浅埋暗挖隧道爆破对敏感建筑物的影响及优化.pdf

文章编号2106（2 0 2 30 0 3-0071-08NO.3(Ser.294)JOURNALOFRAILWAY ENGINEERINGSOCIETYMar2023报程学道铁2023年3 月第3 期(总2 9 4)浅埋暗挖隧道爆破对敏感建筑物的影响及优化傅鹤林姜智博米米邱琼（中南大学，长沙410 0 8 3）摘要：研究目的：随着城市地铁建设快速发展，施工要求愈发严格，目前已有的研究多为数值模拟研究，对装药方式的改变所带来的影响研究较少，浅埋暗挖隧道爆破施工时对敏感建筑物的影响及优化控制问题呕待解决。本文以重庆地铁项目隧道工程为背景，针对施工过程存在需频繁下穿对环境影响极其敏感的重要建（构）筑物进行优化控制研究。利用理论推导计算不同爆破介质的对比分析并经过数值模拟现场实施验证，优化周边眼的单孔装药量，增加半孔的保留率，控制爆破振动速度。研究结论：（1）相比于空气介质，采用水介的偏心不耦合装药对周边眼的超欠挖控制效果更明显；（2）在现场施工时周边眼装药结构应尽可能选择径向不耦合系数2 的装药结构；（3）在其他装药参数相同情况下，围岩外侧（装药背离侧）爆破区半径随围岩级别减小总体上呈现持续下降或平稳变动的态势，但随围岩内RQD数值的增加则总体趋势不变；（4）数值模拟最大值结果比实际监测最大值高，这是因为模型对地质条件进行了简化，忽略了地震波在岩层节理及裂隙中传播时的能量损耗；（5）经现场实施验证，经优化后的爆破方案可应用于控制浅埋暗挖隧道爆破施工对敏感建筑物的影响领域。关键词：浅埋暗挖隧道；敏感建筑物；数值模拟；爆破施工；监控量测；施工控制中图分类号：U455.6文献标识码：AInfluence and（Optimization of Blasting of Shallow-buriedTunnelonSensitive BuildingsFU Helin,JIANG Zhibo,QIU Qiong(Central South University,Changsha,Hunan 410083,China)Abstract:Research purposes:With the rapid development of urban subway construction,the construction requirementsbecome more and more strict.At present,the existing research is mostly numerical simulation research,and the impactof the change of charging mode is less.The impact of the blasting construction of shallow-buried tunnels on sensitivebuildings and the optimization control problem need to be solved.This paper takes the tunnel engineering of ChongqingMetro project as the background,and studies the optimal control of important buildings that need to be frequently crossedduring the construction process and are extremely sensitive to the environmental impact.The comparison and analysis ofdifferent blasting media are calculated by theoretical derivation and verified by numerical simulation on site.The singlehole charge of peripheral holes is optimized,the half hole retention rate is increased,and the blasting vibration speed iscontrolled.Research conclusions:(1)Compared with air medium,the eccentric uncoupled charge of water medium has moreobvious control effect on the overbreak and under-excavation of surrounding holes.(2)The charge structure with radialdecoupling coefficient 2 shall be used as much as possible for the peripheral hole charge of on-site construction.米收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 1基金项目：国家自然科学基金（519 7 8 6 6 8）*作者简介：傅鹤林，19 6 5年出生，教授，博士生导师。2023年3 月报程学道铁72(3)Under the same conditions of other charging parameters,the radius diameter of the blasting area outside thesurrounding rock(the charging deviation side)generally presents a continuous decline or stable change with thereduction of the surrounding rock grade,but the overall trend remains unchanged with the increase of the RQD value inthe surrounding rock.(4)The maximum value of numerical simulation is higher than the maximum value of actualmonitoring,because the model simplifies the geological conditions and ignores the energy loss of seismic wavepropagation in rock joints and fractures.(5)After on-site implementation verification,the optimized blasting schemecan be used to control the impact of blasting construction of shallow-buried and underground excavation tunnels onsensitive buildings.Key words:shallow-buried tunnel;sensitive buildings;numerical simulation;blasting construction;monitoring andmeasurement;construction control目前各大城市地铁工程规划及修建越来越多，城市地铁工程面临环境越来越复杂，对爆破施工引起的振动控制要求也越来越高。宗琦等 根据水中爆炸理论和爆炸应力波理论，探讨了水介质不耦合装药爆破孔壁初始冲击压力和岩石内的动态应力分布。米中阳2 根据水中爆炸理论和爆炸应力波理论，探讨了水介质不耦合装药爆破孔壁初始冲击压力和岩石内的动态应力分布，并以强度理论求算出了炮孔周围岩石中粉碎圈和裂隙圈的范围。钟明寿等3 通过MATLAB编程计算得到岩石介质中炮孔孔壁爆炸载荷和透射比能的时间函数。程俊飞4 依托广东省江罗高速三岔顶隧道和尖峰顶隧道，阐述了公路隧道掏槽眼固水气三相轴向不耦合装药的爆破增效作用、周边眼偏心不耦合装药的控制隧道超欠挖的作用，并对含软弱夹层围岩周边眼采用空气偏心不耦合装药进行了分析。张迅5 针对超、欠挖问题进行了一系列的爆破参数优化试验，采用固、水、气三相不耦合装药结构，将隧道半孔残留率从优化前的50%6 0%提高到优化后的9 0%以上。陈俊桦等6 基于岩石爆破损伤、应力波和爆生气体共同作用等理论，在考虑岩石初始损伤等影响因素的基础上，提出预裂爆破参数计算式。虽然有众多相关学者对隧道爆破施工进行了大量研究，但多为数值模拟研究，且装药方式的改变也会对结果产生较大影响。基于此，本文在前人研究的基础上，通过理论公式推导与数值模拟分析计算炮孔的堵眼长度并经过现场测试验证，优化周边眼的单孔装药量，增加半孔的保留率；通过对比不同介质不同的三种装药方式的爆破效果，得到最优装药方法，优化控制施工过程中爆破振动的影响。1工程概况新一高区间位于重庆市沙坪坝区。起里程YDK0+233.22YDK1+910.01,区间全长约1.6 km。区间隧道均设计为复合式隧道衬砌结构，原设计采用钻爆法暗挖施工。区间范围内为构造剥蚀丘陵地貌，地形较为平缓，海拔相对高约2 0 m。沿线地质主要为填土及砂岩。人工填土厚约3 m。砂岩围岩级别为IV级；砂质泥岩存在部分中风化岩体，围岩级别为IVV级。基岩强风化带厚度约0.5 1.2 m，局部达1.6 m以上,基本为强风化,围岩较破碎，裂隙发育，围岩等级为V级。工程特点为：工程下穿老旧建筑密集区、军队设施区、河沟、高架路、铁路、居民生活区，隧道结构埋深最浅仅约2 7 m。原施工爆破方案周边孔采用空气介质、不耦合系数0。2.4.1里程1处里程1振速与爆心距的拟合曲线如图9 所示注：垂向速度；0.8ExpDecay2Fitof SheetlB垂向速度ModelExpDecay2Equationy=yo+A1exp(-x-x0y11)+A2exp(-(x-x0y/2)Plot重尚速度(r-s.w)/率回垂0.6yo6.46194E-4.70 xO26.6370A10.41532701144.2832170A20.415327020.454.12392.70Reduced Chi-SqrR-Square(COD)0.9651Adj.R-Square00.20050100150200250爆心距/m（a）沿掘进方向垂向速度与爆心距的关系注：垂向速度；0.6ExpDecay2Fit of Sheet1B垂向速度ModelExpDecay20.5Equationy=y0+A1/0 xP(-(x-x0)1)+A2*0 xP(-(0)2)Plot重尚速度(r-s.0)/率回垂0.037927037270A10.40.2660470132.1076770A20.2660470239.2427170Reduced Chi-Sqr00.3R-Square(CoD)0.93243Ad.R-Square00.20.10050100150200250爆心距/m（b）垂直掘进方向垂向速度与爆心距的关系图9里程1振速与爆心距的拟合曲线在此里程处，沿隧道掘进方向、垂直于隧道掘进方向的垂向速度V与爆心距R的关系式为-(R1 26.63)(R1 26.63)Vi=0.415e44.283+0.415e54.124(14)-(R2-37.2)-(R2-37.2)Vz=0.266e32.108+0.266e39.243(15)式中Vi,V-垂向速度(cm/s);Ri,R2爆心距(m）。一2.4.2里程2 处里程2 振速与爆心距的拟合曲线如图10 所示。1.0注：垂向速度；ExpDecay2Fit of Sheet1 B垂向速度ModelExpDecay20.8Equatony-yo+A1*0p(xx01)+A20 xp(-(8-x0y2)(r-s.w0)/率回垂Plot0.009277025.0670A10.4503670121.25484700.6A20.4503620225.9781470ReducedChi-SqrR-Square(COD)0.91658Adj.R-Square00.40.2020406080100 120 140 160 180 200爆心距/m（a）沿掘进方向垂向速度与爆心距的关系注：垂向速度；0.5ExpDecay2拟合ofB垂向速度模型ExpDecay2方程y=yo+A1expl(x-xoyt1)+A2exp(-x-xoyt2)绘图0.4重向速度(-s.wo)/率回垂yo0.0217870 x032.5670A10.219117024.3247570A20.21911200.3229.7302570Reduced Chi-Sqr。R平方（(COD)0.9992调整后R平方0.20.1030405060708090100爆心距/m（b）垂直掘进方向垂向速度与爆心距的关系图10里程2 振速与爆心距的拟合曲线在此里程处,沿隧道掘进方向的垂向速度V,与爆心距R，的关系式为-(R3-25.06)-(R3-25.06)V;=0.450e21.255+0.450e25.978(16)式中V3-垂向速度(cm/s);R3爆心距(m）。垂直于隧道掘进方向的垂向速度V4与爆心距R4的关系式为(R4-32.56)-(R4 32.56)V4=0.219e24.324+0.219e66.419(17)式中V4一垂向速度(cm/s）;R.一爆心距(m)。由式（13）式（17）可以看出，在爆破方式、装药量相同的情况下，当爆心距R足够大时，垂向速度V无限接近于0，这与振动波的传播规律、现场监测数据邱琼：浅埋暗挖隧道爆破对敏感建筑物的影响及优化姜智博傅鹤林第3 期77的变化规律相一致，说明运用指数函数得出的垂向速度与爆心距两者间的关系式是可行的。3隧道爆破对既有敏感建筑的动力响应分析隧道离三军医大安居工程7 0 栋最近（3 0 m），本节采用理论计算、数值模拟分析验证结合现场实施研究隧道爆破对三军医大安居工程7 0 栋的影响。3.1理论计算验证使用萨道夫斯基公式进行爆破方案优化设计验算。萨道夫斯基计算公式及取值如下：Q3V=K(18)R式中V一一质点峰值振动速度（cm/s）；K一-计算系数，其大小与岩石岩性相关；Q单响装药量（kg）；R-一爆源距测点距离（m）；一K,计算系数,其大小与岩石岩性相关。根据实际工况，取K=200，=1.6 5；爆破振动控制速度1cm/s。根据实际工况，计算得出距离隧道爆破位置3 0 m，V级围岩条件下，一次起爆规模15.6 kg，最大单响药量6.0 6 kg，爆破振动速度为0.8 0 cm/s，在爆破振动控制范围内。3.2爆破荷载数值模拟验证将爆破地震波等效为三角形荷载模式8 ，利用经验公式计算得到爆破荷载应力峰值，并根据荷载的升压及卸载时间按照脉冲形式作用于开挖边界上。对爆破开挖方案采用MIDASGTS/NX对草籽岗隧道爆破进行数值模拟，考虑实际工程隧道离三军医大安居工程7 0 栋最近（3 0 m），重点研究隧道爆破对三军医大安居工程7 0 栋的影响。同时结合萨道夫斯基质点峰值振动速度衰减公式计算得到的结果对V级围岩段距爆破区域最近距离为3 0 m的工况，建立数值模型进行分析。爆破荷载应力峰值P可以采用式(19）计算：18X2p.C.Pp.C,+Vpo(19)max式中P单孔爆破条件下岩石表面所产生的峰max值荷载；V一炸药的爆速；Po炸药的密度；P。最大爆炸荷载；Pr岩石的密度；E岩石弹性模量；C。纵波波速。耦合情况下：P。PoV(20)4单孔不耦合间隔装药条件下的孔壁压力最大值计算公式为NAolPmP(21)A,LmaxDmax式中d所用炸药的药卷直径,此处取值为2 0 mm;D-所设炮孔的直径，此处取值为4cm；n柱状装药系数,取2；V气体多方指数，取3；N-1个炮孔所用的药卷数量，需根据实际装药数量进行取值，此处取1；A药卷横截面积；A,炮孔横截面积；药卷长度，此处取值为0.2 m；L炮孔深度，此处取值为2 m。实际施工过程中，不能直接对爆破荷载大小进行控制，但可对装药密度进行直接控制以达到控制爆破荷载的作用。将距离为3 0 m定义为工况1,以工况1为依托，根据式（19）式（2 1)研究爆破荷载大小与装药密度之间的关系,除装药密度外，其他参数保持与本工程一致，得到爆破荷载与装药密度为正相关关系。故在实际操作过程中，可以近似将爆破荷载增加的倍数与装药密度增加的倍数看作相等。3.3现场实施施工过程中由本文计算优化方案现场实践确定：V级围岩周边眼的单孔装药量在0.6 7 5kg时，半孔残留率达到9 5%左右。当水袋单孔长度在0.6 m时，通风时间30min左右，为最优的方案现场开挖前实施超前钻孔，并采用开挖台架辅助上下台阶爆破钻孔，爆破过程按上文优化设计结果进行计算设置。周边孔采用水介质偏心不耦合式装药结构，孔间距45cm。根据现场爆破振动监测反馈信息，优化后的施工方案爆破施工段落爆源正上方处，根据实际现场地表监测点爆破振动最大0.8 3 cm/s，控制在爆破规范要求的1.0 cm/s以下，较好地保护了周边建（构）筑物。爆破装药结构示意如图11所示。4结论以重庆轨道某线路区间隧道为依托工程背景，建立周边眼偏心不耦合装药计算模型，进行了不同爆破介质计算和现场试验验证，建立数值分析模型对爆破振动进行预测与实际监测情况对比，以及现场实施的光爆效果2023年3 月程报学道铁78炸药水袋炸药水袋炸药炮泥(0.6 m)(0.6 m)间隔45cmE图11现场爆破装药结构示意图试验方案，得到的主要结论有：（1）对比分析采用水介质及空气介质进行偏心不耦合装药时的爆破效果，采用水介的偏心不耦合装药对周边眼的超欠挖控制效果更明显(2)在确保控制爆破超欠挖的状况下，在现场施工时周边眼装药结构应尽可能选择径向不耦合系数2的装药结构。(3)在其他装药参数相同情况下，围岩外侧（装药背离侧）爆破区半径随围岩级别减小总体上呈现持续下降或平稳变动的态势，但随围岩内RQD数值的增加则总体趋势不变。（4)新建隧道爆破施工会对既有建筑产生影响，建议在实际监测过程中要在相应位置设置监测点；数值模拟最大值结果比实际监测最大值高，这是因为模型对地质条件进行了简化，忽略了地震波在岩层节理及裂隙中传播时的能量损耗。（5）经现场实施验证，经优化后的爆破方案施工段落实际现场爆破振动控制在0.8 3 cm/s，小于规范要求的1.0 cm/s以下，较好地保护了周边建（构）筑物。参考文献：1宗琦，田立，汪海波，水介质不耦合装药爆破岩石破坏范围的研究和应用J爆破,2 0 12（2）：42-46.Zong Qi,Tian Li,Wang Haibo.Study and Application onRock Damage Range by Blasting with Water-decoupledCharge J.Blasting,2012(2):42-46.2米中阳.不耦合系数对水孔爆破效果影响的模型试验研究D昆明：昆明理工大学，2 0 19.Mi Zhongyang.Model Test Study on the Influence ofDecoupling Coefficient on Water Hole Blasting EffectD.Kunming:Kunming University of Science andTechnology,2019.3钟明寿，龙源，李兴华，等。基于炮孔不同耦合介质的孔壁爆炸载荷及比能时间函数分析J振动与冲击，2 0 11(7):116-119.Zhong Mingshou,Long Yuan,Li Xinghua,etc.TimeFunction for Borehole Explosive Loading and SpecificEnergy Based on Different Coupling Mediums J.Journal of Vibration and Shock,2011(7):116-119.4程俊飞.公路隧道裂隙围岩固水气三相不耦合爆破参数优化及应用D.重庆：重庆大学，2 0 17.Cheng Junfei.Parameter Optimization and Applicationof Solid Water Gas Three Phase Decoupling Charge inFractured Surrounding Rock of Highway Tunnel D.Chongqing:Chongqing University,2017.5张迅光面爆破不耦合装药参数优化的试验研究J工程爆破,2 0 19(6):2 7-3 1.ZhangXun.ExperimentalIStudyyonParameterOptimization of Decoupled Charge in Smooth BlastingJ.Engineering 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