隧道下穿建筑物爆破振动监测技术研究
2015-05-29
1 引言
随着铁路、公路隧道在我国的大规模修建，很多隧道不可避免地要在建筑物下方施工。隧道施工是一个非常复杂的工程，尤其在下穿重要建筑物时，隧道施工将会对地表建筑物的安全性构成极大的危害。因此需要对隧道施工中的爆破振动进行分析研究，确定合理的爆破施工参数，确保建筑物结构安全。
本文结合敖包沟隧道出口段下穿敖家沟西梁煤矿办公区爆破振动监测，介绍了爆破振动监测的一系列内容。
2 工程概况
巴准铁路敖包沟隧道洞身在里程D1K34+592～D1K34+651段连续穿越敖家沟西凉煤矿三层办公楼、职工食堂及变电站。下穿建筑物区段洞顶覆土约20m，个别建筑物因其基础结构的不同，隧道埋深比较浅：穿越职工食堂半侧，约12m，职工食堂设有地下室，高约2m，基础厚约2m，下穿食堂时洞顶覆土厚只有16m左右。隧道穿越办公楼一角约6米宽，从正下方穿越变电站。
下穿区段隧道洞身岩层层理平缓，主要岩层为砂岩夹泥岩，弱风化，V级围岩。隧道上部从拱顶至地面分布岩（土）层依次为：6.5m厚强风化砂岩夹泥岩，粉砂含量高，呈土状；1.0m全风化砂岩夹泥岩，岩芯呈土状；地表以下12m分布砂质黄土。隧道掘进过程显示，洞身岩层含少量基岩裂隙水，地表生活用水也有一定的渗漏，在施工过程中容易造成泥岩软化，强度降低。同时，层状岩层开挖后容易造成层间黏结强度下降，支护不及时，易掉块，局部塌方。
隧道下穿区段采用台阶法施工，上台阶高约5.7m，下台阶高约4.4m，分段装药光面爆破，初期支护采用型钢钢架及锚喷混凝土。
3 爆破振动监测方法
3.1 仪器设备
（1）监测采用四川瞭望工业自动化控制技术有限公司最新研制的BR-6722（爆破）振动记录仪。
（2）传感器采用四川瞭望工业自动化控制技术有限公司研制的BR-TT-1A型振动速度传感器。
3.2 监测方法
爆破振动监测是实时监测，所以在爆破前根据实地调查结果进行细致的准备工作，并严格按照工作流程进行工作。
为确保监测的准确可靠，首先对爆破点附近的监测对象进行详细准确的调查后，确定监测对象，然后在爆破前对监测系统进行检查、检测和标定，同时根据监测对象与爆破点相对位置关系，确定测点位置及布置方法，提前进入现场进行安置，根据爆破时间进行监测。
3.2.1 测点布置
爆破振动监测点的布置应注意下列几点：
（1）为确保地表建筑物结构的安全，需要在隧道其他施工地段对当前爆破设计下的振动影响进行试验检测，总结爆破振动传递规律。
（2）下穿建筑物区段隧道施工时，应在上台阶开挖时选取离爆心最近的点，测试爆破振动引起地表的速度。
（3）隧道在建筑物正下方爆破施工时，在隧道中线处地表，建筑物地基上分别布设测点，如果有必要还应在建筑物楼层地面布设测点，实时监控爆破振动速度的影响。对于建构筑物测点选取基础上表面，若基础埋于土层下，则选择最近基础且坚实的散水作为测点。
（4） 测点数目要足够多，以便有足够的数据分析地面振动传播的衰减规律以及和爆心距等参数的关系。
（5） 考虑不同地貌、地质条件的影响，便于了解分析这些因素条件对爆破振动效应的影响规律。
根据以上要求及隧道施工现场情况，爆破振动监测测点可按每五米一个断面布设，在测试过程中可按实际情况调整。
3.2.2 传感器的安装
若测点表面为坚硬岩石，可直接在岩石表面修整一平台。若岩石风化，则可将风化层清除，再浇筑一混凝土墩。测点表面为土质时，一般将表面松土夯实，铺以砂或碎石，再浇筑混凝土墩，然后再将传感器固定在平台或混凝土墩子上。传感器安装时，常采用生石膏粉粘结，取适量生石膏粉加水调制成浆糊状，将传感器粘结在测点上，约10min后石膏凝固后即可进行测试。
在安装过程中，垂直速度传感器应该尽量保持与水平面垂直；水平速度传感器的安装应该与水平面平行，水平速度传感器的水平方向有一气泡，如安装处于水平状态时气泡应该在刻度的中间位置。安装径向水平传感器应该水平指向爆心，切向水平速度传感器则与径向垂直并且和地面保持水平。三个传感器应安装在一起，构成一个关于爆心的三维直角坐标系。
4 监测原理及监测内容
（1）监测原理
爆破振动监测原理及过程如流程图
图7 爆破振动监测原理图
由于炸药在岩（土）中的爆炸作用，使安装布置在监测质点上的传感器随质点振动而振动，使传感器内部的磁系统、空气隙、线圈之间作相对的运动，变成电动势信号，电动势信号通过导线输入可变增益放大器将信号放大，进入AD转换，再通过时钟、触发电路，同时也通过存储器信号保护，再通过CPU系统输入计算机，采用波形显示和数据处理软件进行波形分析和数据处理。
（2）监测内容
出口段从上台阶D1K34+665起开始施工时，首先在隧道中线处地表进行垂向、径向、切向爆破振动监测，以确定最大爆破振动速度。同时在D1K34+665横断面距离隧道中线10米处地表布设垂直速度传感器，监测不同距离下的爆破振动特征。出口段下台阶D1K34+704下台阶爆破施工时，在隧道中线处地表进行垂向、径向、切向爆破振动监测，以确定最大爆破振动速度。同时在D1K34+665中线处地表布设垂向速度传感器，测试不同距离的地表质点振动速度。
5 监测数据的处理分析
采用自动记录仪将速度传感器测得的测点水平径向、水平切向和垂直方向上的振动速度进行记录。然后需对爆破振动质点速度进行回归分析，模拟出其传播规律。回归分析可根据测点高程不同采用分组进行，选择相互之间高差较小的测点作为一组采用萨道夫斯基公式进行回归分析：
式中，Vmax为测点最大振动速度，应分三个方向统计分析；
K、α为衰减系数；
Q为爆破装药量，齐发爆破时为总装药量，延时爆破时为最大一段药量；
R为测点至爆源的距离。
按照最小二乘法原理，根据爆破振动监测数据，可求出K、α值。K、a值与爆区地形、地质条件和爆破条件都相关，但K值更依赖于爆破条件的变化，a值主要取决于地形、地质条件的变化。爆破临空条件好，夹制作用小，K值就小，反之K值大；地形平坦，岩体完整、坚硬，a值趋小，反之破碎、软弱岩体，地形起伏，a值趋大。根据我公司以前的相似工程经验，K取值范围大部分在50～1000之内，a取值在1.3～3.0之间。而近距离振动衰减规律和远距离衰减规律可分开考虑，当比例距离R1=R/Q≤10为近距离，R1=R/Q≤10时为远距离。近距离振动K值较大，可达500以上，a值较大，可达2.0～3.0；远距离爆破振动，K达130～500，a为1.3～2.0。
监测过程中，发现垂直振动速度值最大，是对房屋结构造成破坏的最主要因素、而水平径向和切向速度相差不大，且数值较小，故施工时只对垂直振动速度进行控制即可。在施工过程中，出现过1次垂向爆破振动速度超标现象，垂直振动速度达到34.839mm/s，如图 8所示。
经过对超标原因的分析，发现最大峰值速度出现在1段掏槽爆破时，为此，及时调整了爆破方案，对1段药量进行了控制，采用了掏槽药量分为1、3两段实行分段爆破的方法。调整后的总药量22.2kg，分6段爆破，最大段药量6.2kg，爆心距19.24m，振动效应得到有效控制，最大垂向振动速度为23.616mm/s，最终顺利穿过食堂，没有对其结构造成损害。
6地表建筑物的安全性评估
施工中根据不同的地质条件，依据设计采用的爆破方法进行施工，爆破引发的地表振动，可通过对地基土振动的特性参数如振幅、频率、速度和地面质点的振动加速度来确定等级、影响范围及施工安全距离。目前国内常用的爆破安全标准有《爆破安全规程》，该标准规定的爆破振动安全判定依据以振动速度为依据，规定了一般建筑物和构筑物的爆破振动安全性满足的要求。
注1:表中质点振动速度为三分量中的最大值；振动频率为主振频率。
注2：频率范围根据现场实测波形确定或按如下数据选取:硐室爆破f<20 Hz；露天深孔爆破f=10～60 Hz；露天浅孔爆破f=40～100 Hz；地下深孔爆破f=30～100 Hz；地下浅孔爆破f=60～300 Hz。
注3：爆破振动监测应同时测定质点振动相互垂直的三个分量。
a选取建筑物安全允许振速时，应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。
b省级以上（含省级）重点保护古建筑与古迹的安全允许振速，应经专家论证选取，并报相应文物管理部门批准。
c选取隧道、巷道安全允许振速时，应综合考虑构筑物的重要性、围岩状况、断面大小、深埋大小、爆源方向、地震振动频率等因素。
d非挡水新浇大体积混凝土的安全允许振速，可按本表给出的上限值选取。
对隧道出口下穿区段建筑物的结构状态分析表明，西梁煤矿办公区职工宿舍、职工食堂、变电站均为一般建筑物，测试采用《爆破安全规程》规定的一般民用建筑物安全标准进行爆破振动影响判别。若被监测对象的质点振动速度超过上表所规定的范围，应采取相应措施修正爆破方案，并加强被监测对象的其它监测手段（如安全巡视、沉降及位移监测、应力应变监测等），确保其安全。爆破方案修正措施包括：控制最大单响药量、选用低爆速低威力的炸药、创造自由面、控制开挖循环进尺、采用多段微差起爆技术、调整爆破传爆方向、开挖减震沟、采用预裂爆破方法等。这些措施可多种同时采用，确保安全施工。
7 结论
通过在下穿重要建筑物的隧道施工中采用爆破振动监测技术，分析爆破振动对地表建筑物的影响，确定合理的爆破振动参数，确保了地表建筑物的安全性，也加快了隧道施工进度。
