地铁隧道爆破振动对地面的影响规律研究.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 011 地铁隧道爆破振动对地面的影响规律研究 费鸿禄 1， 王振达1， 蒋安俊1， 刘 梦 1， 李晓杰2， 闫鸿浩2 （1.辽宁工程技术大学爆破技术研究院， 阜新123000； 2.大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室， 大连116024） 摘 要 为控制地铁爆破开挖引起的振动对地表建筑物的影响， 需要探明爆破振动传播至地表过程中的衰 减规律。通过中深孔爆破法进行现场试验， 试验孔装药量对应实际工程中单段药量， 模拟大连地铁1号线隧 道爆破掘进作业， 采用钻孔监测与地表监测相结合的方法， 分别在地表和地表以下1. 5 m，7. 5 m和15 m深 的孔内安置监测点， 监测爆破振动在不同深度的质点振速。同时， 利用FLAC3D软件对现场试验中各观测点 质点振速峰值进行数值计算， 分别采集试验与数值模拟的质点振速峰值， 并通过萨道夫斯基经验公式进行回 归分析。结果表明 地下爆破振速的监测结果较地表小， 振速峰值约为地面的50％ ～64％； 对比萨道夫斯基 公式反算的振速与数值模拟计算结果， 数值模拟得到的质点振速与实测结果更接近， 可以通过数值模拟结果 对萨道夫斯基公式进行修正以提高预测精度。 关键词 地铁隧道；爆破振动；数值模拟；质点振速峰值 中图分类号 O241 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0068 -06 Study on Influence of Blasting Vibration on Ground of Metro Tunnel FEI Hong-lu1，WANG Zhen-da1，JIANG An-jun1，LIU Meng1，LI Xiao-jie2，YAN Hong-hao2 （1. Institute of Engineering Blasting，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China； 2. State Key Laboratory of Structural Analysis of Industrial Equipment，Department of Engineering Mechanics，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China） Abstract In order to control the vibration influence from subway blasting excavation on the surface buildings，it is necessary to ascertain the attenuation law of blasting vibration propagation near the surface. A field test is per- ed thought medium - length hole blasting，and the experimental hole charge corresponding to single segment dose in practical engineering. The blasting excavation operation of the Dalian Metro Line 1 tunnel is simulated，combined with drilling and surface monitoring，by placing spots in the holes 1. 5 m，7. 5 m and 15 m below the surface respec- tively，to monitor the particle vibration rate of blasting vibration at different depths. Meanwhile，FLAC3Dis applied to simulate the peak particle vibration velocity，and the regression analysis through Sodev′s empirical ulas is also taken. Results show the vibration velocity of underground blasting smaller than that of the surface，where the peak value of vibration velocity is about 50％ ～ 64％ of that of the ground. Contrasted with Sodev′s ula and numeri- cal simulation，the numerical simulation gets closer to the particle vibration velocity in test，by which the Sodev′s For- mula could be revised to improve the prediction accuracy. Key words subway tunnel；blasting vibration；numerical simulation；particle velocity peak 收稿日期2018 -04 -02 作者简介费鸿禄（1963 -） ， 男， 教授、 博士、 博士生导师， 从事工程 爆破和地下工程方面的教学与科研工作。（E-mail） feihonglu＠163. com。 通讯作者王振达（1993 -） ， 男， 辽宁工程技术大学土木工程学院硕 士研究生， 主要爆破工程方向研究， （E-mail）991441596＠ qq. com。 地铁隧道作为一种地下交通建筑， 成功的节省 了地面空间并缓解交通压力。在地铁隧道施工中， 目前使用最广的施工方法是钻爆法， 钻爆法的最大 不足之处是容易产生振动危害。长期以来， 国内外万方数据 广大学者对爆破振动进行了大量研究工作。傅洪贤 等对浅埋隧道爆破地表振动进行监测， 得出振速的 大小与爆心距、 入射纵波和竖直方向的夹角相关对 减小地表建筑物损害有重要意义[ 1，2]； 卢文波、 周俊 汝等人通过引入了介质阻尼项研究球形药包爆破， 发现了爆破振动频率的衰减与爆腔爆心距等因素密 切相关[ 3-5]； 高峰等以振动合速度和主频作为系统特 征指标对中深孔爆破进行研究， 得出可以有效控制 振速的最适合药量[ 6]。 根据实际工程情况模拟现场爆破试验， 对爆破 振动监测数据进行回归分析推算振动衰减系数。利 用数值模拟软件模拟， 并与实际监测结果进行比对， 得出具体的结论对现场施工起到指导作用， 利于调 整设计方案， 从而减少爆破振动效应的危害[ 7，8]。 1 工程概况与爆破方案 1. 1 工程概况 大连地铁1号线千山路站到山东路段地铁施工 起于千山路与山东路交汇处（AK8 ＋017. 365） ， 终于 山东路与松江路交汇处（AK8 ＋902. 360） ， 全线总里 程为884. 995 m， 上覆层是由人工堆积素填土、 混石 英岩、 石灰岩碎石以及局部含少量建筑或生活垃圾 组成的第四系人工堆积层， 和由粘土、 含卵石粘土、 卵石组成的第四系中更新统冰硫层。 1. 2 爆破方案 采用“ 模拟开挖基坑法”进行爆破试验， 设计了 一种中深孔矩阵爆破法， 通过不同的爆破深度模拟 在典型地层中进行一系列的封闭爆破， 分别在地面 和测试孔深度处大量测试爆破振动速度， 获得爆破 地层地震波传播规律数据， 然后依靠计算软件反演 研究地铁隧道钻爆实际情况， 进而确定实际地铁修 建中爆破的危害情况和评价标准。同时， 在地铁修 建中， 该方法也可以成为一种检验地层爆破地震规 律， 确定采用何种工艺开挖、 采用何种技术保护目标 的标准方法。 采用该方法研究爆破振动衰减规律具有一定的 合理性， 主要由于 ①中深孔装药后， 并没有破坏地表结构与实际 隧道施工相似。 ②药量装药可比性， 实际隧道施工的最大单段 药量来源于掏槽眼药量。 ③采用了多种装药量， 从统计的角度看更能涵 盖多种因素。 ④有1. 5 m深测试孔能很好的反映地下管道的 实际振动水平。 当然也有不足地方， 比如隧道开挖爆破实际上 有一个临空面， 这里没有， 炸药爆炸的能量很可能充 分的传给周围岩土， 带来振动速度相对较大。这个 技术不足的地方， 某种程度上， 在反演爆破振动速度 时更能有利于保护被保护目标。 根据河口车辆段地质结构布置装药孔如图1所 示， 装药孔孔距4 m， 排距4 m， 孔深7. 5 m用于模拟 强风化层爆破， 孔深15 m用于模拟中风化层爆破， 孔深1. 5 m为测试孔， 用于模拟各种管道所处位置； 孔深7. 5 m、15 m分别4个孔，其装药量分别为 1. 15 kg、3. 15 kg、6. 15 kg、10. 15 kg， 该药量用于模 拟实际爆破施工中的单段起爆最大药量， 实验时采 取单孔起爆， 每次起爆从5个测试孔中选取3个在 孔内、 地表分别布置测振仪器。这样不同药量、 距 离、 振动速度条件下进行测振， 形成数据库。炸药装 填孔底部， 药上部用碎石填塞到地表， 孔内用MS-8 段雷管孔底起爆。 图1 爆破试验布置图（ 单位m） Fig. 1 Layout of blasting test bore holes（unitm） 96第35卷 第3期 费鸿禄， 王振达， 蒋安俊， 等 地铁隧道爆破振动对地面的影响规律研究 万方数据 2 监测方案与数据分析 2. 1 监测方案 选择合理的监测系统将直接影响测试结果的真 实性， 甚至关系到测试的成败。测试仪器采用成都 中科动态仪器有限公司生产的EXP3850爆破振动 仪及配套的速度传感器， 其采样率1 ～ 200 K， 量程 400 mV ～20 V， 可实现多通道数据采集、 存储和分 析。由于监测点距离炮孔底部的装药位置较远， 仪 器放置在1. 5 m深的测试孔中和地表都是安全的且 不影响试验。在5个测试孔中随机选取3个孔分别 编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ， 每个测试孔竖直与水平方向距离 均为4 m。现将6台仪器分别布置在三个测试孔内 和测试孔地表， 但其中的97号仪器由于人为原因发 生损坏无数据。每台仪器所放位置以及编号见表 1。装药布孔、 起爆顺序、 测试点布置见图1。第1 ～ 4炮所对应的药量分别为1. 15 kg、3. 15 kg、 6. 15 kg、10. 15 kg， 第5 ～8炮的装药量同1 ～4炮。 表1 仪器放置的位置以及编号 Table 1 Location and numbers of testing instruments 仪器号18192097438439 测试点号Ⅲ点Ⅰ点Ⅱ点Ⅲ点Ⅱ点Ⅰ点 测试位置 地表 地表 地表 孔内 孔内 孔内 损坏情况 正常 正常 正常 损坏 正常 正常 2. 2 监测数据分析 由于数据过多， 选取第4炮和第8炮的振动速 度列在表2中， 另列出第4炮的18和19号监测振 速矢量图如图2和图3所示。 表2 监测振速表 Table 2 Monitored vibration velocity 监测 数据 仪器 编号 高差／ m 垂向速度／ （ms -1）切向速度 ／ （ms -1）经向速度 ／ （ms -1） 1915. 07. 18373. 27442. 9542 43913. 55. 58972. 66323. 1502第四炮 1144 10. 15 kg 2015. 08. 58344. 82763. 3272 43813. 57. 08086. 97515. 3608 1815. 022. 31409. 10089. 9014 1915. 05. 46385. 49764. 0560 43913. 54. 99786. 35094. 0251第八炮 1148 10. 15 kg 2015. 020. 64868. 101511. 2716 43813. 55. 72048. 67329. 1851 1815. 046. 824220. 703210. 9197 对比上面得出的数据发现， 第4炮和第8炮都 是垂直方向的振速最大， 选择垂直方向速度作为主 要评价指标。另外， 观察发现各组数据的Ⅰ监测点 的垂直振速峰值小于Ⅲ监测点的垂直振速峰值， 这 说明爆破振速在衰减。根据萨道夫斯基公式， 将其 取自然对数变为线性方程 ln（V）＝ ln（K）＋ α ln（ 3 Q／ R） （1） 图2 18号仪器监测爆破振动速度图 Fig. 2 Blasting vibration velocity tested by vibration meter No. 18 图3 19号仪器监测爆破振动速度图 Fig. 3 Blasting vibration velocity tested by vibration meter No. 19 07爆 破 2018年9月 万方数据 令y ＝ ln（K） 、x ＝ ln（ 3 Q／ R） ， 采用origin拟合工 具， 以上面的x、y为变化量， 由于二者之间为线性关 系， 所以直接进行线性拟合， 得出α、K、 相关系数R 具体数值见表3。拟合图像如图4。 观察上面图4的拟合图像， 发现河口地区中风 化层岩石爆破时， 其爆破振动引起的地下运动速度 的系数， 与国家爆破安全规程GB67222014很 接近， 拟合的效果也比较理想； 但强风化岩层爆破 时， 其爆破振动引起的速度公式系数与国标有一定 的差距； 并且地表测得的数据没有在孔内测得的数 据拟合的理想， 可能是由于地表受到外部影响较地 下更大； 由于在实验地区无自由面， 导致试验有一定 的局部性， 但振速是在衰减的。从图4可以看出， 地 表振动速度较孔内的振动速度大， 大1. 5到1. 6倍。 表3 各位置的K、α、R2的值 Table 3 Values of K、α、R2at each location 岩层类别 测试位置KαR2 中风化层 地表1811. 760. 809 地下1671. 630. 881 强风化层 地表2731. 820. 795 地下3822. 250. 713 图4 Y与- X拟合图 Fig. 4 Y and - X fitting 将得出的α、K带入萨道夫斯基公式， 可以反演 出各个监测点的质点振速峰值， 将第4炮实际数据 与计算数据进行对比， 得出结果如表4。观察表4 数据发现， 萨道夫斯基公式反推出来的质点振速峰 值比实际值大， 这说明对于此试验萨道夫斯基公式 所得出的结果具有一定的误差。 表4 各位置振速误差 Table 4 Vibration velocity error at each position 位置 距离／ m 实际振速／ （ms -1） 萨式振速／ （ms -1） 误差／ （ms -1） Ⅰ监测点18. 147. 188. 321. 14 Ⅱ监测点17. 238. 589. 240. 66 Ⅲ监测点15. 2622. 3125. 082. 77 3 数值模拟分析 3. 1 模型建立 运用有限差分软件FLAC3D进行模拟研究， 从模 拟结果中分析和总结地铁隧道爆破对地面的影响， 以及振动波的变化衰减情况并与实际进行对比。首 先， 使用FLAC3D建立模型， 模型如图5所示。 图5 模型图 Fig. 5 Simulation model 3. 2 爆破荷载施加 在使用FLAC3D进行计算时， 需要施加符合工程 实际的爆破荷载参数。爆破荷载参数主要包括峰值 应力、 荷载加载时间、 荷载卸载时间、 振动总时间等。 则炸药爆炸后， 等效到岩石上的荷载强度[ 9-12]为 pmax＝ 1 2 pd r0 r e 6 lc l b 3 n（2） Pd＝ 1 4 ρ0V2（3） 式中r0、re为炮孔半径和药卷半径，mm；lc、lb 17第35卷 第3期 费鸿禄， 王振达， 蒋安俊， 等 地铁隧道爆破振动对地面的影响规律研究 万方数据 为装药长度和炮孔长度，m；n为炸药爆破生成的气 体碰撞孔壁引起的压力增大系数， 一般为10；ρ0为 炸药与岩石的密度，kg／ m3；V为炸药爆速、pd为爆破 压力、pmax为作用在孔壁上的初始峰值压力。 加载时间与总作用时间为[ 10] tR＝ 12r2- μQ0. 05 K （4） tS＝ 84 3 r2- μQ0. 2 K （5） K ＝ E 3（1 - 2μ） （6） 式中tR为上升段时间，s；tS为总的作用时间， s；r为对比距离，m；Q为炮眼装药量，kg；K为体积压 缩模量，13. 2 kPa；μ为岩石泊松比，s。 此外， 爆破作用时间还可以依据现场观测资料 来测定， 但较为麻烦且需要专门的仪器， 根据工程经 验， 升压时间一般取8 ～12 ms之间， 卸载时间通常 取为40 ～120 ms之间。总作用时间是升压时间和 卸载时间之和， 也可依据雷管段数推出或由现场直 接测定。 3. 3 模拟结果分析 将计算得出的作用在炮孔壁上的初始峰值压 力、 荷载加载时间和卸载时间导入FLAC3D模拟软 件， 分8次以不同的荷载模拟爆破振动。得出各个 测试点Z方向的振速图， 选取第4炮Ⅰ、Ⅲ监测点的 数据， 绘制振速图出如图6、 图7所示。 图6 模拟振速图 Fig. 6 Simulated vibration velocity 图7 模拟振速拟合图 Fig. 7 Fitting curve of simulated vibration velocity 通过观察上面得出的模拟振速图与拟合图像， 并对比现场得出的数据， 隧道爆破最大振速出现在 Z向， 并得出各观测点的模拟振速峰值与实际振速 峰值的误差， 见表5。对比表4与表5， 发现模拟数 据的振速误差比萨道夫斯基公式反推出的振速误差 小， 说明模拟的结果更加与现场试验相符。由于现 场岩层较复杂， 地震波传播得介质为不同岩层， 模拟 不能实现完全的相似， 导致模拟振速峰值较现场振 速峰值大。 表5 各位置振速误差 Table 5 Vibration velocity error at each position 位置 距离／ m 实际振速／ （ms -1） 模拟振速／ （ms -1） 误差／ （ms -1） Ⅰ监测点18. 147. 187. 620. 44 Ⅱ监测点17. 238. 589. 040. 46 Ⅲ监测点15. 2622. 3123. 531. 22 4 结论 通过分析现场试验结果并对比研究数值模拟和 萨道夫斯基公式得出的结果， 得出如下结论 （1） 对比各位置质点振速发现， 地下爆破振动 速度较地表速度要小， 大约是地面振速的50％到 64％。并且爆破最大振速出现在垂直方向，Ⅰ监测 点的速度小于Ⅲ监测点， 振速发生衰减。 27爆 破 2018年9月 万方数据 （2） 通过将萨道夫斯基公式反推出的振速峰值 与数值模拟得到的振速峰值发现， 将模拟结果与实 际对比发现， 模拟结果与实际更加接近， 萨道夫斯基 公式反推结果误差较大， 所以数值模拟得出的数据 对现场更具有指导作用。 （3） 由于试验采用封闭爆破来代替真实的地铁 隧道掘进爆破， 所以测得的爆破振动速度是实际爆 破中地震最严重情况， 计算结果偏于安全， 可以实现 对爆破振动响应的的预测。 参考文献（References） [1] 傅洪贤， 赵 勇， 谢晋水， 等.隧道爆破近区爆破振动 测试研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（2） 335- 340. 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