隧道下穿建筑物爆破振动衰减规律研究
Abstract： The blasting construction of Aobaogou tunnel under buildings in Bazhun Railway is taken as the background， BR-Mini software is used to calculate and analyze the blasting vibration data. The model of blasting vibration attenuation law is obtained， and it is successfully applied to the engineering practice of blasting vibration control in the exit section of the tunnel. By the analysis of blasting vibration power spectrum， it is proved that the vibration power spectrum is the main factor that influences the attenuation law of blasting vibration， which provides theoretical and practical reference for the rational design of tunnel blasting.
Key words： blasting vibration；attenuation law；study；tunnel
中图分类号：U455.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）20-0081-03
0 引言
在隧道掘进爆破作业施工过程中，伴随着爆炸能量的急剧释放并产生爆破地震波。虽然爆破地震波能量有限，但严重时也会引起传播路径上介质质点的强烈振动，甚至导致邻近建筑物损坏倒塌、边坡滑动以及隧道围岩开裂、冒顶、塌方等问题。因此，分析围岩在爆破地震波作用下的损伤范围并对爆破振动进行必要的控制是隧道工程施工亟待解决的问题。解决爆破振动对环境安全的影响，其振动特性主要表现为围岩振动速度的传播衰减规律。目前对爆破振动传播衰减规律的研究多采用现场实测或数值模拟的方法，由于爆破作用的瞬时性，而且受地形条件复杂、测点布置困难等因素影响，都会使现场实测方法有一定局限性，而相对而言，数值模拟的方法对准确了解围岩各部位的振动特征具有一定优势。
本文对敖包沟隧道下穿建筑物施工爆破地震波的传播进行了测试，并基于萨道夫斯基的经验公式，采用BR-Mini软件对现场获取的爆破振动的测试数据进行处理拟合，得出新的振动衰减规律公式，进而计算出该地质条件下，爆破振速满足规范时爆破作业的最大段装药量大小，以指导和反馈爆破设计，解决隧道振动量过大的及保护邻近建筑物安全的问题。
1 理论依据
1.1 计算原理
国内外大量测试结果表明，在一定的爆破方式和传播介质条件下，药量和测点到爆源的距离对地震动的影响是主要因素，局部地质和土质条件的影响也很明显。为了研究各影响因素与爆破振动强度之间的关系，需对其进行量化拟合分析。目前国内外比较认可的预测爆破振动强度经验公式是萨道夫斯基的经验公式。我国长期以来在爆破振动安全距离与质点振动计算方面也采用该公式，并且己编入《爆破安全规程》（GB6722-2011），并利用最小二乘法对萨道夫斯基经验公式进行修正，其公式是：
V=K?（Qβ/R）α （1）
式中：V――爆破地震对建筑物或构筑物产生的质点垂直振动速度，cm/s；Q――炸药量，齐发爆破时取总装药量，延期爆破时取最大一段装药量，kg；R――从爆破地点药量分布的几何中心至观测点或被保护对象的水平距离，m；β――为药包形状系数，一般取1/3；α――爆破地震随距离衰减系数；K――与地形、地质、爆破方式有关的系数。其中K、α可按爆区不同岩性选取，坚硬岩K取50～150，α取1.3～1.5；中硬岩K取150～250，α取1.5～1.8；软岩K取250～350，α取1.8～2.0。
1.2 爆破振动测试原理及仪器
本例中监测选用BR-6722（爆破）振动记录仪。该仪器依据国内现行《爆破安全规程》标准设计，数据记录功能为连续模式，可同时显示物理量、主频及记录发生时刻。数据处理采用仪器自带BR-Mini爆破振动分析处理软件，按照萨道夫斯基回归理论，有效分析实测三通道及其合成量的振动速度幅值及频率数据，并对选择适宜的爆破方式和药量起指导作用，以达到最佳爆破效果。
BR-6722（爆破）振动记录仪测试原理及过程见图1。
2 工程实例
2.1 工程概况
巴准铁路敖包沟隧道全长3180m，双线铁路隧道，隧道在D1K34+592～D1K34+658段连续穿越敖家沟西梁煤矿职工宿舍、职工食堂及变电站，洞顶覆土约20m，主要为砂质泥岩、砂质黄土，强风化，围岩强度低，稳定性差。为了减少爆破振动对地表构筑物及围岩的扰动，隧道掘进采用上下断面微台阶预裂爆破施工，每循环进尺0.8m，钻孔深度1.0m。爆破设计采用对称楔形6孔掏槽，掏槽孔间距50cm，周边孔间距为40cm，最小抵抗线为60cm，采用间隔装药，其余炮孔采用直径？准35mm标准药卷连续装药，不偶合系数（D）1.5，装药集中度0.07～0.2（kg/m）。 2.2 爆破振动测试方案
2.2.1 测点布置原则
先在隧道其它施工地段对当前爆破设计下的振动影响进行试验检测，初步总结爆破振动传递规律；下穿建筑物区段隧道施工时，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。爆破振动监测测点主要分布在隧道中线处地表、建筑物地基上，按每5m一个断面布设，并根据现场情况适度调整。
2.2.2 测试内容
在隧道出口段自上台阶D1K34+665里程始，同步隧道施工采集每次爆破施工的振动速度。振动速度测试时，首先在隧道中线处地表进行垂向、径向、切向爆破振动监测，以确定测试到最大爆破振动速度。然后在垂直隧道中线距离约10～40m处地表布设垂直速度传感器2，测试相同爆破作业条件下不同距离的爆破振动特征。
2.3 数据处理
爆破振动记录仪通过四个通道将传感器采集到的速度信号记录在仪器内存中，保存的数据通过软件BR-Mini软件对数据读取，并计算其特征参数，进行波形分析、频率分析。见图2。
3 隧道下穿建筑物爆破振动规律研究
3.1 振动速度分析
3.1.1 爆破振动速度规律分析
为了充分掌握爆破振动影响范围，准确判定爆破振动速度与爆心距之间的关系，在敖包沟隧道下穿建筑物施工过程中，对爆破引起的振动进行跟踪监测，采集到21组有效爆破振动数据，爆破振动引起的地表振动最大速度规律见图3。同一爆破条件不同距离的垂向振动速度规律见图4。
从图3可看出，隧道下穿建筑物施工时，爆破振动速度在地表有水平纵向、水平切向、垂直地表三个方向都有不同程度的振动。对于同一次爆破，水平纵向和水平切向的速度峰值都较垂直速度峰值要小。另外，对照隧道进口测试里程D1K31+615、D1K31+640的测点地表振动速度值，可以看出，虽然进口区段同样采用分段装药毫秒延迟爆破，因其最大段药量、爆心距与下穿建筑物时相比较差别较大，导致地表振动速度都要比下穿建筑物施工区段大得多。
图4可看出，爆破振动引起的垂向速度峰值随着爆心距的距离不断变化，总体规律为爆心距越大，垂向振动速度越小。
3.1.2 爆破振动速度回归分析
采用公式（1）对测出的数据进行回归分析可以得出公式中的参数，用来指导爆破参数的设计和优化，控制爆破振动速度。通过BR测振仪的配套软件BR-Mini软件对部分实测数据回归拟合计算，得到BR-Mini软件拟合曲线见图5。
由拟合结果得到K、α的值为：K=150.3；α=1.52
因此，预测适用于敖包沟隧道下穿建筑物施工的爆破振动速度公式为：
V=150.3■■（2）
根据最大段装药量Q和爆源到测点的距离R，代入公式（2），就能预测对应测点的质点振动速度。
3.1.3 振速预测
由BR-Mini软件可以直接得到振速预测曲线及阈值。
①当距离不变（R=23m），装药量变化时，质点振动速度与装药量的关系，即振速预测曲线见图6。
依据《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，其爆破振动速率控制应在3.0cm/s以下。由图6可见，当距离为23m时，若要使质点振动速度控制在3cm/s以下，其最大段装药量必须控制在约5.4kg以下。
②当装药量不变（Q=7.2kg），距离变化时，质点振动速度与装药量的关系，即振速预测曲线见图7。
由图7可见，当药量为7.2kg时，若要使质点振动速度控制在3cm/s以下，其爆源到测点的距离必须在25m以上。
3.1.4 工程验证
隧道下穿建筑物区段施工过程中，按照预测公式指导控制各里程段爆破设计施工。经统计，最大爆破振动速度实测值为2.993cm/s，满足规范规定安全评估要求；对下穿区段建筑物基础、地表进行沉降观测数据分析，沉降趋于收敛，隧道围岩拱部结构也未出现较大变形；建筑物、地表原有裂缝均未出现明显扩大等异常情况，这说明隧道爆破振动预测以及相应隧道下穿建筑物所采取的施工措施是适应和有效的。
3.2 功率谱分析
功率谱密度实际上就是将原来对时间域的振动描述转化为对频率域的振动描述。通过从功率谱密度中读出具有不同固有频率的振动激扰所含振动能量的平均密度分析，可以避免或改进振动激扰，以减小振动破坏。
3.2.1 振动频率特性分析
由BR-Mini软件可直接进行功率谱分析见图8。结果表明，敖包沟隧道下穿建筑施工爆破振动频率范围在10～150Hz之间。可以看出，分段装药毫秒延迟爆破振动频率主要集中在15～80Hz频段，功率谱图表现复杂，功率不集中。这说明在隧道爆破施工中，采用分段延长爆破产生振动频率因受到多段药包爆破的相互影响，导致振动功率相对分散，一定程度也减少了与邻近建筑物发生共振的几率。
3.2.2 主振频率分析
爆破振动产生的振动波在不同的介质中传播时会发生衰减，不同的围岩条件，到达地表的振动波也就有不同的主振频率。在通常情况下，岩石对高频振动波的衰减作用要大于对低频振动波的衰减。当振动波的主频与地表结构物的自振频率接近时，振动波就会激发结构物发生共振，从而引起结构物的强烈振动并发生破坏。图9显示了隧道下穿建筑物施工时爆破振动的主频分布。
图9可看出，敖包沟隧道爆破施工振动主振频率主要为10～50Hz，所占比例为69%，100Hz以上频率所占比例仅有7%，这说明爆破地震波对自振频率在10～50Hz范围内的结构物影响最为强烈，此隧道爆破振动引起的主振频率主要集中在低中频段。研究发现，一般建筑物和构筑物的振动频率较低，多为几赫兹到几十赫兹，因此，施工中需要对此类结构物加强监测，采取必要措施消除可能出现的安全隐患。
4 结论
①利用萨道夫斯基经验公式进行隧道爆破振动速度预测并指导具体施工是非常有效的。但由于此经验公式主要适用于集中药包、标准抛掷爆破条件下振动速度的推导，影响因素有药量、爆心距、与地质条件、爆破方法、地形条件有关的相关系数和衰减系数4个参数，涉及的参数有限，受爆破的具体情况影响容易产生差别，进而推导数据与实测数据出现较大误差，因此在具体运用中需注意选择必要的修正。②虽然大家已经认识到频率在爆破振动危害中的重要作用，但目前在爆破振动衰减规律的预测研究中对于频率的研究相对较少。因此，进一步对爆破振动频率进行理论分析及预测研究将对推动爆破技术的广泛应用具有重要意义。
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