引水隧洞爆破开挖对邻近建筑物的振动影响分析

第21卷　第1期 爆　破 BLASTING 　 文章编号：1001－487X（2004）01－0082－04 引水隧洞爆破开挖对邻近建筑物的振动影响分析 张忠伟，朱传云，姜清辉，唐　浩 （武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉430072） 摘　要：　以发电引水隧洞开挖过程中的爆破振动实测数据为基础，对爆破振动衰减规律进行了二元回归分 析，与萨道夫斯基公式相比，预测数据更接近实际工程。同时对隧洞爆破开挖过程中邻近建筑物的安全，根 据实际监测成果作了进一步分析，给出了相应的爆破安全判据。 关键词：　隧洞开挖；　爆破振动；　衰减规律 中图分类号：　TD235．4　　文献标识码：　A Effectof Diversion Tunnel Blasting Excavation onthe Vibration of Adjacent Construction ZHANG Zhong－wei，ZH U Chuan－yun，JIANG Qing－hui，TAN G Hao （State Key Laboratory of Water Resourcesand Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China） Abstract：　Basedon practically measureddataofblasting，vibrationintheprocessofhydropowerdiversiontun－ nelblastexcavation，the dualityregression analysisofattenuation equation ofblastvibrationis made．Compared withexperimentalformula，theforecastdata was madeclosetotheengineeringreality．Simultaneously，thesafety ofadjacentconstructionsintheprocessoftunnelblastexcavation basedonthe monitoringresultisanalyzedtopro－ videcorrespondingsafetycriterion． Key words：　tunnelexcavation；blastvibration；attenuation equation 收稿日期：2003－11－02． 作者简介：张忠伟（1974 －），男；武汉：武汉大学水电学院硕士研究 生． 1　概　述 为了更好的改善径流调蓄能力，增大调峰能力， 增加发电量，朝阳电业决定在朝阳寺水电站原来总 装机3 ×15 M W 的基础上，新增一装机30 M W 的 电站厂房及相应的发电引水系统。新增的引水隧洞 布置在左岸，与原发电引水隧洞同侧而且平行，断面 为圆形，开挖断面Φ＝7 ．0 ～7．8 m ，衬砌厚度1 ．0 ～1 ．4 m 。隧洞所处的地质条件主要为中至厚层泥 灰岩、泥质灰岩，夹少量薄层泥灰岩、页岩，仍具有各 相异性体，属于中硬岩类。 在隧洞的爆破开挖过程中，爆破振动对周围建 筑物及各类设施的影响是爆破设计所必须考虑的。 如何评价爆破振动对周围环境的影响是工程界普遍 关注的热门课题之一。尤其是在增容扩机中，新增 的引水隧洞距离大坝和原厂房均较近。在安全监测 的同时，根据已有的数据和成果，提出更加符合实际 的衰减规律显得尤为重要。 2　爆破开挖方法和振动测试系统 引水隧洞采用分部法开挖，两次成型。先挖上 半断面，下半断面最厚处约留1 ．3 m ，待上半断面全 贯通后再开挖下半断面。钻孔采用气腿式风钻，人 工装药，非电毫秒延期导爆管雷管分段微差起爆，周 边采用光面爆破。其中，掏槽孔一共8 个，采用楔形 四川拓普测控科技有限公司 www.topelec.com.cn 028-87715168、87715268 掏槽，孔深3．5m，单孔药量2．4kg，单响最大药量 为14．4kg。总装药量40kg。 具体监测过程中，同一测点一般分为竖直向和 水平轴向布置传感器，传感器用石膏固定在所需监 测的部位，然后将自记仪与其相联。爆破振动传递 到测点时，自记仪自动记录信号。爆后利用专门编 制的爆破振动分析软件（PCC波形采集及处理软 件）将自记仪采集到的振动信号输入电脑中，进行分 析和存储处理。现场在洞壁与底板的交界处15～ 60m的范围内每炮布置6个测点，每一个测点均布 有垂直和水平传感器。 图1　爆破开挖的断面图（单位：cm） 图2　引水隧洞楔形掏槽俯视图（单位：cm） 　　光爆层的厚度和隧洞的开挖断面的大小、岩石 的性质和地质构造等有关。大抵抗线光面爆破适用 于开挖断面较大、岩石较破碎的条件。大断面的隧 洞的顶拱跨度大，光爆孔所受到的夹制作用小，岩体 比较容易崩落［1］。 从现场的爆破效果来看，隧洞的爆破开挖轮廓 控制得相当不错。半孔率达到80％～90％，岩石的 完整性也很好，比较好控制了开挖轮廓。说明只要 很好地控制装药的质量和起爆的段位划分，就可以 在小断面大抵抗线隧洞光面爆破开挖过程中较好地 控制爆破对围岩的破坏。 3　爆破振动监测数据分析 3．1　监测物理参量的确定 爆破振动对建筑物的安全是否构成影响，与爆 破振动强度及振动频率密切相关。反映爆破振动强 度的物理量分别有质点位移（S，mm）、质点振动速 度（V，cm／s）和质点振动加速度（a，cm／s2）。 爆破的质点振动速度（V）相对能够较好地反 映建筑物的爆破振动特点，其传播也较有规律，特别 是通过国内外工程界多年以来的大量工程实践和总 结，所形成的一系列可供参考的建筑物的爆破振动 速度安全控制标准，以及一整套成熟且便于操作和 分析的现场观测方法，为利用质点振动速度进行爆 破振动监测和控制提供了依据。故而往往都选取质 点振动速度作为爆破振动监测的物理参量，通过现 场的观测，对建筑物进行安全评定，对施工进行反 馈。 3．2　爆破振动速度衰减规律形式的探讨 虽然目前还没有准确掌握爆破振动速度的影响 因素到底有多少，同时也无法精确描述爆破振速衰 减规律的一般理论形式，但是大量的爆破振动参数 的实测数据，应该可以反映出某种规律性，这种规律 必然是爆破振动速度衰减规律的较为准确的达形 式。 探讨爆破振动速度衰减规律的较为准确的表达 形式在增容扩机中具有重要的现实意义。在新增的 引水隧洞爆破开挖掘进过程中，原引水隧洞的附近 无法布置测点，这就要求更好地掌握衰减规律，从而 从理论上推断出原引水隧洞洞壁的爆破振动的峰值 振速。同时，在许多重要但是无法布置测点的部位， 也可以作出相应的推断。 爆破振动的衰减规律，在实际工程中的做法往 往是根据爆破试验或生产爆破过程中所测得的实际 数据，以萨道夫斯基公式为基本形式，采用最小二乘 法进行拟合求得相应的爆破振动的衰减规律［2］。 即： V＝ K（Q1／3／R）α （1） 式中，V 为爆破振动速度，cm／s；Q为单响最大药 量，kg；R为爆心距，m；K、α均为回归系数。 随着爆破观测技术的发展和进步，对振速的衰 减规律也提出了一些新的拟合公式，爆破药量的指 数均不是1／3。由于介质的裂隙分布是随机的，即 使在同一爆破场地不同方向所得的观测资料，其衰 减规律可能不尽相同，在拟合计算中有必要根据具 体情况求解出公式 V＝ K（Qβ／R）α （2） 中的药量指数β值，公式（2）的变形公式 V＝ K Qφ （QR） α （3） 经过统计分析，发现有当α＞1时，φ≈1；0．5 ＜α≤1时，φ≈0．5［3］。 仍然以爆破振动速度、爆破药量和爆心距为基 3第21 卷　第1 期　　　　　　　张忠伟　等　引水隧洞爆破开挖对邻近建筑物的振动影响分析四川拓普测控科技有限公司 www.topelec.com.cn 028-87715168、87715268 本研究参数，先用萨道夫斯基经验公式作为爆破振 动速度衰减规律基本形式进行一元回归分析，再进 行二元回归分析，即将式（4）作为爆破振动速度衰减 规律基本形式进行拟合［4］。 V＝b0Q b1Rb2 （4） 式中 ，b0、b1、b2均为拟合的各种参数；V、Q、R等 符号含义同公式（1）。 3．3　爆破振动实测数据和回归分析 爆破条件包括炸药的重量、性能和装药结构，以 及爆破介质临空面的夹制条件等。在这些因素中， 除单段最大爆破药量在比例距离中已做考虑外，爆 破的夹制条件是影响爆破振动强度的另一重要因 素。掏槽爆破时，掏槽孔的单段药量为14．4kg，为 最大单段药量，同时只有一个临空面（掌子面），因此 掏槽爆破是在较大夹制作用下的强抛掷爆破，夹制 爆破导致更多的爆炸波能向岩体内部传播，造成邻 近介质的较强振动［5］。 由于引水隧洞爆破振动最大的能量来自于掏槽 爆破，所以将以掏槽爆破的实测振动参数为依据进 行分析。 图3　隧洞轴向一元回归分析的趋势线 图4　隧洞切向一元回归分析的趋势线 　　根据新增引水隧洞切向实测的数据，分别用萨 道夫斯基经验公式进行一元和二元回归分析，得到 式（5）、式（6）的结论为： 一元回归 V＝27．542（Q1／3／R）1．321 （5） 二元回归 V＝0．00723（Q2．789／R）1．183 （6） 根据发电引水隧洞轴向实测的振动数据，进行 一元和二元回归分析，得到式（7）、式（8）： 一元回归 V＝39．902（Q1／3／R）1．571 （7） 二元回归 V＝0．0695（Q1．89／R）1．412 （8） 广东省东深供水第三期扩建工程雁田隧洞爆破 振动观测分析中，顶拱径向、拱脚径向、拱脚轴向的 爆破药量指数分别为：3．779、5．21、2．34。 湖北省隔河岩的引水隧洞的爆破振动监测和分 析中，其预裂爆破和光面爆破的回归公式的药量指 数分别为2．364和3．499［6］。 在某个隧洞新奥法试验中具有典型意义的质点 振动速度衰减公式中的爆破药量指数为3．78［7］。 通过对引水隧洞的切向和轴向的一元和二元回 归分析，可以发现，无论是在隧洞的切向和轴向回归 计算中，二元回归出的相关系数均大于一元回归的 相关系数，这说明用式（4）来描述爆破振动速度衰减 规律比式（1）更加接近工程实际。同时，二元回归中 爆破药量指数并非是式（1）中所的1／3，而是随 着爆破振动传播途径的不同而变化的。且从二元回 爆　破　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004 年3 月四川拓普测控科技有限公司 www.topelec.com.cn 028-87715168、87715268 归的式子来看，药量指数远大于1／3。与萨道夫斯 基经验公式相比，上述结果将会导致以下2种可能： 1）在不同的装药结构下药量的指数也会不同，萨道 夫斯基公式是在球形药包的装药结构下提出来的经 验公式，而回归计算中的装药结构是隧洞炮眼爆破 法的条形药包；2）隧洞爆破和露天爆破的衰减规律 不同，即在一定的范围以内，隧洞中的爆破药量对振 动衰减的影响比露天的影响要大很多。如果把式 （4）中的b1改成 b2／3，则式（4）就变成了与萨道夫 斯基经验公式完全相同的形式。因此，萨道夫斯基经 验公式实际上是（4）式的一种特殊形式。也就是说， 即使爆破振动速度与爆破药量和爆心距之间确实存 在如萨道夫斯基经验公式所描述的数量关系，用（4） 式进行爆破振动速度衰减规律的拟合，仍然可以得 到与萨道夫斯基经验公式相同的结果［2］。 4　爆破振动对发电厂房的影响和分析 随着发电引水隧洞的爆破开挖不断进行，爆源 距离原发电厂房也越来越近，也在厂房的发电机层 和中控室进行了振动监测，以便掌握爆破的质点振 动速度大小和对保护物的影响程度。电站的中控室 和发电机层的控制标准都是1．0cm／s，仪表盘的控 制标准是0．8cm／s。根据回归公式推算的结果，距 离40m的情况下，单响药量14．4kg距离中控室30 m的峰值振速是0．77cm／s和0．70cm／s。这和测 得的0．74cm／s相差不大。为了把爆破振动的峰值 振速控制在1．0cm／s以下，可以在已经知道距离的 情况下，采用式（9）的变形式子（10）来控制药量。通 过现场的测试和回归计算，只要药量控制的适当，爆 破振动对厂房的中控室和发电机层的影响是符合标 准的。 ［V］＝ K（QT／R）α （9） Qmax＝（R［V］／K）1／α）1／T （10） （T为1／3或者是二元回归的值） 在监测的过程中，也曾经偶尔发生过因为爆破 振动过大而引起的发电厂房在未工作的状态下跳闸 的事故。这是因为随着爆破开挖的不断进行，爆源 和发电厂房的距离越来越小，而爆破的方式和爆破 的药量没有及时作出调整。同时也还发现，在发电 机层转子的振速达到2．0～2．5cm／s时，尽管振速 已经远远超过了控制标准，但是机组在以后的运行 过程中却同以前一样正常，偶尔的爆破振速过大并 没有对发电机组造成任何破坏。一方面说明转子的 爆破振动控制标准还有富裕，并不是意味着爆破振 速一旦超过标准，就会造成很大的破坏；再者在地面 质点振动速度值相同的情况下，将会出现不同的振 动频率和振动持续时间。虽然爆破振速超过了标 准，但是爆破的振动的频率较高达到250～333Hz， 持续时间短，衰减也较快，并未造成较大破坏。建筑 物在爆破振动的作用下，其破坏程度与爆破振动引 起的地面质点振动速度成正比，与频率比（即地面振 动频率与结构物自振频率之比）的常用对数成反 比［8］。又1989年水压爆破为赣州市人防办拆除一 座人防工事，爆破引起的地面质点振动分别高达 16．3cm／s和40．9cm／s，按照GB6722－86《爆破安全 》估计的建筑物应当严重破坏，由于爆破振动频 率也很高，爆破后这两处建筑物均没有出现任何破 坏。 5　结　语 通过以上的计算和分析，可以得到如下的结论： 1）隧洞爆破振动衰减规律与萨道夫斯基公式相 似，形式相同，但是药量指数远大于1／3，在一定爆 心距范围内，药量对振动强度的影响十分显著，而从 本工程及其他的工程资料看，场地系数 K又远低于 露天爆破的。以二元回归来拟合隧洞的爆破振动衰 减规律更加接近工程实际。 2）在本工程的爆破安全监测中，对发电设备的 爆破振动控制是成功的。在爆破安全振动控制中以 地面峰值振速为标准的同时，可以适当参考频率的 影响。 参考文献 ［1］　中国力学学会工程爆破专业委员会．爆破工程［M］．北 京：冶金工业出版社，1992． ［2］　臧秀平．爆破振动速度衰减规律形式初探［J］．金属矿 山，2002（4）：36～37． ［3］　朱传云．药量指数的近似估算法［J］．爆破，1988，5（1）： 8～10． ［4］　李良佐．缙云山隧洞光面爆破［J］．公路，1994（10）：27 ～29． ［5］　杨年华，刘　慧．近距离爆破引起的隧道周边振动场 ［J］．工程爆破，2000，6（2）：6～10． ［6］　朱传云．预裂与光面爆破对围岩的影响［J］．爆破， 1994，11（2）：11～14． ［7］　舒大强．新奥法施工中的控制爆破［J］．爆破，1992，9 （2）：23～26． ［8］　焦永斌．爆破地震安全评定标准初探［J］．爆破，1995， 12（3）：6～9． 四川拓普测控科技有限公司 www.topelec.com.cn 028-87715168、87715268