掏槽爆破時(shí)，為此，及時(shí)調(diào)整了爆破方案，對(duì)1段藥量進(jìn)行了控制，采用了掏槽藥量分為1、3兩段實(shí)行分段爆破的方法。調(diào)整后的總藥量22.2kg，分6段爆破，最大段藥量6.2kg，爆心距19.24m，振動(dòng)效應(yīng)得到有效控制，最大垂向振動(dòng)速度為23.616mm/s，最終順利穿過食堂，沒有對(duì)其結(jié)構(gòu)造成損害。
6地表建筑物的安全性評(píng)估
施工中根據(jù)不同的地質(zhì)條件，依據(jù)設(shè)計(jì)采用的爆破方法進(jìn)行施工，爆破引發(fā)的地表振動(dòng)，可通過對(duì)地基土振動(dòng)的特性參數(shù)如振幅、頻率、速度和地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)加速度來確定等級(jí)、影響范圍及施工安全距離。目前國內(nèi)常用的爆破安全標(biāo)準(zhǔn)有《爆破安全規(guī)程》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的爆破振動(dòng)安全判定依據(jù)以振動(dòng)速度為依據(jù)，規(guī)定了一般建筑物和構(gòu)筑物的爆破振動(dòng)安全性滿足的要求。
注1:表中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為三分量中的最大值；振動(dòng)頻率為主振頻率。
注2：頻率范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形確定或按如下數(shù)據(jù)選取:硐室爆破f<20 Hz；露天深孔爆破f=10～60 Hz；露天淺孔爆破f=40～100 Hz；地下深孔爆破f=30～100 Hz；地下淺孔爆破f=60～300 Hz。
注3：爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)同時(shí)測(cè)定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相互垂直的三個(gè)分量。
a選取建筑物安全允許振速時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的重要性、建筑質(zhì)量、新舊程度、自振頻率、地基條件等因素。
b省級(jí)以上（含省級(jí)）重點(diǎn)保護(hù)古建筑與古跡的安全允許振速，應(yīng)經(jīng)專家論證選取，并報(bào)相應(yīng)文物管理部門批準(zhǔn)。
c選取隧道、巷道安全允許振速時(shí)，應(yīng)綜合考慮構(gòu)筑物的重要性、圍巖狀況、斷面大小、深埋大小、爆源方向、地震振動(dòng)頻率等因素。
d非擋水新澆大體積混凝土的安全允許振速，可按本表給出的上限值選取。
對(duì)隧道出口下穿區(qū)段建筑物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析表明，西梁煤礦辦公區(qū)職工宿舍、職工食堂、變電站均為一般建筑物，測(cè)試采用《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的一般民用建筑物安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行爆破振動(dòng)影響判別。若被監(jiān)測(cè)對(duì)象的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度超過上表所規(guī)定的范圍，應(yīng)采取相應(yīng)措施修正爆破方案，并加強(qiáng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的其它監(jiān)測(cè)手段（如安全巡視、沉降及位移監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等），確保其安全。爆破方案修正措施包括：控制最大單響藥量、選用低爆速低威力的炸藥、創(chuàng)造自由面、控制開挖循環(huán)進(jìn)尺、采用多段微差起爆技術(shù)、調(diào)整爆破傳爆方向、開挖減震溝、采用預(yù)裂爆破方法等。這些措施可多種同時(shí)采用，確保安全施工。
7 結(jié)論
通過在下穿重要建筑物的隧道施工中采用爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響，確定合理的爆破振動(dòng)參數(shù)，確保了地表建筑物的安全性，也加快了隧道施工進(jìn)度。
