地铁隧道爆破参数优化及其振动效应研究

地铁隧道爆破参数优化及其振动效应研究

管颖慧

中铁十一局集团第一工程有限公司湖北襄阳441000

摘要：随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的进步。国内外的地铁隧道开挖施工，多采用爆破作为主要的施工方法。然而爆破荷载产生的动力冲击作用，对地铁隧道围岩应力分布、内部支护结构性能以及地表建（构）筑物安全等造成不同程度的影响，容易造成地铁隧道塌方、支护结构受损以及地表建（构）筑物破坏等危害。目前国内外学者对于地铁隧道爆破的研究主要集中在地铁隧道爆破参数优化及地震波传播规律研究。对于地铁隧道爆破参数优化的研究，主要是通过改变掏槽形式、控制最大单响药量以及选择合理的毫秒延期时间等方法来减少地铁隧道爆破产生的地震波能量，达到降低爆破振动危害的目的。而对于爆破地震波的传播规律方面的研究，主要是通过现场监测和分析爆破振动信号，从质点峰值振动速度和主振频率上探讨地铁隧道爆破振动的传播规律，进而提出相应的安全判据和减振措施。以贵阳市轨道交通2号线地铁隧道爆破开挖工程为研究背景，通过对地铁隧道下穿民房段爆破开挖及其振动监测，研究地铁隧道爆破对地表建（构）筑物的影响，并对该段地铁隧道爆破施工参数进行了优化。

关键词：地铁隧道；爆破参数优化；振动效应研究

引言

某地铁隧道部分区间采用爆破法开挖，由于地铁隧道周边民房较多，对于控制质点峰值振动速度提出很高的要求。采用分台阶爆破施工方法进行地铁隧道开挖，上台阶超前于下台阶3～5m。选择炮孔直径40mm，炮孔深度1．5～1．7m，地铁隧道爆破每循环进尺控制在1．2m以内，孔内采用1～15段毫秒延期导爆管雷管进行起爆。通过合理布置测点进行了现场爆破振动监测，拟合出了考虑高程差条件下的振动速度预测公式。爆破振动监测结果表明：斜井地铁隧道爆破振动的水平径向峰值振动速度最大，而垂直方向的主频频率大于水平方向，且主频范围集中在20～60Hz之间，远远小于建筑物的自振频率。爆破振动存在放大作用，但其质点峰值振动速度均小于民房振速安全阈值（1．5cm/s），不会对斜井地铁隧道上方的民房造成振动破坏。提出复式小楔形掏槽结构代替原有的大楔形掏槽结构，能够有效减弱岩体的夹制作用，达到降低爆破振动的要求。

1对既有地铁隧道爆破时的振速监测

1.1爆破时监测仪器的选择

本次所选择的监测仪器为UBOX-5016爆破振动智能检测仪及相应的配套垂直、水平速度传感器。该项设备与传统系统相比，其最大的优点便是省去了现场测量这一步，于一定程度上简化了工作程序。同时，其自身带有电池，可于不依赖现场交流电的情况下，正常化工作。此外，在计算机大批量数据处理的帮助下，可快捷、高效地完成相应的数据处理，有效提高了工作的效率。

1.2爆破监测的实际内容

采用目前较为普遍应用的，通过对质点振动速度的测量与分析，来对爆破的地震波强度数据进行合理化的采用。具体说来，便是于每一测试点测试三个分量，三个分量中包括一个竖直分量和两个水平分量。

1.3爆破监测点的布置情况

综合了各方面因素后，我们将监测点设置在最靠近爆破中心的位置，于既有地铁隧道内每间隔60cm处布置一个监测点，并与新建地铁隧道掌子面处另外又设置了1组监测点。同时，还设置了3个传感器，分别设置在避车洞内的墙中、墙下、既有地铁隧道衬砌爆破的侧边墙处，方向则设为切向、径向、垂直这三种不同的方向。通过传感器将数据传送到外部的计算机上，这样便可对于监控的数据进行适时的、更为精确化的分析。在确定好位置后，进行安装时要格外的仔细，尽量将各监测所用的设备安放到位，以确保监测数据的准确性。

1.4爆破时振速的监测

为确保爆破时振速监测的准确性、合理性，我们安排了专人来负责完成每次爆破振速的监测工作，并根据相关的数据来分析监测的结果，实时地、动态地来调整爆破的参数及爆破的尺度。为了能够精准地监测到既有地铁隧道的爆破振速，确保既有地铁隧道的安全运营，我们于既有地铁隧道侧边墙及新建地铁隧道掌子面的同一断面处另增设了一组测点。同时指出，随同测点一同安装的传感器设备需要随同新建地铁隧道掌子面不断挖掘前行，并且不断地向前进行移动。在这一过程中，相关的工作人员应注意人身安全。为了确保人员与交通运营安全，这一组监测点在同围岩级别下监测30m范围后可相应取消。可以用其他监测点的有效范围内的振速来代替该组测点下所监测到的振速值。具体的相关数据值在此处就不一一列举了。

1.5振速监测结果的分析

通过相关数据我们分析得出：于新建地铁隧道的挖掘过程中所进行的爆破，其对于既有地铁隧道所产生的震动是于露天下环境下爆破所产生的震动程度完全不同的。并且我们通过不同位置传感器所传数据可以看出，爆破对于既有地铁隧道内墙体的不同位置所产生的振动速度各不相同；同时，我们还看到不同部位下的既有地铁隧道，因其结构的各不相同，所产生的振速也不尽相同。通过数据的分析我们得出，震动的最大值产生于掏槽眼部位，因此我们于实际的施工建设中，对于掏槽眼部位的施工方式应加以优化与改进，以起到降低爆破振动的作用。

2复线地铁隧道施工爆破对于既有地铁隧道所造成的影响

通过将理论数据与实际现场施工情况相结合后，我们将复线地铁隧道施工爆破对于既有地铁隧道影响的因素归纳、总结为以下几种，即爆破源的特性、所处地质条件、地铁隧道自身的特征这三大方面。这几类因素的成因较为复杂，由此普遍认为对于其的研究困难程度相对而言较大。

2.1爆破源特性对于既有地铁隧道的影响

地铁隧道的建设是离不开爆破的，因此我们认为从炸药的选择、安装的方法到起爆的方法、爆破参数的设计等关系是十分密切的；同时，我们也将这四种因素统称为爆破源特性。在经过大量数据的分析与实践后，不同当量的爆破，其所产生的波长、作用的时间、频率等都各不相同，有着各自的特点。由此我们说，当所处岩体相同时，采用不同当量的爆破源，最终对于岩体所产生的效果是不同的，应根据具体情况来选择适合的爆破当量。另外，爆破的方式不同，振速与药量的关系数也不尽相同。通过对于数据的统计、计算分析后我们发现：不同爆破方式下，振速有时与药量的立方成正比，有时与药量的平方根成正比。同时，我们还发现：不同的起爆顺序、爆破孔的布控方式等，最终产生的爆破效果都是不同的。

2.2所处地质条件对于既有地铁隧道的影响

在大量的施工实践后，大家普遍性地认为：地铁隧道建设中的地质条件对于爆破所产生的影响程度有着至关重要的作用。大致来分，地质条件的影响主要体现在地质材料与地质构造这两方面上。地质特点的不同，一定程度上决定了所建地铁隧道的稳定度与强度；另一方面，复线地铁隧道与既有地铁隧道之间的地质层构造对于爆破应力波的传播将产生较大的影响力。因此我们说，在对复线地铁隧道进行爆破施工时，对于地铁隧道所处地质层结构、地质材料的考虑是非常必要的，其是我们爆破施工建设中不可忽略的考虑因素之一。

结语

在当代，为了方便人们的出行，跟上经济建设发展的脚步，交通基础设施的大范围、扩大化建设是势在必行的。在这一建设的过程中，地铁隧道的改扩建施工也是必然化的。当然，我们在建设的过程中，应该以科学的、更为现代化的手段来完成复线地铁隧道的施工建设，注意爆破对于既有地铁隧道的影响情况，通过计算、振速测定的方式更加合理化地规划、设计地铁隧道的施工建设，在确保人员安全、运营正常的情况下，更快、更好地来完成复线地铁隧道的施工建设。

参考文献：

[1]潘晓马，张成满，温向东，王慨慷.新建地铁隧道施工对邻近既有地铁隧道安全性影响数值分析[J].铁道建筑技术.2002（01）

[2]朱传云，喻胜春，易长平.爆炸荷载作用下中隔墩应力场的影响因素分析[J].岩土力学.2001（01）