青衣江隧道爆破对地表铁塔振动影响研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业A 收稿日期：2024 年 01 月 02 日 作者简介：王成龙（1988），男，山东临沂人，工程师，主要从事土木工程工作。-158-青衣江隧道爆破对地表铁塔振动影响研究 王成龙 中铁二十三局集团第四工程有限公司，四川 成都 610091 摘要：摘要：为了分析隧道爆破施工对地表建筑的振动影响，依托大跨浅埋青衣江隧道工程，对超大断面隧道三台阶环形预留核心土法施工隧道爆破进行专项优化设计，其次通过对实际工程的爆破参数进行计算提出爆破减振方案并通过建立数值计算分析模型，描绘了地表铁塔的振速时程图，得到了模拟最大振速，并与现场实测振速进行对比分析。对比结果表明，实际施工中采用优化爆破设计最大综合振速从 8.36cm/s 减小为 7.14cm/s，说明了施工过程中优化爆破设计有较为明显的作用。可以为同类三台阶环形预留核心土法施工工程提供相应的理论依据以及有一定的参考价值。关键词：关键词：下穿隧道；数值模型；爆破振动；实测对比 中图分类号：中图分类号：U45 0 引言 近年来，随着城市化进程不断推进，复杂城市环境中的隧道工程逐渐增多。由于隧道工程往往需要在城市核心区域或者周边建筑密集区域进行施工，隧道爆破作为一种常见的施工方法无疑会对周边建筑产生一定程度影响。隧道爆破作业的冲击波、振动等因素，可能引起周边建筑物的结构损伤、地基沉降、裂缝产生以及环境污染等问题。因此如何在修建下穿隧道时有效减小地表建筑沉降，是当下亟需解决的工程问题。针对这一问题，国内众多专家学者开展了相关研究工作。王海龙1等建立了振速预测模型并通过小波包分析对下穿隧道的爆破振动效应进行了研究；侯献云2等提出了隧道监控量测方法同时分析了围岩的稳定性；崔文镇3提出了爆破过程中产生的振动影响分析方法并得出了影响可控净距；吴波4等通过建立数值模型以及结合现场实测、理论分析对不同工况下爆破对地标建筑群振动影响进行研究；曹孝君5等通过建立数值模型与现场实测结果进行对比表明二者地表震动速度峰值以及变化规律较为吻合；刘伟6提出适宜的爆破方式以及适宜的药量综合减振有效控制爆破振速保证地表建筑群安全性；刘赶平7通过对大断面隧道爆破产生最大单向振速进行研究得出最大振速位置；潘强8等基于损伤因子以及损伤分区提出了准静态气体与爆炸应力波下的损伤分布特征公式并描述了岩体损伤分布规律；谢全民、朱永全9-10等提出了对爆破振动信号以及响应信号混沌特征的分析方法。付迎春、蓝凯鑫等11-12通过动力有限元软件对爆破震动进行数值模拟，采用分段模拟的方法对隧道爆破效果进行了分析。目前大多数隧道控制爆破对周围已有建筑研究都是基于全断面开挖的方式，对于其他工法下对周围已有建筑影响研究较少。本文通过建立大跨浅埋暗挖隧道爆破模型，分析隧道爆破对地表高压铁塔振动规律，描绘振动过程中地表爆破振速时程图以及最大单向振速。结合数值分析结果，优化现场爆破方案，并与现场实测振速进行了对比分析，有效指导现场施工。1 工程概况 1.1 工程背景 青衣江隧道为双洞布置的小净距特大断面隧道，开挖断面达 207.7m2，隧道埋深 40m。青衣江隧道进洞口左右洞限界间距 22.21m，中间标准段左右洞限界间距 25m，出洞口左右洞限界间距 17.16m。谭寿一、二线 040 号高压铁塔高 60m，为混凝土基础，位于青衣江隧道右线拱顶正上方，与隧道拱顶竖向距离 41.57m，位置关系如图 1 所示。青衣江隧道爆破开挖时，可能会对谭寿一、二线 040 号高压铁塔有一定影响。因此，需要模拟分析不同开挖工法和爆破参数对地表高压铁塔的振动影响，以进一步优化现场爆破参数。中国科技期刊数据库 工业A-159-图 1 隧道进口与铁塔关系图 1.2 开挖工法 青衣江隧道主洞内轮廓为五心圆形式，采用光面控制爆破。洞口段采用双侧壁导坑法施工，洞身段采用三台阶环形预留核心土法施工。隧道三台阶开挖工序如图 2（a）所示，台阶长度如图 2（b）所示，二次衬砌距掌子面控制在 65 米以内。（a）横断面图 （b）纵断面图 图 2 三台阶环形预留核心土分部开挖示意图 2 爆破方案设计 由于三台阶环形预留核心土法施工过程中爆破次数多，高压铁塔处于拱顶较近位置，所以爆破设计显得尤其重要。同时合理的爆破设计不仅可以提高爆破开挖质量和开挖效率，降低开挖成本，同时也可以减少对周边环境的影响。2.1 爆破参数 由于高压铁塔的安全允许质点振动速度未明确，参考同类工程爆破对高压铁塔的影响，根据爆破安全规程GB6722-2014 相关规定，按最大允许安全质点振动速度不大于 15cm/s。为降低施工爆破过程中冲击所产生的高压铁塔的振速，从而达到保证高压电塔安全的目的，设计文件要求高压铁塔基础处爆破单向振动速度不大于 5cm/s。炮孔直径为 50mm，炸药选用 2#岩石乳化炸药，药卷直径 32mm。装药完成后用炮泥将炮眼口堵塞密实。在爆破过程中，爆破振速的大小主要与一次性起爆的药量息息相关，单次最大装药量采用萨道夫斯基经验衰减公式：其中：保护对象所在的质点振动安全允许速度（取 5cm/s）；：震源至质点振速的距离（41m）；：单次最大装药量（kg）；：地形、地质条件有关的系数和衰减指数，值和值与岩性的关系见表 1。表1 值和值与岩性的关系 岩 性 坚硬岩石 50150 1.31.5 中硬岩石 150250 1.51.8 软 岩 石 250350 1.82.0 隧道进洞后，现场多次对掌子面岩石进行取样，进行天然强度试验，取样强度在 12-18MPa 之间，取 250，取 1.8。根据萨道夫斯基经验衰减公式计算出单次最大装药量为 94kg，计算情况见表 2，为了确保高压电塔安全，在隧道爆破开挖中，单段装药量不超过 94kg。表 2 爆破距离、齐爆药量、振动速度计算表 离爆点距离 R(m)地质条件系数 地形条件系数 k 振动速度v(cm/s)起爆药量Q(kg)40 1.8 250 5 94 由于青衣江隧道对高压铁塔爆破振动要求极高，因此需严格控制单孔装药量，每循环进尺不超过 2 榀13(/)vK QRvRQK、KKK中国科技期刊数据库 工业A-160-钢架间距（1.2m），通过减少每循环进尺来降低质点振动速度。2.2 数值计算模型 青衣江隧道为浅埋大跨小净距隧道，左右洞限界间距 2225m，开挖宽度 19.25m，开挖高度 13.35m，最大埋深为 41.25m。以隧道洞身段为例，建立三台阶环形预留核心土施工工法不同开挖工序下数值分析模型，分析隧道爆破对地表处铁塔结构的振动影响。建立如图 3 所示模型，模型尺寸长宽高为120m100m93m，模型的左右洞距离左右边距为 30m，上下边距为 40m。隧道左右洞之间间距为 22m，模型中模拟开挖宽度选取 19m，开挖高度选取 13m。预留核心土距拱顶开挖高度取值为 2m，中台阶预留核心土左右侧交错开挖距离差 4m，开挖高度 4m；下台阶核心土左右侧随中台阶支护完成后延后 4m 开挖；仰拱开挖在下台阶核心土开挖后延后 4m 开挖。图 3 三维模型图 模拟高压铁塔位于右洞中部上方，对模型施加爆破模拟荷载，同时对观测点时程内的振速进行统计，通 过 采 用 内 置 的International society of explosive Engineers,2000 爆破类型对开挖面的上中下台阶施加爆破动力荷载。2.3 计算结果分析 综合振速能够较好地反映地表铁塔的整体振动情况，有助于对地表建筑物的振动传播状况进行研究。提取数值模型中部对应单元（节点号：126544）计算结果时程中铁塔处横断面的最大综合振速数据，在时程统计过程中最大综合振速为 17.46cm/s，大于综合振动安全设计值 15cm/s；同时对该结构单元的单向振速进行统计，最大单向振速出现在 Y(切向)方向为7.86cm/s，大于单向振动安全设计值 5cm/s；均不符合安全设计的要求，故需要提出减振措施来减小地表高压铁塔处振动速度。2.4 减振措施 2.4.1 选用数码电子雷管 上台阶开挖时，选用数码电子雷管，由于数码电子雷管不受段位的限制，可根据现场实际情况随意调整雷管段位，延长掏槽眼、辅助眼及周边眼爆破时间，实现错峰降振，从而控制爆破振动的影响。2.4.2 选择合理的掏槽形式 青衣江隧道在爆破作业中选用两级复式楔形掏槽形式，楔形掏槽孔与掌子面成一定角度，角度越小爆破效果越好。每循环进尺不超过 2 榀钢架间距（1.2m），采用24 个掏槽眼，掏槽眼与掌子面的夹角为 62、69，掏槽眼横向间距 50cm，竖向间距 55cm，掏槽眼布置见图 4。图 4 掏槽眼布置图 2.4.3 加设减振孔 在开挖过程中，周边眼区域及掏槽眼区域均加设减振孔，形成减振隔离带。利用减震隔离带在爆破时对爆破能量进行消耗、吸收，使其隔离带外的爆破振速降低，且同时也可以减少总装药量，降低高压铁塔基础处的振动速度。减振孔孔径为42mm，沿周边眼区域布设，减振孔环向间距 60cm，孔深为 1.5m。掏槽区域增设 14 个减振孔，减振孔间距 5050cm，梅花型布置，孔深为2m，在钻孔过程中保证减振孔的位置及精度，防止与炮孔相连通。减振孔布置见图 5。图 5 减振孔布置图 中国科技期刊数据库 工业A-161-2.4.4 不耦合装药 不耦合装药爆炸时，爆炸波通过空气或粉尘介质传播到炮孔壁岩石中，将爆轰初始阶段的部分能量储存起来，削弱了作用于炮孔的初始压力，而又将大量储存的能量释放出，延长了爆轰作用的时间。2.4.5 优化设计模型 根据设计方案所提出的减振措施，对模型进行优化计算。增加爆破时间步骤，对模型的各台阶进行分步爆破，实现错峰降振来模拟数码电子雷管；通过按照图4设计方案来改变施加爆破振动的方向模拟新的掏槽方式；通过在模型中增加如图 5 所示相同的减振孔布置方式，得到了如图 6 所示的新计算模型。图 6 精细化三维模型图 2.4.6 爆破振动速度监测 提取新建立的优化模型中部铁塔处对应单元（节点号：126566），计算结果时程铁塔处横断面的最大综合振速数据，结果如图 7 所示。图 7 铁塔监测点处横断面综合振速图 由计算的综合振速云图可以清楚地看到铁塔处综合振速在上台阶开挖过程中达到最大值 8.36cm/s，中台阶、下台阶开挖过程中综合振速分别达到最大值7.41cm/s、6.51cm/s，可以清楚看出中台阶以及下台阶在开挖过程中综合振速均小于上台阶的开挖振速，故在后续的设计中减振孔主要布置在上台阶的部分。单向振速随时间变化能够较好地反映地表铁塔的单向振动变化情况，故以上台阶开挖爆破过程中对地表建筑物的单向振速随时间变化状况进行研究。通过对模型的 X（径向）、Y（切向）、Z（垂向）方向的单向振速随时间变化进行统计，绘制出了铁塔处横断面单向振速时程图，如图 8 所示。图 8 铁塔处横断面单向振速时程图（cm/s）可以明显的观察到在爆破产生的一定时间后单向振速达到最大值，而且 Y 向和 Z 向基本同时达到峰值，X 向的峰值稍微滞后 10ms 左右。分析存在的原因可能是产生的波在左洞产生回弹造成波的叠加增大了爆破波产生的峰值。3 监测结果分析 3.1 现场监测 按确定的爆破设计方案进行施工，在爆破过程中对谭寿一、二线 040 号高压线铁塔基础进行监测。振速监测采用 M20 型智能爆破测振仪，确保在复杂的爆破环境下能准确的监测到爆破振动数据。将爆破振动测点布置在谭寿一、二线 040 号高压线铁塔基础处的地表上，安装传感器时安装稳固，将传感器的方向与隧道方向相对应。现场测试的爆破振动数据一共进行 18 次爆破振动速度记录，获得实测振动爆破数据，具体见表 3。整体实测振速是从入洞到出洞过程的最大各向振速进行统计，从表中可以得出现场爆破单向振动速度在 0.894.87cm/s 之间变化，小于单向安全振速5cm/s；取各向振速的最大值做矢量求和得到7.14cm/s，故现场实测综合振速小于 7.14cm/s，小于 中国科技期刊数据库 工业A-162-表 3 振速监测统计表 序号 实测振速（cm/s）监测距离(m)径向(X)切向(Y)垂向(Z)1 2.52 4.18 2.33 65 2 2.36 4.73 2.95 62 3 2.49 2.89 3.78 61 4 1.94 2.13 3.57 55 5 1.84 3.24 3.94 50 6 2.45 2.53 3.98 48 7 1.78 2.23 4.81 44 8 1.52 2.39 4.61 41 9 2.52 4.87 4.04 42 10 1.83 3.08 4.58 45 11 1.59 1.46 2.36 50 12 1.59 2.52 3.94 51 13 1.72 2.34 4.02 56 14 1.98 1.06 3.24 58 15 2.58 2.76 3.78 60 16 1.75 1.76 2.31 64 17 1.03 1.57 1.92 68 18 0.89 1.86 1.69 73 综合安全振速 15cm/s，满足设计的最初要求，同时也较好的拟合了数值模型的计算结果。同时发现 X 方向振速随距离增大基本处于恒定状态，Y 方向振速随距离增大逐渐增大，Z 方向振速随距离增大逐渐减小。3.2 结果分析 数值模拟中计算结果在增加减振孔下最大综合振速处于 6.51cm/s8.36cm/s 之间，而现场实测结果综合振速小于 7.14cm/s，可以看出施工中采用的各种减振方式有较好的效果。同时数值模拟计算结果中单向振速略小于实测结果，分析原因可能存在土层不均和埋深变化不可控因素的影响。同时还发现数值模拟中单向振速和现场实测结果相同，Y 向和 Z 向的单向振速均明显大于 X 向的振速。4 结语 通过对级围岩下的三台阶环形预留核心土法施工爆破产生振动过程的数值模拟以及现场实测对比，得到了以下结论：单向振速峰值在爆破完 20ms 后出现，切向和垂向基本同时达到峰值，径向峰值稍微滞后。现场实测中径向振速随距离增大基本处于恒定状态，切向振速随距离增大逐渐增大，垂向振速随距离增大逐渐减小。根据数值模拟计算结果对比现场施工实测，可以看出施工中采用加强炮眼堵塞、减少装药量、加设减振孔、不耦合装药等优化爆破方案有明显效果。参考文献 1王海龙,柏皓博,王晟华.下穿村庄隧道爆破振动效应研究J.工程爆破,2022,28(06):111-118.2侯献云.黑石岭公路隧道监控量测与稳定性分析研究J.内蒙古公路与运输,2008(03):32-34.3崔文镇.小净距隧道全断面扩挖爆破振动影响分析J.铁道建筑技术,2021,334(02):119-123.4吴波,兰扬斌,吴冬,等.隧道爆破施工对地表建筑群影响的研究J.现代隧道技术,2018,55(S2):687-695.5曹孝君,张继春,吕和林.隧道掘进爆破引起地表震动的数值模拟与现场监测分析J.中国公路学报,2007(02):87-91.6 刘 伟.后 云 台 山 隧 道 下 穿 楼 房 近 接 施 工 控 制 爆 破 技 术 J.石 家 庄 铁 道 大 学 学 报(自 然 科 学中国科技期刊数据库 工业A-163-版),2012,25(01):63-67.7刘赶平.大断面隧道爆破振动速度预测J.爆破,2019,36(3):129-136.8 潘 强,张 继 春,石 洪 超,等.单 孔 不 耦 合 装 药 爆 破 的 岩 体 损 伤 分 布 特 征 研 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