隧道下穿建筑物爆破振動監(jiān)測技術(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。隧道施工是一個非常復(fù)雜的工程，尤其在下穿重要建筑物時，隧道施工將會對地表建筑物的安全性構(gòu)成極大的危害。因此需要對隧道施工中的爆破振動進行分析研究，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)爆破振動監(jiān)測，介紹了爆破振動監(jiān)測的一系列內(nèi)容。
2 工程概況
巴準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，弱風化，V級圍巖。隧道上部從拱頂至地面分布巖（土）層依次為：6.5m厚強風化砂巖夾泥巖，粉砂含量高，呈土狀；1.0m全風化砂巖夾泥巖，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，強度降低。同時，層狀巖層開挖后容易造成層間黏結(jié)強度下降，支護不及時，易掉塊，局部塌方。
隧道下穿區(qū)段采用臺階法施工，上臺階高約5.7m，下臺階高約4.4m，分段裝藥光面爆破，初期支護采用型鋼鋼架及錨噴混凝土。
3 爆破振動監(jiān)測方法
3.1 儀器設(shè)備
?。?）監(jiān)測采用四川瞭望工業(yè)自動化控制技術(shù)有限公司最新研制的BR-6722（爆破）振動記錄儀。
?。?）傳感器采用四川瞭望工業(yè)自動化控制技術(shù)有限公司研制的BR-TT-1A型振動速度傳感器。
3.2 監(jiān)測方法
爆破振動監(jiān)測是實時監(jiān)測，所以在爆破前根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果進行細致的準備工作，并嚴格按照工作流程進行工作。
為確保監(jiān)測的準確可靠，首先對爆破點附近的監(jiān)測對象進行詳細準確的調(diào)查后，確定監(jiān)測對象，然后在爆破前對監(jiān)測系統(tǒng)進行檢查、檢測和標定，同時根據(jù)監(jiān)測對象與爆破點相對位置關(guān)系，確定測點位置及布置方法，提前進入現(xiàn)場進行安置，根據(jù)爆破時間進行監(jiān)測。
3.2.1 測點布置
爆破振動監(jiān)測點的布置應(yīng)注意下列幾點：
?。?）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當前爆破設(shè)計下的振動影響進行試驗檢測，總結(jié)爆破振動傳遞規(guī)律。
?。?）下穿建筑物區(qū)段隧道施工時，應(yīng)在上臺階開挖時選取離爆心最近的點，測試爆破振動引起地表的速度。
?。?）隧道在建筑物正下方爆破施工時，在隧道中線處地表，建筑物地基上分別布設(shè)測點，如果有必要還應(yīng)在建筑物樓層地面布設(shè)測點，實時監(jiān)控爆破振動速度的影響。對于建構(gòu)筑物測點選取基礎(chǔ)上表面，若基礎(chǔ)埋于土層下，則選擇最近基礎(chǔ)且堅實的散水作為測點。
（4） 測點數(shù)目要足夠多，以便有足夠的數(shù)據(jù)分析地面振動傳播的衰減規(guī)律以及和爆心距等參數(shù)的關(guān)系。
?。?） 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爆破振動效應(yīng)的影響規(guī)律。
根據(jù)以上要求及隧道施工現(xiàn)場情況，爆破振動監(jiān)測測點可按每五米一個斷面布設(shè)，在測試過程中可按實際情況調(diào)整。
3.2.2 傳感器的安裝
若測點表面為堅硬巖石，可直接在巖石表面修整一平臺。若巖石風化，則可將風化層清除，再澆筑一混凝土墩。測點表面為土質(zhì)時，一般將表面松土夯實，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或混凝土墩子上。傳感器安裝時，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)在測點上，約10min后石膏凝固后即可進行測試。
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。三個傳感器應(yīng)安裝在一起，構(gòu)成一個關(guān)于爆心的三維直角坐標系。
4 監(jiān)測原理及監(jiān)測內(nèi)容
?。?）監(jiān)測原理
爆破振動監(jiān)測原理及過程如流程圖
圖7 爆破振動監(jiān)測原理圖
由于炸藥在巖（土）中的爆炸作用，使安裝布置在監(jiān)測質(zhì)點上的傳感器隨質(zhì)點振動而振動，使傳感器內(nèi)部的磁系統(tǒng)、空氣隙、線圈之間作相對的運動，變成電動勢信號，電動勢信號通過導(dǎo)線輸入可變增益放大器將信號放大，進入AD轉(zhuǎn)換，再通過時鐘、觸發(fā)電路，同時也通過存儲器信號保護，再通過CPU系統(tǒng)輸入計算機，采用波形顯示和數(shù)據(jù)處理軟件進行波形分析和數(shù)據(jù)處理。
（2）監(jiān)測內(nèi)容
出口段從上臺階D1K34+665起開始施工時，首先在隧道中線處地表進行垂向、徑向、切向爆破振動監(jiān)測，以確定最大爆破振動速度。同時在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)測不同距離下的爆破振動特征。出口段下臺階D1K34+704下臺階爆破施工時，在隧道中線處地表進行垂向、徑向、切向爆破振動監(jiān)測，以確定最大爆破振動速度。同時在D1K34+665中線處地表布設(shè)垂向速度傳感器，測試不同距離的地表質(zhì)點振動速度。
5 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析
采用自動記錄儀將速度傳感器測得的測點水平徑向、水平切向和垂直方向上的振動速度進行記錄。然后需對爆破振動質(zhì)點速度進行回歸分析，模擬出其傳播規(guī)律?；貧w分析可根據(jù)測點高程不同采用分組進行，選擇相互之間高差較小的測點作為一組采用薩道夫斯基公式進行回歸分析：
式中，Vmax為測點最大振動速度，應(yīng)分三個方向統(tǒng)計分析；
K、α為衰減系數(shù)；
Q為爆破裝藥量，齊發(fā)爆破時為總裝藥量，延時爆破時為最大一段藥量；
R為測點至爆源的距離。
按照最小二乘法原理，根據(jù)爆破振動監(jiān)測數(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，K取值范圍大部分在50～1000之內(nèi)，a取值在1.3～3.0之間。而近距離振動衰減規(guī)律和遠距離衰減規(guī)律可分開考慮，當比例距離R1=R/Q≤10為近距離，R1=R/Q≤10時為遠距離。近距離振動K值較大，可達500以上，a值較大，可達2.0～3.0；遠距離爆破振動，K達130～500，a為1.3～2.0。
監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)垂直振動速度值最大，是對房屋結(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，故施工時只對垂直振動速度進行控制即可。在施工過程中，出現(xiàn)過1次垂向爆破振動速度超標現(xiàn)象，垂直振動速度達到34.839mm/s，如圖 8所示。
經(jīng)過對超標原因的分析，發(fā)現(xiàn)最大峰值速度出現(xiàn)在1段掏槽爆破時，為此，及時調(diào)整了爆破方案，對1段藥量進行了控制，采用了掏槽藥量分為1、3兩段實行分段爆破的方法。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，振動效應(yīng)得到有效控制，最大垂向振動速度為23.616mm/s，最終順利穿過食堂，沒有對其結(jié)構(gòu)造成損害。
6地表建筑物的安全性評估
施工中根據(jù)不同的地質(zhì)條件，依據(jù)設(shè)計采用的爆破方法進行施工，爆破引發(fā)的地表振動，可通過對地基土振動的特性參數(shù)如振幅、頻率、速度和地面質(zhì)點的振動加速度來確定等級、影響范圍及施工安全距離。目前國內(nèi)常用的爆破安全標準有《爆破安全規(guī)程》，該標準規(guī)定的爆破振動安全判定依據(jù)以振動速度為依據(jù)，規(guī)定了一般建筑物和構(gòu)筑物的爆破振動安全性滿足的要求。
注1:表中質(zhì)點振動速度為三分量中的最大值；振動頻率為主振頻率。
注2：頻率范圍根據(jù)現(xiàn)場實測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：爆破振動監(jiān)測應(yīng)同時測定質(zhì)點振動相互垂直的三個分量。
a選取建筑物安全允許振速時，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省級以上（含省級）重點保護古建筑與古跡的安全允許振速，應(yīng)經(jīng)專家論證選取，并報相應(yīng)文物管理部門批準。
c選取隧道、巷道安全允許振速時，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，測試采用《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的一般民用建筑物安全標準進行爆破振動影響判別。若被監(jiān)測對象的質(zhì)點振動速度超過上表所規(guī)定的范圍，應(yīng)采取相應(yīng)措施修正爆破方案，并加強被監(jiān)測對象的其它監(jiān)測手段（如安全巡視、沉降及位移監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測等），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監(jiān)測技術(shù)，分析爆破振動對地表建筑物的影響，確定合理的爆破振動參數(shù)，確保了地表建筑物的安全性，也加快了隧道施工進度。
