隧道爆破振动在地层中的传播规律分析
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1引言
隧道施工中掌子面爆破会对邻近地表既有建筑物和已
有的地下交通建筑物结构产生不利影响,为有效控制爆破振动的影响,许多学者对爆破振动传播规律进行研究。
罗阳等[1]利用ANSYS 进行小净距隧道爆破振动的数值模拟,得出振速不仅随着净距的增大而增大,而且跟装药量成正比。
陈沛等
[2]
依托武汉地铁5号线爆破项目,利用ANSYS -Lsdyna 平台对地铁隧道掏槽眼延时爆破进行模拟,得出随着掏槽眼延时
时间的增加爆破对既有建筑物的振动逐渐减小。
吴波等[3]通过FLAC 3D 模拟隧道爆破对既有建筑物的影响,得出迎爆侧衬砌拱腰处的振动速度最大。
宋战平等[4]通过数值模拟和非线性模糊层次分析相结合的方法,得出邻近既有建筑物时隧道爆破方案优化的新方法。
王秋懿[5]通过Lsdyna 模拟交叉隧道掌子面爆破的振动,研究隧道支护结构在受到邻近隧道施工爆破影响下的振动规律。
于建新等[6]对大断面隧道爆破监测数据进行分析,研究不同爆炸设计参数下的振动规律。
单仁亮等[7]基于现场爆破监测数据,研究不同炮眼的爆破振动传播规律。
季相臣等[8]基于贵阳某隧道项目,研究大断面小净距隧道爆破时掌子面前方振动传播规律。
张业伟[9]通过现场爆破试验对施
【作者简介】刘强(1980~),男,山东单县人,高级工程师,从事施工管
理研究。
隧道爆破振动在地层中的传播规律分析
Analysis on Transmission Law of Tunnel Blasting Vibration in Stratum
刘强1,2,何鑫和2,3
(1.中国铁建大桥工程局集团有限公司,天津310003;2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室,西安710055;
3.西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055)
LIU Qiang 1,2,HE Xin-he 2,3
(1.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co.Ltd.,Tianjin 310003,China;
2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geotechnical and Underground Space Engineering,Xi ’an 710055,China;
3.School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi ’an 710055,China)
【摘要】依托安六高铁地宗隧道工程,对现场爆破试验数据进行分析,研究隧道爆破振动的传播规律与振动衰减公式。
研究表明,
爆破振速随着爆心距的增加而减小。
同时基于理论推导和回归拟合,获得了爆破振动衰减公式,由此确定爆破设计参数,并将公式用于地宗隧道进行现场验证。
【Abstract 】In this paper,based on Anshun to Liupanshui highspeed railway Dizong tunnel engineering,the field blasting monitoring data is
analyzed,the propagation law and vibration attenuation formula of tunnel blasting vibration are studied.The results show that the blasting vibration velocity decreases with the increase of the detonation center distance.At the same time,based on theoretical derivation and regression fitting,the blasting vibration attenuation formula is obtained,and the blasting design parameters are determined.The formula is also used for field verification in local tunnel.
【关键词】台阶爆破;现场监测;传播规律;衰减公式
【Keywords 】step blasting;field monitoring;communication law;attenuation formula 【中图分类号】U455.6
【文献标志码】A
【文章编号】1007-9467(2023)08-0092-05
【DOI 】10.13616/ki.gcjsysj.2023.08.026
92
工阶段爆破振动的控制技术进行研究。
从以上学者的研究可以看出,目前对隧道爆破邻近既有建筑物方面的振动规律的研究较少,本文依托安六高铁地宗隧道进行爆破试验,对爆破振动的传播进行研究,基于回归分析确定爆破参数,得出爆破振动衰减公式,并将该公式用于地宗隧道爆破方案的设计,优化了爆破参数。
2工程概况
地宗隧道进口里程桩号为DK41+720,出口里程桩号为
DK44+765,全长3045m ,最小埋深约12m ,地表居民密集,隧道爆破施工引起的地震效应过大会影响居民的安全生活和建筑物的安全使用。
隧道与建筑物位置关系示意图如图1所示。
图1
隧道与建筑物位置关系示意图
隧道位于六枝向斜南翼,自然坡度20°~60°,局部陡立。
隧址区穿越构造低中山区,相对高差290m 。
隧道纵断面图如图2所示。
<13-2>W 2<5-1>
<1-4>空溶洞溶蚀破碎带<13-2>W 2
节:N85′W/90′
ⅣⅤⅣⅢ
Ⅱ
ⅢⅣⅤⅣ
Ⅲ
图2隧道纵断面图
3
爆破试验方案
3.1
试验监测仪器
爆破测振仪应具备以下功能:可靠的自动触发装置;可以
设置负延时记录;可以收集垂向、径向、纬向的振速和频率;采样频率要远高于测试信号;基于以上要求,选取TC -4850爆破测振仪。
3.2试验测点布置
试验测点布置的合理性对爆破振动监测结果的准确性起
到很重要的作用,本文主要研究爆破振动的传播规律,测点应针对研究对象在关键位置进行布点,因此,选取DK42+430为爆破试验掌子面,在距离爆心30m 、33m 、37m 、53m 、67m 布置监测仪器,测点布置如图3所示。
测点1
测点2测点3测点4测点560m
67m
45m 53m 25m
15m 37m
33m 30m
图3地层传播规律监测点布置示意图
3.3试验爆破方案
隧道采取两台阶法施工,上台阶单循环开挖进尺2.4m ,
基于现场的地质条件,隧道爆破采用光面爆破,周边眼间距为60cm ,掏槽眼竖向间距为20cm ,底板眼间距为100cm ,炮孔布置如图4所示。
3.4爆破试验结果
试验段共布置5个测点,对两次爆破在地层中引起的垂
直方向(垂向)、隧道轴向(径向)、水平切向(切向)的振速和频率进行监测,监测数据如表1所示。
为了准确地呈现爆破振动在地层的传播规律,将两次监测数据的平均值作为该测点的数据进行分析。
表1
爆破试验监测数据
试验数据爆心距/m
垂向(Z )径向(Y )切向(X )振速
V /(cm/s )频率
/Hz 振速V /(cm/s )频率/Hz
振速V /(cm/s )频率/Hz
数据1
30.0033.0037.0053.0067.00 3.643.863.021.701.2017.2313.6241.8331.4924.25 3.842.661.401.070.5721.4153.8936.6640.7117.94 2.472.451.840.800.4224.7556.3253.1034.6730.75数据2
30.0033.0037.0053.0067.00
3.793.793.302.101.24
20.5018.8752.6646.8019.13
3.572.681.251.230.78
9.19
23.1217.0862.5037.94 3.562.781.400.910.66
18.2026.4123.4431.3631.38
93
4
试验数据分析
4.1
振动速度分析
图5是地层中不同方向的爆破振动速度曲线,从图5可
以看出,振速在3个方向上均呈现出随着爆心距的增大而逐渐减小,同时可以发现3个方向振速中垂向最大。
振速变化曲线在爆破近区测点与测点间的斜率大于爆破远区,这表明在爆破近区振速降低的速度大于爆破远区,符合现场实际的爆破传播规律。
爆心距/m
垂向振速径向振速切向振速
70
65
55
4535
25
30
40
5060
4
3
2
1
图5爆破振速曲线
4.2振动频率分析
图6是测点振动频率随爆心距变化曲线图,由图6可知,
爆破振动频率在地层中3个方向上均表现为“单峰”状态,即频率迅速增加然后逐渐减小的变化规律,但与振速曲线相对比,振动频率并没有表现出随着爆心距的增加严格衰减的趋势。
4.3振速波形分析
图7是测点振速时程图,V Z 、V Y 、V X 分别代表垂直方向、隧道轴向、水平切向3个方向的振动速度。
从图7可以发现,随
着时间的变化测点振速呈现出迅速增大逐渐衰减的变化规律。
由图7可知,由于0~200ms 内隧道爆破装药量大,爆炸时
临空面少,因此,该时间段爆破振速最大。
在200~500ms 段V Z 方向振幅较小。
由于其余两个方向在传播途中有临空面,因此在3个方向中V Z 最大。
时间/ms a
切向
图4炮孔布置图(单位:cm )
爆心距/m
垂向频率径向频率切向频率
70
65554535253040
506055504540353025201510
图6爆破振动频率曲线
151311
9
13139
7
5
3
1
1
3
5
7
9
1313
11
1113
15
13
11
9
9
7
9
9
11
13
15
13
94
时间/ms b 径向
时间/ms c 垂
向
时间/ms d
合速度
图7振速时程曲线图
5回归分析
由于不同围岩岩性差别很大,采取经验参数确定的萨氏
振动衰减公式,不能准确反映振动传播规律,对于计算爆破控振设计存在一定的误差。
因此,有必要基于现场的监测数据,进行回归分析,确定该场地段的K 、α值,从而得出该场地段的
振动衰减公式。
最小二乘法时是一种非常有效且广泛使用的回归分析方法,其分析方法如下。
设监测获得数据:(x 1,y 1),(x 2,y 2),(x 3,y 3),…,(x n ,y n ),将监测数据采用一元线性回归方程进行拟合分析,方程如下:
y
^=kx +b (1)
因此,需采用最小二乘法确定k 和b 的值。
回归分析获得y
^i 与相应的测量值y i 存在一定差值,将其差值y
^i -y i 称为剩余误差,计做γi 。
剩余误差越小表明回归分析结果越精确。
将γi 代入回归方程,可得式(2):
γi =y i -y
^i =y i -kx i -b (2)
剩余误差的平方和ξ最小是最小二乘法确定k 和b 的最
终条件。
ξ=n
i =1∑[y i -(kx i +b )]2
(3)
根据高等数学极限定理,要使得ξ最小必须满足以下条件:
∂ξ∂k =0,∂ξ∂b
=0
(4)
通过式(3)和式(4)解得:
b =y -{[∑(x i -x )(y i -y )]/∑(x i -x )2}x (5)k =y -{[∑(x i -x )(y i -y )]/∑(x i -x )2}
(6)
其中:x =n -1
i =1
∑x i /n ;y =n -1i =1
∑y i /n 。
将振动衰减公式(7)转化为线性方程(8),根据现场爆破监测数据,基于最小二乘法,拟合得出场地相关系数k 、α。
得出k 值为212.5,α值为1.6471,其回归曲线如图8所示。
ln (Q 1/3/R )
图8
爆破数据最小二乘法回归曲线图
95
V =k
Q 1/3R
(
)
α
(7)ln V =ln k +αln (Q 1/3/R )
(8)
式中,V 为建筑物最大安全质点振速,cm/s ;Q 为爆破最大单段药量,kg ;R 爆破振动安全允许距离,m ;k 、α为与场地条件有关的系数。
从图8可以看出,得出的回归曲线具有较好的拟合效果,利用拟合推导爆破振动衰减公式是可行的,将上述k 、α值代入式(7)获得该场地段的爆破振动衰减公式为:
V =212.5
Q 1/3
R
()
1.6471
(9)
根据式(9)可计算出不同振速单段炸药最大装药量与爆心距的关系,如图9所示。
爆心距/m
图9不同最大允许振速下的最大单段炸药量
与爆心距关系图
6结论
论文依托安六高铁地宗隧道项目,进行现场爆破试验。
对
两次爆破在地层中引起的垂直方向(垂向)、隧道轴向(径向)、水平切向(切向)的振速和频率进行监测,基于试验数据进行爆破振动在地层中的传播规律研究。
得到以下结论:
1)通过振速、频率曲线图可以发现,振速在地层中不同方向呈现出随着爆心距的增大而逐渐减小,同时可以发现3个方向振速中垂向最大。
爆破振动频率在3个方向上均表现为“单峰”状态,即频率迅速增加然后逐渐减小的变化规律。
2)通过测点振速时程图得出测点振速随着时间逐渐减小最终振动速度降为0,同时发现垂向振速(V Z )比径向振速(V Y )、切向振速(V X )衰减更快。
3)对监测数据采用最小二乘法进行回归分析,获得了试验段场地的爆破振动衰减公式,并将公式用于最大单段炸药量和爆心距关系的计算,指导爆破方案的设计,优化了爆破参数。
【参考文献】
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【收稿日期】2022-10-11
96。