隧道掘进爆破的损伤机理与振动危害_杨小林
近接文保区隧道施工爆破振动分析
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—基金项目:国家重点研发计划资助项目（2018YFC1504901）；中铁
科研院（科研）字2017-KJ008-Z008-03；中铁九局集
团有限公司大连分公司科技开发项目（KJ-2021-01）。作者简介:杨之光（1984-），男，辽宁大连人，高级工程师，主要从事铁路、公路工程项目管理工作；丁鸿程（通讯作者）（1995-），男，甘肃临夏人，硕士研究生，主要从事岩土
与隧道工程研究。
0引言
隧道爆破掘进时产生的爆炸冲击波和爆破振动在所难免地会对周围物体造成损伤甚至是严重破坏[1]。关于隧道爆破振动的响应规律，国内外众多学者研究的方法主要有经验公式法[2-3]、工程现场监测与数值模拟等方法[4-5]。针对近接文保区隧道爆破施工，研究爆破振动作用下影响建筑物稳定的因素以及安全响应能量判据，对于隧道控制爆破设计具有重大的意义。
1爆破振动理论炸药爆炸，除了破碎岩体外，还有大量的爆破能量以应力波和弹性波的形式向更大范围的岩土体中辐射扩散，引起爆破点外围岩土体的振动。爆破冲击波和高温高压膨胀气体共同作用的爆破碎岩理论认为，爆炸发生瞬间形成的爆轰波和高温高压的爆轰产物冲击会压缩爆源周围介质，使其发生挤压变形、破坏、运动和抛掷。
2爆破振动作用下影响建筑物稳定的因素2.1建筑物所处的场地特性及地貌特征
场地土与地貌特征直接影响爆破振动时周围土体对建筑物基础损害的大小以及破坏形式。隧道爆破场地的岩
土体越坚硬，爆破地震波的振动幅值就相对较低，且地震波的主振频率会相对较高，其持续振动时间较小。场地的岩土体风化程度不同会影响自振周期，在爆破过程中的振动会引起场地自振并会迭加在爆破振动中，使相应频率振动成分的幅值增加，从而加重建筑物破坏。
隧道工程掘进爆破影响因素及参数优化的研究
隧道工程掘进爆破影响因素及参数优化的研究
摘要】在隧道掘进爆破时，为避免盲目施工引发事故，对爆破参数进行优化设计是十分必要的。本文分析隧道掘进爆破的影响因素，通过结合某隧道掘进爆破工程，对其爆破参数的优化设计。实践证明，该工程的施工进度和经济效益具有显著提高。
【关键词】隧道爆破；影响因素；参数优化
引言
近年来，随着城市基础设施建设快速发展，各类隧道项目也在迅速增加。爆破技术因其灵活、方便、快捷的优点而被广泛应用于隧道开挖中。由于隧道掘进爆破的影响因素多，因此要获得好的掘进爆破效果和质量，以保证隧道修建的安全、质量、成本和工期，就必须进行隧道掘进爆破参数的优化设计。
1 隧道掘进爆破的影响因素
(1)临空面：临空面起到反射拉应力波和聚能作用。因此，临空面的大小和数目对爆破效果有着明显影响。当临空面只有1个时，爆破作用受到岩石夹制作用大，爆破困难，单位岩石耗药量增大。因此，施工中临空面只有1个时，要人为创造临空面，以改善爆破效果。例如采用合适的掏槽方式和微差起爆技术。
(2)掏槽孔形式：根据隧道断面、岩石性质和地质构造条件，掏槽孔的排列形式种类繁多，归纳起来有倾斜孔掏槽、平行空孔直线掏槽和混合掏槽3种。倾斜孔掏槽分为单向掏槽、锥形掏槽、楔形掏槽。平行空孔直线掏槽分为龟裂掏槽、桶形掏槽、螺旋形掏槽。混合掏槽是倾斜孔掏槽和平行空孔直线掏槽。倾斜孔掏槽对于大断面较适用，不受地质条件的影响；直孔掏槽对于大小断面均适用，小断面更优，韧性岩层不适用。
(3)布孔方式：布孔方式一般为方形、矩形及三角形(或称梅花形)3种。从能量均匀分布的观点看，以等边三角形布孔最为理想。孔浅时孔排距取较小值，孔深时取较大值。如果孔深较浅，而孔排距较大，那么在保证装药量的情况下，堵塞长度不能保证。孔深大，其孔排距也不能取值过大，必须在一个合理的范围内，过大的孔排距会造成大块率高，掘进效率降低。
岩石爆破损伤机理及对围岩损伤作用(杨小林著)思维导图
邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究
doi: 10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.046
邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究
严 伟 1，费 虎2，杨侨伟2
（1. 四川公路桥梁建设集团有限公司公路三分公司，四川 成都 610200；2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点
实验室，四川 成都 610031）
摘要：为探明火凤山隧道加宽段爆破开挖对邻近建筑和先行洞的影响，本文通过有限差分软件FLAC 3D 对火凤山隧道左线20m 加宽段进行爆破模拟计算，研究了爆破振动在工程区的传播规律、爆破对小净距隧道影响以及爆破对地表建筑的影响。
关键词：道路工程；爆破振动；数值模拟；峰值振动速度；隧道 中图分类号：U455.6
文献标识码：A
文章编号：1673-6478（2023）04-0222-06
Study on Influence Law of Blasting Vibration of Urban Tunnel Adjacent to Building
YAN Wei 1, FEI Hu 2, YANG Qiaowei 2
(1. Sichuan Road & Bridge(Group)Co., Ltd., Highway Third Branch, Chengdu Sichuan 610200, China; 2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education, Southwest Jiaotong University,
隧道爆破施工对邻近既有隧道振动影响的研究
隧道爆破施工对邻近既有隧道振动影响的研究
摘要：结合大连某地隧道爆破施工工程,采用迈达斯动力数值模拟方法及经验公式,研究钻爆法施工产生的振动对既有铁路隧道的影响。通过数值模拟探讨了经验公式的可靠性，结果表明数值模拟与经验公式所得规律有较好的一致性,且经验公式更保守，证明了采用经验公式研究隧道工程爆破振动影响的可行性和正确性。
引言
随着我国地铁隧道建设的高速发展,出现了越来越多的新建隧道靠近既有建物、小净距平
行隧道、上下交叉隧道等形式的地下近接工程[1]。在采用钻爆法施工的近接隧道工程中,要求在新建隧道临近既有隧道施工时,除了要保证新建隧道的工程质量和进度外,还必须减少或消
除对既有隧道的影响,确保施工区周围人员和既有隧道的安全。目前,对靠近既有建筑物和小
净距隧道等近接工程的爆破振动问题已有研究[2-6],但对爆破引起震动的经验公式与数值模拟
之间误差的研究较少，因此,本文结合大连某地隧道工程,采用数值模拟和经验公式对比方法
对爆破荷载作用下的振动响应进行研究。
工程概况
该两条隧道直径均为7.6m，两条并行。衬砌C20混凝土厚度55 cm。
引水隧洞与铁路隧道净距小于2D，隧道间距10m。隧道在地下27m处。另一隧洞的爆
破施工对铁路主干线上处于运营中隧道的动力影响及对策是亟需解决的问题。
根据隧道设计参数和工程地质资料，建立数值模型。模型主要包括岩层单元、衬砌单元。通常网格尺寸应小于输入波动卓越频率下波长的1/10～1/8。模型中地层具有最低的剪切波
速Cs=186m/s, 输入地震动的最大频率为5Hz。因此，单元最大尺寸应该为3.78～4.60 m。模
隧道岩巷掘进爆破技术分析
隧道岩巷掘进爆破技术分析
摘要:地下隧道岩巷掘进爆破施工存在少打眼、乱打眼、多装药、爆破参数不合理的现象,造成炮眼利用率低,爆破效果差,不积极效果多。因此,如何改善爆破效果、提高掘进效率、保证巷道成形质量,仍是岩巷掘进爆破工作中应解决的主要课题。
关键词：隧道岩巷掘进爆破技术
中图分类号：e932.4文献标识码：a文章编号：
1 爆破原理
炸药在一定的外界作用下发生爆炸，同时释放热量并形成高热气体。施工中就是利用炸药的这种性质来达到工程建设的需要。当然，如果炸药使用不当，伴随爆炸产生的地震波、空气冲击波、飞石和噪声等就会造成预想不到的后果，达不到施工预期的目的和要求。为此，在爆破作业过程中，必须需对炸药特性、爆破布置认真了解和掌握，按照爆破的有关技术操作规程，确保必要的安全距离和采取相应的安全技术措施，以期达到好的爆破效果。
2 钻爆设计
2.1钻爆设计方
总的设计思想是周边采用光面爆破,核心采用控制爆破，掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破技术。根据开挖方法分别采用半断面及全断面两种爆破方式，采用非电毫秒雷管爆破网路。为减轻爆破对围岩的扰动，开挖断面采用多段位非电雷管进行网路设计。
根据本项目围岩特点，采用直眼掏槽、斜眼掏槽混合使用。眼深小于2m时采用斜眼掏槽。在风化、破碎较严重的地质条件下，宜采用光面爆破或轮廓线钻眼法，或者预留光面层光面爆破开挖修边法。
2.2底板眼钻爆要求
①将底板眼分成几段分开起爆，这样能减少底板眼同段起爆，共同作用的炸药量，改变了底板眼抵抗线的方向，实际上缩小了底板眼的抵抗线，从而可以减小底板眼爆破产生的地震强度。
隧道掘进机(TBM)掘进隧道岩爆机理及预防措施
120
总499期
2019年第13期（5月 上）
0 引言
高桥隧比是近些年特别是贵州高速公路的特点，特长高埋深隧道也越来越多，特长隧道TBM 工厂化施工是未来的方向，高埋隧道，岩爆是隧道施工不可回避的技术难题，贵州宏观区域地质与作者参建的巴基斯坦N-J 工程类似，通过N-J 工程TBM 施工隧道在岩爆预防和处理的一些经验结合岩爆发生机理和地质岩土力学原理予以论述。
1 岩爆简介
1.1 岩爆
岩爆是岩体中聚集的高弹性应变能[1]
，因开挖而形成的一种强烈瞬时的应力释放现象，是岩体内部由于地质运动储存的能量达到一定极限值，在隧道开挖后地应力释放力大于岩石所承受的极限力学破坏强度时产生岩石破坏向开挖临空薄弱面释放的现象。1.2 岩爆发生条件
岩体地下的不同埋深周围地应力场是变化的，当地应力小于岩石所承受的极限力学强度时，即岩石的原始应力状态。若原始应力状态下的岩石有了临空面，地应力产生释放重分布，地应力大于岩石所承受的极限力学强度时产生岩石破坏，在临空面表现出来的就是岩爆。岩石的岩性及其地质构造构成了岩爆发生的主要原因，完整坚硬的岩体就易发生岩爆，因为这类岩体弹性模量高，能够集聚很大的弹性变形能，一有临空面，弹性变形能就会突然释放，形成岩爆。TBM 隧道掘进破岩机理有别于钻爆法，TBM 开挖对围岩的破坏小，有利于保证围岩的整体性，但在岩爆高发区，由于岩体内部储存的能量没有释放，增加了岩爆的几率，钻爆法在爆破过程中破坏完整围岩，呈现较多裂隙有利于储存在岩体里的应力释放，坚硬而完整的砂岩是发生时发生岩爆的先决条件，砂岩具有储能性，地应力储存在岩石中的能量超过岩石的承载能力而又有能量
结合实例论新建隧道爆破震动对既有隧道影响研究
结合实例论新建隧道爆破震动对既有隧道影响研究
作者：陈永志
来源：《中国新技术新产品》2011年第08期
摘要：本文结合在建中的某隧道，采用MIDAS／GTS软件进行数值模拟的方法，对后修建隧道爆破开挖对既有隧道的振动影响进行了数值分析，提出合理的爆破减振和安全防护措施。
关键词：隧道；爆破；振速计算；数值分析
中图分类号：U455.6 文献标识码：A
1爆破荷载的确定
采用有限元法分析爆破震动影响的一项关键工作是建立爆破加载模型，这包括确定爆破激振力的大小、作用位置和方向、峰值时刻和持续时间等方面的内容。关于地下洞室爆破冲击荷载的确定，至今尚无一种完善的方法和理论。一般认为，岩土介质内任意一点的爆炸压缩波多呈三角形荷载形式，其超压在经过峰值以后都急剧衰减，而按卸载波传播，此时，与静载加压的情况不同，原先已被压实的岩土体又将产生回弹膨胀现象。所以将爆炸波简化成三角形波是比较符合实际情况的，对于进行爆破震动的数值分析，这种方法是比较实用和合理的方法，已被广泛采用。
根据文献[2]的分析，对于V类围岩取Pmax=10 MPa，以此可以进行线性插值，推算出Ⅲ类和Ⅳ类围岩的初始波峰压力值，如表1。
2计算参数的选取
2.1 围岩及隧道支护结构计算参数
计算中将围岩和既有隧道衬砌视为紧密相联的整体，采用共同变形理论。由于爆破施工多在硬岩中进行，所以本次计算主要考虑Ⅲ类和Ⅳ类围岩的情况，围岩力学参数参照《隧规》表A04-1选用。
在冲击荷载作用下，混凝土的极限强度和弹性模量将会与静载情况有所不同。20世纪50年代，日本野王等人发现，混凝土材料在冲击荷载作用下，极限抗压强度和弹性模量均随加载时间的缩短而增大，当荷载作用时间从100s减至0．03 s时，强度和弹性模量分别提高
隧道爆破对地表建筑物的危害及防治
隧道爆破对地表建筑物的危害及防治
1.1 爆破地震波产生阶段影响因素分析
1.1.1 炸药的影响炸药的影响包括炸药种类的影响和炸药量的影响。目前业界的大部分专家学者认为炸药种类不同对爆破地震波影响也不同。实验表明：作为炸药重要性能参数之一的爆轰压力对爆破震动大小和频率有影响，炸药的爆轰压力上升时间越短，爆破震动越大，爆破震动波的频率也越高。从炸药的波阻抗方面讲，如果炸药的波阻抗与岩石、土的波阻抗相近的情况下，爆破损失的能量少，炸药的能量传递的效果良好，爆破的震动效果就降低；反之爆破损失能量大，而损失的能量会增强爆破的震动。
1.1.2 段数的影响段数的影响主要体现在降震效果和延长爆破地震波作用时间。研究表明分段装药比不分段装药的降震效果好30%-50%。随
着炸药的段数增加，地震波的主震相会相应的降低，但是地震波的作用时间会增长，所以段数也不是越多越好。合理的装药段数，既能减少爆破作用时间又能降低爆破地震波的主震相，因此可以有效的降低震动效应。
1.1.3 装药结构形式的影响
这里主要分析耦合装药和不耦合装药的装药结构形式。试验表明：在一定岩石和炸药条件下，采用不耦合装药（或空气柱间隔装
药），可以增加用于破碎或抛掷岩石的爆破能量，提高炸药能量的有效利用率，降低药量使用。与亲合装药相比它降低质点振动速度峰值，降低了爆破震动的效果。
1.1.4 起爆方案的影响岩土爆破作业中有很多爆破方式（定向爆破、预裂、光面爆破、微差爆破、控制爆破等），不同的爆破方式对爆破地震波的产生有不同影响。通过研究发现当起爆方向线与保护目标垂直时，振动速度峰值最大，药包组成直线布置会加强垂直方向的地震波。对于毫秒级的微差爆破来说，延迟不同的时间间隔引起的爆破振动强度也不同。
隧道爆破振动危害和控制技术综述
隧道爆破振动危害和控制技术综述
发布时间：2021-08-19T11:49:21.210Z 来源：《建筑实践》2021年40卷4月（上）10期作者：唐叙量
[导读] 钻爆法因其技术成熟和施工成本低等优点，在隧道开挖工程中得到广泛的应用；但钻爆法本身具有致命的缺陷，即爆破产生的振动直接威胁着周围建(构)筑物结构的安全。
唐叙量
（重庆市设计院有限公司重庆 400015)
摘要：钻爆法因其技术成熟和施工成本低等优点，在隧道开挖工程中得到广泛的应用；但钻爆法本身具有致命的缺陷，即爆破产生的振动直接威胁着周围建(构)筑物结构的安全。同时，隧道在交通运输系统中类似于咽喉的作用，能保障隧道的安全施工等效于维护了人们的人身和财产安全。所以本文从钻爆法技术、隧道爆破危害、影响爆破振动强度因素等方面进行论述，分析和归纳出控制爆破振动的常见措施，为后续研究和实际工程提供参考。
关键词：钻爆法、振动危害、控制措施
Summary of Tunnel Blasting Vibration hazards and Control Technology
Xuliang Tang1, Qin Wang2*
(1.ChongQing Architectural Design Institute, ChongQing, 400015, PR China; 2.HuNan V ocational College of Electronic and Technology, ChangSha, 410220,PR China)
Abstract: The drilling and blasting method is widely used in tunnel excavation engineering due to its mature technology and low cost. However, the drilling and blasting method has a fatal flaw, that is, the vibration generated by blasting directly threatens the structure of surrounding buildings. At the same time, the tunnel has a very important position in the transportation system, and the safe construction of the tunnel is equivalent to the protection of people's personal and property safety. Therefore, this article discusses the drilling and blasting technology, tunnel blasting hazards, factors affecting the intensity of blasting vibration. Analyzes and summarizes common measures to control blasting vibration, and provides references for subsequent research and actual engineering.
探究隧道爆破振动控制的影响因素及方法
探究隧道爆破振动控制的影响因素及方法
摘要：随着我国经济发展越来越迅速，公路、水路、铁路等交通工具搭建成交
通运输网，随着新时代的进步和发展，人们对交通运输的需求在不断地上升，交
通变得越来越复杂。一些地区常常会出现隧道穿过既有铁路等情况。爆破是在隧
道施工过程中经常出现的一类情况，但与普通的隧道爆破有不同的地方，对既有
铁路下隧道爆破施工技术要求更高，各种隧道的建设也在不断的发展中。隧道施
工技术还是十分的专业的，需要技术人员掌握一定的专业知识并进行实际操作。
为了避免一定的危险，隧道施工对安全的影响主要是爆破振动进行控制的影响。
在施工前期，隧道的爆破振动易对周围的环境条件产生一定的影响。因此，对隧
道的爆破工作不能够怠慢。
关键词：隧道；铁路；爆破振动控制
一、对爆破振动控制造成影响的主要因素
1.1自由面选择的因素
自由面看字面意思其实很简单，它其实就是一个边界面。主要作用就是在爆
破的过程中能够进行有效的反射，因此，自由面的数目与面积的程度往往会对爆
破控制的效果造成一定的影响。研究表明，由于自由面具有聚能作用，因此，若
爆破过程中的自由面是单一化的，从而不利于爆破表现出一定的效果。同时，若
自由面的数量不是很少的话，则会导致炸药能量的释放，从而增加了爆破工程产
生一定的压力，同样会对爆破结果受到抑制作用。
1.2炸药的性能因素
爆破工程中主要的就是炸药在起作用，他是爆破工程的“带头人”。炸药的性
能对于爆破效果具有至关重要的影响。总的来说，炸药的性能有两个方面，一个
是爆炸的能力，另一个是粉碎的能力。在爆破过程中，应根据实际情况区别选取。其中，对于存在裂缝的岩体进行爆破时，施工人员应选择爆炸性能特别强的炸药，从而更好的进行控制对周围环境的破坏力，然而，针对坚硬度较高的岩体进行爆
矿山爆破震动与振动控制
矿山爆破产生的震动可能导致输电线 路、通讯设施、管道等出现断裂、损 坏，影响正常运营。
矿山爆破震动可能影响设施的稳定性 ，如矿井、隧道等，增加运营风险。
设备损坏
矿山爆破震动可能导致矿区内的采矿 设备、运输设备等出现故障、损坏， 影响生产效率。
03
CATALOGUE
矿山爆破震动控制技术
矿山爆破震动抑制技术
详细描述
矿山爆破震动是爆破过程中不可避免的现象，主要是由于炸 药爆炸后产生的能量以地震波的形式向周围介质传播，造成 周围地层的震动。这种震动具有传播速度快、传播距离远的 特点，对周围环境产生较大的影响。
矿山爆破震动的产生机制
总结词
矿山爆破震动的产生机制主要包括炸药爆炸后产生的爆轰波、爆轰气体产物对 周围介质的冲击以及爆轰产物在岩石中的膨胀作用等。
对人员安全的影响
人员伤亡
矿山爆破产生的震动可能 导致人员伤亡，尤其是距 离爆破点较近的区域。
心理影响
矿山爆破产生的震动可能 给周边居民带来恐慌、焦 虑等心理影响，影响生活 和工作。
健康问题
长期生活在矿山爆破震动 环境中可能对人员健康造 成影响，如出现头痛、失 眠等症状。
对设施设备的影响
设施损坏
设施稳定性
案例三：某矿山的爆破震动抑制技术研究
总结词：技术创新
详细描述：针对矿山爆破震动问题，某研究团队开展了一系列技术研究，开发出新型的爆破震动抑制 装置和材料，有效降低了爆破震动强度，提高了矿山开采的安全性。
爆破振动衰减规律-概述说明以及解释
爆破振动衰减规律-概述说明以及解释
1.引言
1.1 概述
引言是一篇文章中的开篇部分，旨在为读者提供对后续内容的整体了解。本文的主题是“爆破振动衰减规律”，通过对爆破振动产生原因、传播途径以及衰减规律的研究，来探讨影响爆破振动衰减的因素。
爆破振动是指由爆炸引起的地面振动现象。随着工业和建筑领域的发展，爆破振动对地下设施、建筑物以及周围环境的影响引起了广泛关注。因此，研究爆破振动衰减规律具有重要的理论和实践意义。
在本文中，我们将首先介绍爆破振动的产生原因。爆炸能量释放引起的振动主要有两个来源：爆炸气体的体积膨胀和爆炸物质的破碎。这些振动波通过传播介质（如地面、岩石或大气）传递，形成了爆破振动。
接下来，我们将探讨爆破振动的传播途径。爆破振动可以通过固体-固体、固体-液体和固体-气体界面传播。传播路径的选择受地下结构的性质、地下介质的特性以及传播距离的影响。了解传播途径对于有效减少爆破振动的影响至关重要。
最后，我们将介绍爆破振动衰减规律的研究意义以及影响其衰减的因
素。对于爆破振动衰减规律的深入研究，可以为工程实践提供指导，帮助减少爆破振动对周围环境的不良影响。影响爆破振动衰减的因素包括地下介质的性质、爆破参数的选择以及爆破源与观测点之间的距离等。
通过对以上内容的研究，我们希望能够全面理解爆破振动衰减规律，以促进相关领域的发展，保护地下设施和建筑物的安全，实现可持续发展目标。
（以上内容可根据需要进行适当调整和扩充）
1.2文章结构
文章结构：
本文主要分为引言、正文和结论三部分。具体结构如下：
1. 引言部分：引言部分主要概述文章要讨论的内容，并对文章进行一个简要的介绍。在这一部分中，需要包括以下几个方面的内容：
交叉隧洞爆破振动影响评价及减震对策研究
ｆ ｒ ｅ ａ ａ ｉ ｆｕｎ ｒ ｃ ｏ ｓｎｇ ｔ ｎｅ ｏ ｘｃ ｖ ｔｏｎ ｏ ｄｅ － ｒ ｓｉ ｕｎ ｌ
ＷＡＮＧ ｅ ｙ Ｚｈ ｎ ｕ，Ｌ ＡＮＧ Ｉ Ｘｕ，ＣＨＥＮＧ ｅｆ ｎ Ｗ ｉ ｇ ｅ
（ ｈ ｉ ｇＵ ｉ ｒｔ， ａ ｇｈｕ ３ ０５ ， ｈ ｉｎ ， ｈ ａ Ｚ ￣ａ ｎｖ ｓｙ Ｈ ｎｚｏ １０ ８ Ｚ ￣ ａｇ Ｃ ｉ ） ｎ ｅｉ ｎ
Ｋ，
ｖ ｌｅ ｆｔ ｅ ｂ ａ ｔ ｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｇ ｔｆ ｍ ｈ ｅ ｒ ｓｉｎ ａ ａｙ ｉ ｎ ｈ ｎ ａ ｐ ｉ ｄ ｔ ｈ ｌｓｉ ｇ ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｎ ｉ —ｉ ．Ｔ ｅ ａｕ ｓ ｏ ｌｓｉ ａ ａ ｔｒ ｏ ｏ ｔ ｅ ｒ ｇｅ ｓ ｎ ｌ ｓｓａ ｄ ｔｅ ｐ ｌ ｏ ｔ ｅ ｂ ａ ｔ ｏ ｓｒ ｃｉ ｎ ｓ ｕ ｈ ｈ ｎ ｒ ｏ ｅ ｎ ｏ ｔ
隧道工程爆破振动控制技术研究
隧道工程爆破振动控制技术研究
摘要：随着时代的不断发展，人们对交通运输的需求也逐渐上升，各种隧道的
建设也在紧锣密鼓地开展。隧道开挖施工涉及的工艺和相关的技术比较复杂，需
要专业技术人员进行操作。从安全因素来看，隧道开挖施工对环境安全的影响主
要是爆破振动影响和开挖引起的围岩应力重分布影响。在施工前期，隧道的爆破
振动易对周围环境产生影响。因此，对隧道的爆破工作不能够掉以轻心。
关键词：隧道工程；爆破振动；控制技术
引言
通过对爆破效果和对天然气管道的振动监测结果分析，说明该隧道调整优化
后的爆破方案是成功的。事实证明，只有从实践出发，通过应用各种监测手段，
获取大量信息，不断总结、优化，才能取得经济合理、安全可靠的爆破技术方案，也只有将可靠的方案应用于工程中，才能保证周围构造物的安全。
1工程概况
目前在建的某高速公路更地坡隧道，位于荔波县水春村北侧，左洞起讫桩号ZK58+083—ZK59+360，总长1277m，纵坡-0.558%；右洞起讫桩号YK58+077—
YK59+353，总长1276m，纵坡-0.5%。隧道右侧为运营中的中缅天然气管道隧道，其中右洞进口端中心线与天然气管道中心距141m，高于天然气管道25.5m；出口端中心线与天然气管道中心距171m，低于天然气管道18.9m；在YK58+787处，
二者高差为0，对应水平距离为175m。隧址区山体由石炭系下统大塘组（C1d）
灰岩、泥质灰岩岩体构成，岩体节理裂隙发育，岩石较破碎，隧道洞身围岩岩性
主要为：强～中风化的灰岩、泥质灰岩，围岩级别为Ⅳ、V级。
隧道掘进爆破振动对地表影响的小波包分析_费鸿禄
第３７卷 第１期爆炸与冲击Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１ ２０１７年１月ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ ＷＡＶＥＳ Ｊａｎ．，２０１７
ＤＯＩ：１０．１１８８３／１００１－１４５５（２０１７）０１－００７７－０７
隧道掘进爆破振动对地表影响的小波包分析＊
费鸿禄，曾翔宇，杨智广
（辽宁工程技术大学爆破技术研究院，辽宁阜新１２３０００）
摘要：基于现场实测隧道掘进爆破振动信号数据，采用小波包分析技术对振动信号进行小波包能量谱分
析，得到爆破振动信号能量在各频带上的分布。通过比较各点分析结果可以发现隧道掘进爆破地震波能量主
要集中在切向与径向。在沿隧道掘进方向随着与掌子面之间距离的增大地震波的主频下降，能量主要集中频
带也越来越窄，并且向低频带发展；而在垂向上地震波主频随着埋深的减小而减小，同时地震波的能量主要集
中频带也越来越窄并且向低频带发展。最后从能量的角度探讨隧道掘进爆破地震波沿各个方向的衰减规律。
关键词：爆炸力学；小波包分析；能量分布；地震波；爆破振动
中图分类号：Ｏ３８３ 国标学科代码：１３０３５ 文献标志码：Ａ
隧道（公路、铁路、地铁、水工隧道等）掘进目前仍以爆破手段为主，尤其是浅埋隧道爆破施工产生的地震波对地表以及地表附近的建（构）筑物产生的危害已经成为施工过程中亟待解决的问题［１－２］。由于隧道掘进爆破振动波的主频一般较低，与隧道周边建筑和设施相近，有可能引起共振进而对周边建筑产生不良影响。爆破振动信号分析是研究爆破振动危害的基础，也是控制爆破振动危害的前提［３］。
近年来，小波变换以其良好的高分辨率和自适应性以及在时域和频域都具有表征信号局部特性的能力，被广泛应用于对爆破振动信号的分析和处理中［４］，但是目前利用小波变换处理爆破振动信号的技术还处于起步阶段［５－７］。凌同华等［８－９］利用小波理论确定了微差爆破的实际延迟时间并研究不同爆破参数对爆破主频带和能量分布的影响；娄建武等［１０］研究了小波分析在结构爆破振动响应能量分析法中的应用；中国生等［１１］基于小波变换爆破地震信号能量分析法的应用进行了研究。但由于小波变换只能对信号的频段进行指数等间距划分，所以在高频段其频率分辨率较差［１２］。小波包分析法对没有细分的高频部分进行进一步分解，能够根据被分析信号的特征自适应地选择相应频段，使之与信号频谱相匹配，从而提高了时频分辨率，具有更广泛的应用价值［１３－１４］。
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( 1 洛阳理工学院 建筑工程系 , 河南 洛阳
471023 ; 2 河南理工大学 土木工程学院, 河南 焦作
454003)
摘
要 : 基于岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理, 对隧道掘进爆破对围岩的损
伤与危害作用、 爆破地震效应和安全判据标准进行了理论和实验研究 . 通过对渝怀铁路圆梁山岩 溶隧道 、青藏铁路风火山高原冻土隧道等掘进爆破中的爆破地震波的监测和分析, 确定了隧道掘 进爆破的安全判据和技术标准. 关键词 : 岩石隧道; 掘进爆破; 损伤机理; 地震效应 中图分类号 : TD23 文献标识码 : A
第 4期
杨小林等 : 隧道掘进爆破的损伤机理与振动危害
401
1 工程爆破作用分区
炸药在岩土等介质中爆炸时, 释放出的能量以不同的作用形式表现出来, 其中冲击波能量占 2 % ~ 20% , 空穴和介质 隆起能量 约占 40 % , 噪声、热 量及无用能量占 40 % ~ 60 % . 从中可 以看出, 用 于破碎和搬运介质的能量只占很少一部分 , 其余的 无用能量中很大一部分以空气冲击波、飞石和爆破 地震等工程灾害方式表现出来 . 而地下工程爆破危 害主要是爆破地震效应, 爆破地震的能量来源是炸 药在岩土介质中的爆炸作用, 在爆破的近区和中区 岩石产生了破坏 , 爆破震源范围内介质承受由剩余 变形产生的荷载 . 表 1 是前苏联根据等效折算距离 ( R = R / Q, 其中 R 为距爆 破点的距离 ; Q 为装 药量 ) 将爆破作用进行分区的结果 区:
1 , 2 1 2 2
471023 , Ch ina; 2 C ol lege of C iv il Eng in eering, H enan
Abstract : Based on the rock dam age and fracture m echanism in the e ffects of the exp losive stress w ave and the detonat io n gases, the da m age m echan ism on surrounding rock m ass, the seism ic effects and the sa fe criterion of ex plosion in tunnel b lastin g w ere ana ly zed w ith th eoretica l and experi m ental m ethod . T he safe se ism ic cr iterion and technique rules on excavation blast ing w ere proposed by m easure in g th e se ism ic w aves in the excavation blasting o f Yuan liangshan karst tunnel and Fenghuoshan frozen earth tunne. l K ey w ord s : rock tunne;l excava tio n blasting ; da m age m echanism; se ism ic effects of explosion 在隧道与地下工程的爆破开挖过程中 , 炸药在岩体内爆炸时 , 在将开挖范围内岩石爆破的同时 , 必然 要对保留岩体及周围环境造成损伤和破坏 , 这种损伤由多种效应和多个参数所控制 , 如岩体性质、节理方 向和间距、含水率、材料强度和原岩应力等; 对于 1~ 3 m 的近距离范围 , 除了这些自然限制条件外, 掘 进工作面的开挖技术决定了损伤区范围
3 3 3
3
2 爆破对围岩的损伤作用机理
2 1 岩石爆破损伤作用机理 根据以上的工程爆破作用分区, 对于地铁和隧道等工程开挖爆破危害问题 , 应该考虑地震作用区的作 用甚至非弹性介质状态区域的影响. 根据岩石损伤断裂理论和岩石爆破机理, 岩石在爆炸载荷作用下的损 伤机理分为 2 个阶段: 爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 该阶段在爆破近区产生宏观裂纹, =
收稿日期 : 2007- 04- 16 责任编辑 : 柴海涛 基金项目 : 河南省杰出青年科学基金资助项目 ( 0312000500 ) ; 河南省高校杰出科研人才工程资助项目 ( 2006KY CX 012) 作者简介 : 杨小林 ( 1963 ) , 男 , 湖南邵东人, 教授 , 博士 . T e: l 0379 - 65928999, E - m ai: l yangx@ l hpu edu cn
c c [ 4]
, 即 ( 1)
=
/ 4aK IC ,
为微裂纹发生扩展的临界应力; a 为微裂纹的初始半径 , 由于地下工程的地质条件复杂、围岩
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煤
炭
学
报
2008 年第 33 卷
差别大 , 应根据岩层条件和爆炸应力波强度等确定 a 值. 对于爆破远区的弱地震振动区 , 岩体产生弹性振 动 , 根据弹性动力学理论 , 应力 计算式为 = Cv. 式中, 为岩石密度 ; C 为岩石中的纵波波速 ; v 为岩石质点振动速度, 可由现场测试得到 . 2 2 爆破对岩石的损伤作用 为了研究爆炸作用对岩石的损伤和破坏规律, 在相似模拟试件中的不同距离处预埋应变砖 , 应变砖的 配比与模型材料一致 , 尺寸为 2 c m 2c m 2c m, 沿爆破径向布置 2 个测点, 应用超动态应变测试系统对 耦合装药和不耦合装药条件下的爆炸应变波进行测试, 测试到的应变波形如图 1 所示 . 爆破前后采用超声 波检测手段 , 对爆破损伤程度进行测量. 爆炸应变参数和声波测试结果见表 2 .
Da m age m echanism and vibration effects in tunnel blasting
YANG X iao lin , HOU A i jun , L IANG W ei m in , YU Yong qiang
( 1 D epartmen t of C iv il E ng ineering, Lu oyang In sti tu te of Science and T echnology, Luoyang Poly technic U niversi ty, Jiaozu o 454003 , Ch ina )
u
在爆破中区使微裂纹激活并扩展, 此时岩石损伤断裂准则可采用纯脆性损伤断裂准则 :
, 其中
u
为岩石的断裂应力; 爆生气体作用下的损伤断裂后期效应, 该阶段是在爆炸应力波造成的损伤场基础 上产生二次损伤断裂的过程. 从岩石细观损伤力学出发 , 在爆生气体压力场作用下 , 裂纹的扩展是由于局 部塑性变形而造成的 , 可采用准脆性材料的微裂纹扩展条件 = 其中,
[ 2]
. 在钻爆法开挖条件
下 , 爆破技术和爆破参数的选择对损伤区的范围和强度影响很大 , 而控制爆破损伤和危害作用的关键是建 立岩土介质在爆炸作用下的损伤和破坏机理. 因此 , 应用岩石在爆炸作用下损伤断裂的基本理论, 将爆破 近区的破坏、中区的爆破损伤和远区的振动效应作为一个系统来分析 , 研究和应用控制爆破危害的新技术 和监测分析方法 , 制定科学合理的安全控制标准, 是解决爆破施工和爆破危害这一矛盾的关键 .
[ 3] 3
表 1 Tab le 1
分 区
爆破的振动作用分区
Zon es of vibration effects in b lasting
岩石形变特征 开放裂缝和强裂缝发展 产生放射状和平行表面 裂缝剩余的微形变 非线性弹性形变 非线性弹性形变 弹性形变 等效折算距离 /(m kg
- 1 /3
衰减 指数 3 0 2 0 2 0 2 0 1 5 1 0
表 2 应变参数和声波测试结果 u ltrason ic measure
测点距离 /mm 50 100 50 100 不耦合 系数 1 6 1 6 1 0 1 0 1 2 1 2 应变峰 值 1 813 748 4 897 1 801 2 085 1 021 波速 / ( m 爆破前 3 283 3 135 3 592 3 777 3 351 3 296 s- 1 ) 爆破后 2 987 3 001 2 775 3 386 2 782 3 115 损伤 变量 0 172 0 083 0 403 0 196 0 311 0 106
第 33 卷第 4 期 2008 年 4月
煤
炭
学
报
V o.l 33 N o . 4 A pr . 2008
JOURNAL OF CH I NA COAL SOC IETY
文章编号 : 0253- 9993( 2008) 04- 0400- 05
隧道掘进爆破的损伤机理与振动危害
杨小林
1 , 2
, 侯爱军 , 梁为民 , 余永强
( 2)
Table 2 Param eters of stra in w aves and resu lts of
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图 1 模拟爆破的应变波 F ig 1 Stra in w aves from laboratory b lasting
50 100
结果表明: 岩石的损伤与应力波的强度和加载条件有关 , 在爆炸应力波作用下 , 岩石损伤破坏呈现脆 性断裂特性 , 损伤随着应变值的增加而加剧; 而应变峰值不是决定岩石损伤破坏的唯一条件, 岩石的爆破 损伤还与应变波的作用时间、爆破参数等因素有关 , 如耦合装药产生的爆炸应力波要比不耦合装药时强度 高、作用时间短 , 对围岩产生的直接损伤就更严重 . 对于一个特定的地下工程 , 爆破损伤影响的岩体范围是有限的, 随着距开挖边界距离增加 , 岩体爆破 [ 5] 损伤逐渐减小. 掘进爆破试验结果 表明 : 爆破对围岩质量的影响范围超过了 25 倍的装药半径距离, 在 该范围内岩体基本质量指标减小了 10 % ~ 30 % . 因此, 围岩稳定性的评价不仅要考虑岩石本身的力学性 质、岩层压力, 还要考虑爆破对其弱化作用, 其影响程度与岩层条件、装药条件和爆破参数等密切相关 .
)
非弹性 介质状态 地震作用区 同上 , 较远处 弱地震振动区
0 1~ 0 6 0 6~ 3 0 3~ 6 6~ 10 10~ 170 > 170
. 根据该分区结果 , 从震源开始到爆破地震影响区总体可分为 3 个
( 1) 非弹性介质状态 . 在 R 6 Q范围内 , 纵波强度最大. 该区域主要是爆炸应力波的作用区 , 应力 波的强度大于岩石的破坏强度 , 岩体产生了塑性变形和破坏, 从爆破对周围环境的影响程度和范围来看, 该区域属于爆炸的直接作用范围, 其研究方法一般采用爆炸动力学的方法 . ( 2) 地震作用区. 在 6 Q R 30 Q范围内, 爆炸地震波振动的主体波由纵波转变为表面波 . 该区 域在岩体的破坏和弹性变形区之间, 爆破地震波的强度小于岩体的破坏强度, 不足以使岩体产生破坏, 但 岩体发生了非弹性形变而产生损伤或失效 , 该范围传播的波有体波和面波 , 可以采用爆炸动力学和弹性动 力学的方法进行研究 . ( 3) 弱地震振动区 . 在 R > 30 Q范围内, 爆炸地震波以表面波为主. 爆炸地震波的强度小于岩体的 弹性极限, 岩体产生弹性振动或损伤 , 对建 ( 构 ) 筑物产生振动危害, 一般采用弹性动力学的研究方法. 在以前的研究中 , 大部分的研究工作是针对弱地震振动区, 即爆破远区的振动问题 , 采用结构物对爆破地 震的响应分析方法来研究结构物的破坏情况 , 往往以介质的质点振动速度作为评价建、构筑物的破坏判 据 . 临近隧道的爆破、近地表的地铁爆破、边坡下的爆破以及坝基上的爆破开挖等工程对于围岩和临近结 构的危害, 爆破地震影响区还可能出现在地震作用区的范围以内 , 因此, 必须研究地震作用区的作用甚至 非弹性介质状态区域的影响.
[ 1]
. 在对地铁、隧道和核废料储藏所等敏感地下工程结构设计中,
必须严格控制开挖对围岩稳定性和水导通性的影响程度 . 开挖损伤由两部分组成: 技术方面决定的直接损 伤和由于如原岩应力场的改变引起的二次作用损伤 , 这 2 种作用是互相重叠和很难区分的 . 第 1种作用在 2 m 范围内的围岩占有主要地位 , 而第 2 种作用能够延伸到开挖直径几倍的范围外