城区隧道爆破施工振动监测与分析
2015-06-11
一、工程概况
胶州湾湾口海底隧道青岛端接线工程，南起胶州湾湾口海底隧道青岛端终点，向北以上下行分离式双洞隧道形式分别沿四川路、云南路向北，在东平路路口北侧出地面后开始高架，于山西路路口上方合流后接入快速路三期工程。云南路主隧道起点里程ZK1+095.98，分界点里程ZK2+755，长1659.02m，净宽13.5m。云南路主隧道即将下穿砖混结构民房区。通过监测爆破振动，确定合理的爆破参数，从而保证民房安全，为今后的隧道开挖提供重要参考依据。此次监测时，主隧道开挖经过青岛某中学，测点主要布置在学校内地面上，主要监测分析隧道爆破振动速度沿垂直隧道走向上的分布规律，并通过选取校园内典型的6个点进行监测，线性回归该地区的、值。
二、爆破施工方案
此次测振涉及的施工地段，采用台阶法进行施工，将隧道分成上下两个台阶，分三部分依次进行开挖。
上台阶开挖宽度15.3m，开挖高度6.2m，爆破炸药采用二号岩石乳化炸药，起爆方式为分段延时导爆管起爆，每次起爆总药量117kg，分16段依次起爆，掏槽方式采用斜眼掏槽，掏槽药量18kg，单段最大起爆药量18kg。
三、监测方案
因为上台阶爆破开挖断面和一次起爆药量较大且自由面少，因此振动速度大，此次监测主要对上台阶爆破进行监测。
1、测振系统
爆破振动监测采用的测振仪器为四川拓普测控科技有限公司生产的UBOX-5016爆破振动智能监测仪。该仪器无需设置量程，记录振动时可自适应信号强弱，实时自动调整量程。该仪器有三个通道，每个通道可连接一个传感器，各通道均可连接水平和垂直传感器。传感器固定时，首先清除地表的浮土，采用石膏粉作为粘结剂将传感器粘在测点表面，保证其可随测点表面同时振动。每次记录后通过USB连接线与电脑相连，通过配套采集分析软件BMView将数据存储到电脑上，随后进行相应的数据处理。
此次监测将隧道上台阶开挖断面的形心对应到地面上的点作为地面爆心，如图3所示，测点布置共分为两个方案。
方案1，按照从地面爆心到爆破振动影响远区测点间距由密到疏的原则，沿垂直隧道走向在校园内成直线布置测点，如图3中M1～M11方形点所示。该方案共布置6台记录仪，每台仪器的两个通道各连接一个垂直传感器，另一个通道连接水平传感器，每台记录仪可同时监测两个点的振动速度。
方案2，主要观察爆破对校园建筑物的影响，选取校园内6个典型的测点，每个测点布置一台记录仪，每台仪器两个通道连接水平传感，另一个通道连接垂直传感器，同时监测同一点的垂直振动速度和与隧道轴向、径向相一致的水平振动速度，具体测点布置如图3中圆点M12～M17所示。
四、监测数据分析
经过连续4次的监测，得到一系列可靠的地表振动速度数据。根据方案1共测得3组数据，监测时，测点M1跟随地面爆心沿隧道开挖方向根据开挖进尺逐步推进，其它测点不动。方案2中，测点M12距地面爆心142.1m，传感器未触发，得到5个测点的地表垂直与水平振速。
1、垂直隧道走向数据分析
在距爆心0～45m范围内，地表垂直振动速度呈剧烈振荡衰减态势，50m以外振速振荡趋于平缓。在距爆心15～30m即1～2倍隧道开挖宽度范围内，出现一低值，该值接近振速振荡平缓时的最大值。在距爆心30～45即2～2.5倍隧道开挖宽度范围内，振动速度达到一次最大值，该值改值为平缓时最大振速的1.5～2倍。
地表径向振速峰值变化规律与地表垂直振速峰值类似。在距爆心0～45m范围内，地表径向振动速度呈剧烈振荡衰减态势，50m以外振速振荡趋于平缓。在距爆心15～30m即1～2倍隧道开挖宽度范围内，出现低值，该值略高于振速平缓时的最大值。在距爆心30～45m即2～2.5倍隧道开挖宽度范围内出现振动速度最大值，为平缓时最大振速的2～3倍。
同次监测所得的地表最大垂直振速峰值大于地表最大径向振速峰值。2、散点数据分析
各测点的地表最大垂直振速峰值和地表最大水平振速峰值如表1所示。
测点 地表爆心距/ 垂直速度峰值/ 水平径向速度峰值/ 水平切向速度峰值/
M12 1421 ― ― ―
M13 129.6 0.217 ― 0.277
M14 90.3 0.533 0.808 0.409
M15 67.5 0.670 0.905 0.256
M16 25.5 1.085 1.574 1.938
M17 62.4 0.656 1.299 0.844
从表中可以看出，在这种爆破施工方案下，在地面距地表爆心25m范围以外振动速度小于《爆破安全规程》（GB6722～2003）关于砖混结构建筑物规定的2。若距地表爆心25m范围内存在砖混结构建筑物需调整爆破参数，以保证安全。
3、回归分析
目前关于爆破振动速度问题，国外比较公认的是前苏联学者萨道夫斯基的经验公式。我国长期以来在爆破地震安全距离与质点振动速度计算方面也是采用该公式，其公式的具体形式为：
(1.1)
式中：――测点至爆破中心的距离，；
――炸药量，齐发爆破取总装药量，微差爆破或秒差爆破取最大一段装药量，；
――所测点因爆破引起地震振动速度，；
――药量指数，集中药包取1/3，此处取1/3；
――爆破地震波衰减系数，与地质地形条件及距爆破中心的距离有关；
――同岩石的性质、爆破方法、地形条件等因素有关的系数。
将式(1.1)两端取对数化成化成式（1.2）：
（1.2）
令，，，
则（1.3）
利用公式（1.3）通过线性回归可以计算求出、，最后得到、。
在进行回归分析时，在选取源数据方面基于两点考虑。第一，公式（1.1）中选择单段最大起爆药量18。第二，《爆破安全规程》（GB6722-2003）规定毫秒延期电雷管第1段延期时间允许误差区间为0～12.5ms，因此在选择振动速度时，在每个测点测得的地表垂直振速曲线中截取0～12.5之间的波峰或波谷最大值作为该点地面垂直振动速度。第三，监测时隧道开挖断面形心距离地面32m，在选择时，将地面爆心与测点间的距离和开挖断面形心与地面的距离构成的三角关系求出值。将以上整理的数据运用matlab进行线性回归得到、。
五、结论
此次监测工作主要对爆破振动速度在地面上的分布进行监测的，将各测点看作位于同一平面上。利用实际采集的数据绘成曲线，忽略因仪器设备、人员操作、简化计算公式等方面产生的误差。综合分析得到以下结论：
1、在距爆心0～45m范围内，地表最大振动速度呈剧烈振荡衰减态势，在50m以外振速振荡趋于平缓。
2、在距爆心15～30m即1～2倍隧道开挖宽度范围内，出现一低值，垂直振速时该低值接近振速振荡平缓时的最大值，径向振速的该低值则大于振速振荡平缓时的值。
3、在距爆心30～45即2～2.5倍隧道开挖宽度范围内，振动速度达到一次最大值，垂直振速的该值改值为振荡平缓时最大振速的1.5～2倍，而径向振速的该值为振荡平缓时最大振速的2～3倍。
4、同次监测所得的地表最大垂直振速峰值大于地表最大径向振速峰值。
5、采用本文论述的爆破施工方案，在地面距地表爆心25m范围以外振动速度小于《爆破安全规程》（GB6722-2003）关于砖混结构建筑物规定的2。若距地表爆心25m范围内存在砖混结构建筑物需调整爆破参数，以保证安全。
6、根据此次监测方法回归得到、。
