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作者:鄭曉敏
在隧道爆破振動(dòng)試驗(yàn)的有關(guān)研究中,給出了掌子面后方因“空洞效應(yīng)”的存在導(dǎo)致衰減規(guī)律不符合薩道夫斯基公式,掌子面前方振動(dòng)規(guī)律符合。試驗(yàn)表明凹形地貌對(duì)爆破振動(dòng)有衰減效應(yīng)而凸形地貌對(duì)振動(dòng)有放大效應(yīng)。在滬蓉西高速公路ZK107+157-ZK107 +268段路塹邊坡爆破振動(dòng)測(cè)試中給出了建筑物的安全距離判據(jù)。但對(duì)城市淺埋隧道的爆破振動(dòng)區(qū)域劃分的有關(guān)文獻(xiàn)較少。
城市地鐵以淺埋隧道為主,施工周期長(zhǎng),在涉及穿越居民區(qū)爆破開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)難免會(huì)對(duì)周圍民宅產(chǎn)生影響,很容易對(duì)一些老百姓產(chǎn)生爆破“擾民”或“民擾”爆破的情況,對(duì)居民的身心健康與施工的順利進(jìn)行會(huì)造成不可估量的影響。
一般來(lái)說(shuō),淺埋地下工程爆破減振常用方法有以下幾種:①選擇合理的掏槽方式;②選擇合適的炸藥品種;③選擇合適的起爆時(shí)差;④選擇合理的開(kāi)挖方式;⑤選擇合理的循環(huán)進(jìn)尺;⑥適當(dāng)?shù)难b藥結(jié)構(gòu)和爆破方式;⑦選擇合適的炸藥單耗。采用了加打隔振空眼和根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整掏槽方式,獲得良好的爆破效果。限制最大單段藥量、縮小進(jìn)尺、隨時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)、采用超前小導(dǎo)坑等復(fù)合手段,成功地控制了爆破振速通過(guò)危房段。
在2011-2013年大連地鐵隧道爆破施工期間,居民反映爆破振動(dòng)對(duì)其房屋造成較嚴(yán)重影響。為充分考慮居民權(quán)益,同時(shí)維護(hù)業(yè)主及施工單位權(quán)益,劃分隧道爆破的影響區(qū)域非常必要。
1 工程概況
大連市地鐵一期工程212標(biāo)段由中鐵十一局承擔(dān),包括機(jī)辛區(qū)間,線路分左、右雙線,線間距12.5~15m。機(jī)辛區(qū)間設(shè)計(jì)里程為右線里程CK26+577. 093-CK29+220. 166,右線全長(zhǎng)2 643. 073m,左線長(zhǎng)2 771. 791m,含長(zhǎng)鏈28. 718m。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大覆土厚度為23. 27m,最小覆土厚度為10. 91m,變化幅度相差較大。區(qū)間于右線DK27+128. 700和DK28 +655. 000處分別設(shè)置1座施工豎井,DK28 +105. 300處設(shè)置1座通風(fēng)機(jī)房。Ⅲ,Ⅳ級(jí)圍巖開(kāi)挖斷面面積約31. 5m2。
該施工地貌為山前沖洪積平原,上覆第四系人工堆積層,第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、碎石層,第四系上更新統(tǒng)坡洪積黏土層,下伏震旦系南關(guān)嶺組泥灰?guī)r,并有燕山期侵入的輝綠巖,巖體較完整,局部節(jié)理裂隙較發(fā)育。隧道圍巖主要為中風(fēng)化泥灰?guī)r,局部發(fā)育巖溶。該地層巖石縱波波速3 500m/s,抗壓強(qiáng)度40~60MPa。地下水為基巖裂 隙水,主要賦存于中風(fēng)化泥灰?guī)r的裂隙以及溶隙中。
經(jīng)實(shí)地考察,居民普遍反映較強(qiáng)烈的住宅均為由毛石砌成的毛石房屋,外墻水泥勾縫,建筑時(shí)間長(zhǎng)短不一,大部分為平房,窗角、墻角等處有裂紋存在,按《爆破安全規(guī)程》GB6722-20031規(guī)定應(yīng)劃歸為“土窯洞、土坯房,毛石房屋”一類。
2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容
綜合前人研究結(jié)果,選擇在掌子面垂直掘進(jìn)方向測(cè)試有如下幾點(diǎn)原因:①能不受掌子面后方空洞效應(yīng)的干擾;②測(cè)試地點(diǎn)在居民住宅附近可真實(shí)反映出住宅振動(dòng)大;③可避免在凹凸地形產(chǎn)生的衰減、放大效應(yīng)的干擾。布點(diǎn)盡量垂直于隧道走向,以掌子面為對(duì)稱面,按照近密遠(yuǎn)疏原則,共放置12臺(tái)儀器。爆破測(cè)振儀為三通道并行采集,設(shè)置采樣率為2K,振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定1s,觸發(fā)選擇0.02cm/s。測(cè)量爆破時(shí)不同距離下的振動(dòng)速度,用以反演爆破振動(dòng)衰減系數(shù),并根據(jù)測(cè)試所得3個(gè)方向的分速度及合速度,擬合其公式。爆破振動(dòng)測(cè)試布點(diǎn)如圖1所示。為確保距離測(cè)量準(zhǔn)確,調(diào)閱施工進(jìn)度圖及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部有關(guān)人員,用GPS衛(wèi)星定位掌子面位置及測(cè)距儀測(cè)量,并在測(cè)點(diǎn)上做好標(biāo)記。
3 爆破方案設(shè)計(jì)
3.1炮孔深度
炮孔深度不僅決定爆破循環(huán)進(jìn)尺與掘進(jìn)速度,而且影響爆破效果,是爆破地震效應(yīng)的主要影響因素之一。根據(jù)勘探結(jié)果,該場(chǎng)地輝綠巖為中等硬度,為防止爆破產(chǎn)生較大的夾制力導(dǎo)致炮孔利用率降低,應(yīng)采用合適的炮孔深度。選擇合適的炮孔深度可以減輕爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng),保護(hù)圍巖。因此,上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺暫定為0. 75m,孔深0.8m。
3.2上臺(tái)階爆破選擇方案
隧道掘進(jìn)爆破的炸藥單耗主要與巖性和開(kāi)挖斷面積有關(guān)。但是本工程爆破設(shè)計(jì)主要考慮爆破振動(dòng)速度必須滿足《爆破安全規(guī)程》的要求。利用薩道夫斯基公式計(jì)算爆破最大一段裝藥量。計(jì)算時(shí)分別考慮3個(gè)部位:預(yù)裂爆破區(qū)域、掏槽區(qū)域、輔助孔及次周爆破區(qū)域。
由于爆破最大振速?zèng)Q定于最大單段藥量。爆源與需要保護(hù)的建筑物之間的距離R是已知的(根據(jù)現(xiàn)有資料表明拱頂埋深平均15m左右),可以用 薩道夫斯基公式,求算掏槽部延時(shí)爆破最大一段裝藥量。
保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度,本設(shè)計(jì)取1. 0cm/s;K,a為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),本次檢算時(shí)圍巖為IV級(jí),主要為中風(fēng)化泥灰?guī)r,考慮K取200,a取1.8。
1)經(jīng)過(guò)計(jì)算預(yù)裂帶區(qū)域最大一段起爆藥量為 0. 49kg(相當(dāng)于2.5卷炸藥,每卷200g)。
2)掏槽爆破時(shí),爆破點(diǎn)距離保護(hù)物體增加了1. 6m距離。經(jīng)過(guò)計(jì)算掏槽區(qū)域最大一段起爆藥量為0. 67kg(相當(dāng)于3卷炸藥,每卷200g)。
3)輔助孔及次周爆破區(qū)域:當(dāng)掏槽完成后,緊接后續(xù)爆破,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其產(chǎn)生的振動(dòng)較掏槽小。依照最小15m距離計(jì)算,該區(qū)域最大一段起爆藥量為0. 49kg(相當(dāng)于2.5卷炸藥,每卷200g)。
4)楔形掏槽能為輔助眼爆破創(chuàng)造較好的臨空面,可以有效減少輔助眼爆破時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度。但楔形掏槽傾角需對(duì)稱,傾角不對(duì)稱時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響炮孔利用率、槽腔深度和槽腔體積。角度小爆破效果好,但鉆孔困難,角度大效果差,多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后將角度定為550?湛酌看未蛟O(shè)10m,目的是提供局部臨空面,從而在楔形掏槽中減輕巖石的夾制作用,從而達(dá)到減振效果。
3.3炮眼參數(shù)(見(jiàn)表1)
3.4炮孔布置
按上述參數(shù)進(jìn)行炮孔布置,如圖2所示。
3.5起爆網(wǎng)路
為降低最大一段齊發(fā)爆破藥量,應(yīng)充分使用奇數(shù)段別雷管。為實(shí)現(xiàn)逐孔起爆,應(yīng)將爆破斷面分區(qū)或分排,并采用孔內(nèi)外微差的方式進(jìn)行,起爆網(wǎng)路如圖3所示。其顯著特征是:區(qū)域之間采用MS-2,MS-7,MS-9段非電導(dǎo)爆管雷管過(guò)渡。
3.6起爆順序(見(jiàn)圖4)
3.7裝藥結(jié)構(gòu)
預(yù)裂孔采用中部裝藥,其余采用孔底連續(xù)裝藥,封堵0. 60m。
3.8 振速驗(yàn)算和爆破參數(shù)調(diào)整
根據(jù)最大一段裝藥量通過(guò)薩道夫斯基公式反算爆破振動(dòng)速度如下:
預(yù)裂爆破區(qū)域最大一段起爆藥量為0. 40kg,民宅處的爆破振動(dòng)計(jì)算:
掏槽爆破時(shí),爆破點(diǎn)距離保護(hù)物體又有了1. 6m距離增加,掏槽區(qū)域最大一段起爆藥量為0. 40kg(相當(dāng)于2卷炸藥,每卷200g),民宅處的爆破振動(dòng)計(jì)算:
輔助孔及次周爆破區(qū)域,最大一段起爆藥量為0. 40kg(相當(dāng)于2卷炸藥,每卷200g),民宅處的爆破振動(dòng)計(jì)算:
爆破參數(shù)調(diào)整:爆破參數(shù)從最小單段藥量開(kāi)始,保持起爆網(wǎng)路不變,第1次嚴(yán)格按照方案中爆破參數(shù)施工,在地面最近建筑物處測(cè)爆破振速,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整下一次的爆破參數(shù)。另外也需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行靈活的調(diào)整。根據(jù)試驗(yàn)爆破的進(jìn)尺和巖層斷面大小調(diào)整炮眼深度和炮眼圈數(shù)(排數(shù));根據(jù)爆破巖塊的大小、圍巖松動(dòng)范圍調(diào)整裝藥量;根據(jù)圍巖硬度調(diào)整炮眼單位面積布置個(gè)數(shù)。
4 測(cè)試結(jié)果及分析
爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄如表2所示。
4.1 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律
國(guó)內(nèi)外普遍采用薩道夫斯基公式表達(dá):
式(1)中能反映爆破的振動(dòng)衰減規(guī)律的是式中K,a這2個(gè)參數(shù)可用最小二乘法計(jì)算反演其大小,反演的基礎(chǔ)是有適量的數(shù)據(jù),每套數(shù)據(jù)包括最大單段藥量Q(kg),距離R(m),振動(dòng)速度V(cm/s)。
觀察薩道夫斯基公式,可知爆破振動(dòng)速度受到裝藥量以及最大一段齊發(fā)爆破藥量的影響。除此之外,爆破振動(dòng)速度也與爆源和被測(cè)點(diǎn)之間距離有關(guān)。
將式(1)兩邊取自然對(duì)數(shù)變?yōu)榫性方程:
對(duì)于測(cè)試所得的多組V,Q,R數(shù)據(jù),代入上式得到()。為確定系數(shù)a,b通常采用最小二乘法,即要使
達(dá)到最小。根據(jù)極值定理,a,b滿足下列方程:
根據(jù)《爆破安全規(guī)程》,K,a值的確定與爆破地點(diǎn)周圍的地形、地質(zhì)構(gòu)造等因素有一定的關(guān)系。
結(jié)合爆破振動(dòng)測(cè)試記錄表2,統(tǒng)計(jì)Q,R,V,形成I n V與In數(shù)據(jù)隊(duì)列,繪制In V與In
的散點(diǎn)圖,依據(jù)最小二乘法擬合直線得出圖5,依據(jù)式(1)~(6),擬合y =2.019x+6. 427,得K=e6.43約等于620:a=2.02(K值取整,a取兩位小數(shù))。需要注意的是,圖5中下數(shù)第4,5點(diǎn)(-4,-2)附近和上數(shù)第2,3點(diǎn)( -3,0)附近因距離較近圖形重疊。
對(duì)照國(guó)標(biāo)推薦的K(50~350)與a(1.3~2.0)值,該測(cè)試結(jié)果并不能很好吻合,但還是應(yīng)尊重實(shí)際測(cè)試成果。在計(jì)算距離時(shí),這里取爆源至測(cè)試點(diǎn)的直線距離,并非水平距離;速度選擇振動(dòng)速度的合速度,不考慮單向振動(dòng)指標(biāo)。
通過(guò)圖5可以看出測(cè)試所得的I n V與In 的線性關(guān)系很明顯,所得K與a值也較符合實(shí)際地質(zhì)。
4.2振動(dòng)分析
1)測(cè)試地點(diǎn)為掌子面正上方(56號(hào)儀器)的合速度為1. 349 4cm/s(見(jiàn)圖6),比設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn)1. 0cm/s略有提高,但比對(duì)《爆破安全規(guī)程》中的爆破振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于一般磚房,在頻率50~100Hz時(shí),安全允許速度為2.7~3. 0cm/s。若參考國(guó)標(biāo)中的土坯房、毛石房的標(biāo)準(zhǔn)(1.1~1. 5cm/s),也符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)降低了50%以上。如需繼續(xù)控制振動(dòng),可增打隔振空孔,減少掏槽藥量,但是工期與成本也隨之延長(zhǎng)和增加。雖超出設(shè)計(jì)指標(biāo)(1. 0cm/s),但仍處于可接受范圍內(nèi),周邊居民反饋良好。
2)分析振動(dòng)圖譜6,總體振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)度約為1 200ms。對(duì)比起爆網(wǎng)路圖,最長(zhǎng)的持續(xù)歷程為1240ms,與測(cè)試時(shí)長(zhǎng)基本相當(dāng)。振動(dòng)圖譜在-400~- 250ms區(qū)間對(duì)應(yīng)的是預(yù)裂爆破區(qū)域,- 200~- 100ms為掏槽爆破振動(dòng)區(qū)域。
3)從圖6也可以看出,預(yù)裂爆破區(qū)域最大振動(dòng)合速度0. 85 cm/s,而掏槽區(qū)域最大振動(dòng)合速度1. 349 4cm/s。前者爆點(diǎn)距離地面直線距離15m,后者距離地面直線距離16. 6m,大于前者,在相同的單段藥量0. 4kg下,前者的振動(dòng)速度應(yīng)大于后者,但由于預(yù)裂孔兩側(cè)的大孔臨空面存在,振動(dòng)速度得到了顯著降低,降低幅度約為37%。這表明大孔臨空面確實(shí)起到了降低爆破振動(dòng)效果。
4)采用這種孔外微差起爆網(wǎng)路,并未發(fā)現(xiàn)盲炮現(xiàn)象。該網(wǎng)路有一定可靠性,只是對(duì)爆破工程技術(shù)人員提出了更高要求。
5振動(dòng)區(qū)域劃分探索
5.1爆破器材的使用
大連地鐵對(duì)爆炸物品的領(lǐng)用管理嚴(yán)守安全防線,并為此制訂了詳細(xì)嚴(yán)格的安全規(guī)范,確保調(diào)用準(zhǔn)確數(shù)據(jù)無(wú)誤。2011年10月13日-2011年12月18日,共用炸藥13 536kg,雷管21 960發(fā),單發(fā)雷管承擔(dān)的平均藥量0. 616 3kg。采用直徑32mm,長(zhǎng)200mm的乳化炸藥,單卷炸藥0.2kg,約為3卷。隧道爆破掏槽孔的裝藥量是平均單發(fā)雷管承擔(dān)藥量的2倍,即每孔1. 2kg。
5.2受振動(dòng)影響的區(qū)域劃分
爆破方案中掏槽孔數(shù)為6個(gè),設(shè)計(jì)上是單孔起爆,為考慮爆破振動(dòng)的偶發(fā)最大影響范圍,把單段藥量設(shè)定為6個(gè)掏槽孔齊爆藥量,即7. 2kg。
1)根據(jù)《爆破安全規(guī)程》,對(duì)各種爆破對(duì)不同類型建(構(gòu))筑物和其他保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)影響,應(yīng)采用不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)。,隧道爆破屬于淺孔爆破,其振動(dòng)主頻分布在50 N100Hz(見(jiàn)表2),但距爆源越遠(yuǎn)頻率也就越接近房屋固有頻率,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)距爆源近未破壞但距爆源遠(yuǎn)卻出現(xiàn)破壞的情況?紤]到上述情況、施工長(zhǎng)期性及居民舒適性,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于“土窯洞、土坯房、毛石房屋”爆破振動(dòng)速度允許范圍選擇
1.1~1. 5cm/s。劃定影響區(qū)域,為更加充分考慮居民權(quán)益,選定其下限1.1 cm/s,不選擇上限,這樣更有利于擴(kuò)大振動(dòng)影響區(qū)域。
根據(jù)已知隧道爆破單段最大藥量7. 2kg,以及K,a值,代回薩道夫斯基公式中即可得出R。扣除埋深及隧道寬度,爆破振動(dòng)影響范圍(水平距離隧道邊界)R≤38. 0m。
2)根據(jù)測(cè)試結(jié)果、一段時(shí)期內(nèi)爆破器材領(lǐng)用情況以及爆破方案,對(duì)于進(jìn)尺1. 5m的隧道爆破,掏槽孔單孔裝藥量正常。單段最大藥量嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)方案的爆破參數(shù)核定,而測(cè)試中實(shí)際藥量均為單孔起爆。將掏槽孔爆破均考慮為齊發(fā)而不是實(shí)際中的單發(fā),增大齊發(fā)藥量。該齊發(fā)藥量理論上引起的振動(dòng)更大,有利于擴(kuò)大振動(dòng)影響區(qū)域。測(cè)試時(shí),針對(duì)試驗(yàn)實(shí)際起爆網(wǎng)路,由于單段藥量小,在18m處的振動(dòng)速度<1.1cm/s;38m這一距離是考慮偶發(fā)掏槽孔齊爆下距離,比試驗(yàn)高。
當(dāng)掏槽齊發(fā)藥量為7. 2kg時(shí),得出R約為44m,扣除埋深及隧道寬度為38m;當(dāng)掏槽齊發(fā)藥量為該次測(cè)試中的0. 4kg時(shí),R約為17m,扣除埋深及隧道寬度影響范圍僅為10m左右(與實(shí)際測(cè)試相符)?梢(jiàn),若按照爆破方案來(lái)計(jì)算,使受振動(dòng)影響范圍大幅縮減,不利于保護(hù)居民權(quán)益。
通過(guò)表2可以看出測(cè)試點(diǎn)與爆源直線距離>18m時(shí)爆破振動(dòng)已經(jīng)<1.1cm/s,但測(cè)試點(diǎn)與爆源的水平距離僅為10m左右。將爆源與影響區(qū)域間的水平距離擴(kuò)大至38m,此時(shí)直線距離為41m,理論上引起的振動(dòng)更小,有利于擴(kuò)大振動(dòng)影響區(qū)域。
6 結(jié)語(yǔ)
1)采用先行預(yù)裂帶結(jié)合延時(shí)控制爆破的方案,可以很好地控制爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)。
2)充分利用奇數(shù)段雷管,分區(qū)起爆,區(qū)域間采 用MS-2,MS-7,MS-9段非電導(dǎo)爆管雷管過(guò)渡。采用這種孔外微差起爆網(wǎng)路,并未發(fā)現(xiàn)盲炮現(xiàn)象。說(shuō)明該網(wǎng)路有一定可靠性,只是對(duì)爆破工程技術(shù)人員提出了更高要求。
3)在計(jì)算所得方案基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)靈活調(diào)整爆破參數(shù),從最小單段藥量開(kāi)始,保持起爆網(wǎng)路不變。
4)如需繼續(xù)控制振動(dòng),可以在掌子面周邊增打隔振空孔并減少掏槽藥量,但是工期與成本也隨之 增加。
5)考慮到爆破作業(yè)的長(zhǎng)期性和以人為本的方針,采取更加合理的振動(dòng)指標(biāo)。目前該區(qū)間已順利通過(guò),效果良好。
6)由以上分析可以看出該爆破方案和距離劃
分方案是可行的。嚴(yán)格上講,爆破振動(dòng)影響的定義過(guò)于寬泛,當(dāng)前還未從全國(guó)層面上進(jìn)行界定。本文結(jié)合實(shí)際情況,由地方爆破評(píng)估專家委員會(huì)給予界定。把爆破振動(dòng)區(qū)域劃分過(guò)多,不利于實(shí)際劃分操作,如居民房屋類型上就低不選高;振動(dòng)速度范圍弱化超標(biāo)區(qū)域概念。這里只是劃分影響范圍,在范圍內(nèi)影響層度,翻修房屋的費(fèi)用還需具備房屋鑒定資質(zhì)的單位進(jìn)行核算。
7)該劃分方式得到了指揮部、施工單位、周邊居民普遍認(rèn)可,使得施工作業(yè)可以繼續(xù)推進(jìn)。
7[摘要]城市淺埋隧道采用鉆爆法掘進(jìn),往往涉及下穿居民區(qū)。根據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整參數(shù),上臺(tái)階爆破采用先行預(yù)裂帶和增設(shè)掏槽隔振空眼等手段,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試,采用先行預(yù)裂帶等手段可以使爆破振動(dòng)速度降低到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的50%以下。為保護(hù)居民與業(yè)主及施工單位的權(quán)益,綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地貌及前人的結(jié)論,進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試時(shí)采用垂直于掘進(jìn)方向布點(diǎn),并通過(guò)最小二乘法反演得到薩道夫斯基公式中的K,“值,再根據(jù)所得參數(shù)及薩道夫斯基公式計(jì)算出影響距離,得出該地質(zhì)條件下的振動(dòng)影響距離為38m。