城市地铁隧道掘进爆破对既有燃气管道的影响

城市地铁隧道掘进爆破对既有燃气管道的影响
曹海峰
【摘要】以下穿燃气管线的北京地铁16号线西马区间风井至马连洼北路站北端隧道工程为背景,对矿山法施工中管线处地表的爆破振动强度进行了监测,分析了该段施工爆破地震波地表质点振动波形以及频率特性,并拟合计算了该段爆破地震波衰减参数,为同类工程提供参考.
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2016(042)002
【总页数】2页(P171-172)
【关键词】隧道开挖;爆破振动;现场监测;振动频率
【作者】曹海峰
【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】U445.6
北京地铁16号线07标段区间自西马区间风井(右K14+320.000)出发，沿现状永丰路向南敷设，到达马连洼北路站北端(右K15+246.400)，区间内表层普遍分布有新近沉积土层，其下部的第四纪沉积土层以粘性土和粉土为主，局部夹砂土层。

区间地表覆盖层18 m～22 m，右洞右上方浅埋有燃气管主线，且两洞下穿燃气管支线，管线的分布情况如表1所示。

隧道采用上下短台阶矿山法进行施工。

由表1可以看出，隧道右线与燃气管主线
比燃气管支线距离远，故本文主要研究与隧道垂直关系的燃气管支线处的影响。

考虑到本文研究区段为下穿燃气管支线段，这里进一步了解该区段的爆破开挖施工方案。

2.1 爆破施工方案
根据设计要求，隧道分上下两个台阶进行爆破开挖，采用42 mm炮孔直径，风钻打眼，设计循环进尺1 m，上台阶炮孔设计如下：采用斜孔楔形掏槽方式，中间
钻四排掏槽孔，垂直深度1.3 m，周边采用光面爆破，孔深1.2 m，周边孔及拱部炮孔外插2°～4°，采用电子雷管起爆网路，逐孔起爆，上台阶炮孔布置以及雷管
延迟设计见图1，炮孔参数见表2。

下台阶炮孔设计：水平钻孔，孔深1.2 m，排距0.8 m，孔距0.9 m，单孔装药量0.4 kg。

底板眼孔距0.7 m，周边孔及拱部炮孔外插2°～4°，其他参数相同。

下
台阶炮孔布置见图2。

2.2 现场监测方法
根据隧道的施工特点，为保证爆破对燃气管线的振动影响满足设计要求，本次测试采用BlastmateⅢ型爆破测振仪对地铁右线K14+504～K14+564区段进行监测，以隧道下穿的燃气管支线(右线K14+534处)作为主要监测管线，并将传感器布置
在燃气管支线与右线隧道轴线交点正上方的地表土中(监测点1)。

为对比分析，另
在掌子面正上方地表同时放置1台仪器(监测点2)，这2台仪器监测数据理论上可以得到分析该段爆破振动波传播规律，为后面地震波传播规律的分析提供有力依据，测点布置图见图3。

3.1 分析依据
当不考虑高程的影响时，质点的爆破速度V与爆心距R和装药量之间的关系通常
用萨道夫斯基公式确定[1-3]，即：
其中，V为测点振速峰值，cm/s；Q为最大单段药量，kg；R为测点与爆心的直
线距离，m；k为与测点和爆破方法有关的衰减系数；α为与场地条件有关的地震波的衰减指数。

3.2 地表震动特性分析
在隧道右线掘进过程中，对掌子面通过燃气管支线截面前后20 m的开挖爆破共进行30余次爆破振动现场实时监测，由于测点位于爆破点的正上方，地表质点振速峰值的垂直向一般大于水平向[4]，故本次分析只取测量数据中的垂直振速分析。

图4为距爆源水平距离为14 m测点1处的垂直向振动波形图。

由图4可看出，从微差间隔时间可以分辨出掏槽孔、辅助孔、底板孔、周边孔爆破产生的地震波，能判断出各类孔爆破一开始地表振速便达到幅值，0 ms～22 ms上台阶掏槽孔爆破，使振动达到最大值，由于上台阶爆破时只有一个自由面，且掏槽孔轴线与自由面夹角较大，使其受夹制作用增大，故振动最大。

70 ms～200 ms辅助孔爆破产生的振动次之，这是由于辅助孔自由面在下方及侧方，故上方的振动略大，300 ms～340 ms上台阶底板孔爆破，400 ms～436 ms周边孔爆破，538 ms～694 ms下台阶爆破，振动相对平稳。

各类孔爆破形成的地震波基本没有产生正向叠加，且自由面条件对爆破振动效应影响较大。

因此控制掏槽孔爆破振动是降低地表振动的关键。

表3列出了掏槽孔爆破引起测点振速幅值及其药量、位置等情况。

3.3 地震波传播规律
用式(1)对现场实测数据进行回归分析，可求得掌子面前方振动衰减参数：
k=174.242 4，α=1.554 91，相关系数R=0.898 45，掌子面前方爆炸地震波垂直方向传播衰减特性关系的表达式为：
3.4 爆破振动主频分析
根据研究表明，不同振动频率的地震波对地表浅埋管线的振动效应也是不同的，由于岩体及其埋地管线的天然自振频率较低，当地震波的主振频率接近于管线的自振
频率时，就会产生共振现象，从而会引起管线的强烈振动，最终导致管线产生一定程度的破坏，因此，分析该区段的爆破地震波的主振频率同样很重要。

表3中对应的10组爆破振动的主频分布情况见图5。

由图5可看出，频率为20 Hz～100 Hz占监测总数的95%左右，并且垂直竖向的地震波频率多数高于水平横向和纵向的地震波频率，三个方向上的主要振动频率集中在20 Hz～60 Hz区间内，区间内隧道开挖爆破振动频率整体都比较大，而管线的自振频率在3 Hz～12 Hz之间，这很明显比爆破地震波的振动频率小得多，因此该段隧道施工爆破所引起的振动难以与燃气管线产生共振，这表明该区段振动频率对浅埋燃气管线的安全较为有利。

通过上述分析，针对北京地铁16号线西马区间风井至马连洼北路站北端区间隧道地质情况，获取了精确度相对较高的K，α经验值。

在多次的施工校核中，也验证了该值的准确性，对于该隧道接下来的施工具有指导性作用，同时在对波形图和频率的分析结论得出，均对施工中管线安全影响较小，最后基于经验值K，α，反推出该区段安全振速条件下所允许的最大单段装药量，可以有效的控制爆破振动对管线的影响，对于类似工程也具有一定的借鉴作用。

【相关文献】
[1] GB 722—2003，爆破安全规程[S].
[2] 王德胜，龚敏，杜金科.孟家狗硐室爆破地震测试[J].爆破，2004，21(3)：96-98.
[3] 孟吉夏，惠鸿斌.爆破测试技术[M].北京：冶金工业出版社，1992.
[4] 李玉民，倪芝芳.地下工程开挖爆破的地面振动特性[J].岩石力学与工程学报，1997，
16(3):274-278.。