浅埋隧道下穿建筑物爆破施工振动控制研究

浅埋隧道下穿建筑物爆破施工振动控制研究

邹德臣柳福鑫

中交一航局第二工程有限公司山东青岛266000

摘要：以地铁隧道施工过程中浅埋段隧道下穿建筑物为例，针对振动控制重难点和设计振动控制要求提出爆破设计方案。在施工过程中强化安全管理，确保设计方案贯彻落实。通过实时地面振动监测即时反馈信息，及时调整设计和施工方案。运用HHT分析理论结合MATLAB软件研究爆破振动监测信号的时频关系，分析峰值点和起爆时间，为振动控制提供理论依据。长期监测数据表明可以将振动速度控制在1.2cm/s以内，确保了建筑物安全。

关键词：浅埋隧道；振动控制；HHT分析；地铁；爆破

引言

目前国内地铁隧道掘进大多采用爆破方法施工，爆破产生的振动不可避免扰动隧道围岩危及地面建筑物。这种危害在隧道埋深浅、围岩等级差、建筑物密集的城市区域更为显著。若振动控制不当，工程停工，各方将面临资金和工期的双重损失。因此，在爆破施工过程中对振动的控制十分重要。

HHT分析是目前公认的处理非线性非平稳随机信号最有效的方法[1,2]。张义平[3,4]对HHT分析应用于爆破振动信号分析做了广泛而深入的研究，其后有很多学者追随其脚步。这些研究主要集中在辨别雷管的实际起爆时间[5,6]，振动频率分布和振动能量分析[7,8]方面。

本文以青岛市红岛—胶南城际（井冈山路—大珠山段）轨道交通工程青岛轨道交通R3线工程两北区间隧道下穿帝邦售楼中心为例，对浅埋隧道下穿建筑物的振动控制方法和振动控制研究进行论述，为相似施工条件下的振动控制提供借鉴和依据。

1工程概况

两北暗挖区间隧道在右线里程YSK21+979～YSK21+996范围内下穿帝邦售楼中心。建筑基础采用0.5m*0.6m*0.5m砖混条形基础，上部为加气块水泥砂浆砌筑，基础底部距离隧道拱顶最小7.8m。地质含水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，采用矿山法施工。隧道拱顶管线较多，主要有给水、热力、燃气、雨水管等，其中，燃气管线距离隧道拱顶最小为11.3m。

隧道断面宽6.08m高5.8m，综合围岩等级为V级，格栅钢架设计间距为0.5m，结合设计蓝图和业主单位对建筑物和管线保护的要求，爆破施工安全允许质点振动速度为1.2cm/s。隧道与建筑、管线位置关系剖面图见图1-1。

图1-1隧道右线与下穿建筑物剖面关系

2钻爆设计与施工

根据相关设计图纸，隧道掘进采用环形台阶法施工。考虑到钢格栅安装，上台阶高度取3.0m，每次循环进尺0.6m，炮眼深度取0.7~0.8m。下台阶爆破有较大自由面，振动控制相比上台阶容易，本文仅探讨上台阶施工方案。

施工使用的雷管为20个段别的非电导爆管雷管，炸药为2号岩石乳化炸药。装药炮眼钻取使用YT28型手持式风动凿岩机，炮眼直径d=42mm。

2.1掏槽方式选择和设计

由于围岩较破碎，采用楔形掏槽能够产生良好自由面，因此采用3对与掌子面成70°角的斜眼掏槽形式，掏槽布置见图2.1-1。

图2.1-1楔形掏槽布置

2.2爆破设计

环形台阶法施工顺序为：①—②—③—④—⑤见图2.2-1。为控制单段最大起爆药量防止振动叠加，保护建筑物和管线，装药过程中雷管跳段使用。

图2.2-1环形台阶法施工步序

整个上断面共分为四个部分，ⅠⅡⅢ部依次起爆，Ⅳ部为预留核心土，待初期支护完成掌子面稳定后爆破Ⅳ部。

辅助眼沿掏槽形成的自由面由内向外依次布置，炮眼间距取0.4~0.6m。周边眼沿隧道轮廓布置，由于隧道围岩等级较差，难以形成光爆效果，未采用光面爆破。周边眼外插角2°~3°，炮眼间距0.4~0.5m，见图2.2-2。

图2.2-2炮眼平面布置

装药量按单孔0.2kg，周边眼0.15kg，见表2.2-1，底脚眼可适当加大。经济技术指标：断面开挖面积为21m2，预计进尺为0.6m，炮眼个数为77个，比钻眼个数为3.7个/m2，炸药用量为14.15kg，炸药单耗为1.12kg/m3。

表2.2-1环形台阶法上台阶爆破参数

2.3爆破施工管理

爆破施工过程对振动的控制重点在于管理，应注意以下几个问题：

(1)下穿段施工前要对打钻工人和炮工进行现场相关技术和安全的教育培训，增强思想意识。

(2)每次打钻前由技术人员对打钻工人进行设计技术交底。打钻结束时，技术人员应对钻孔质量检验验收，不符合要求的责令重打。

(3)每次放炮前由技术人员对炮工进行设计技术交底，并指明其中控制重点。

(4)每班爆破作业必须有技术人员现场监督和指导，确保设计方案贯彻落实，解决施工中存在的问题和突发事件。放炮过程中，技术人员要及时准确的填写施工日志和记录表，形成档案资料保存。

(5)每次爆破必须进行地面监测，地面监测人员应掌握振动数据动态变化，若有异常及时反馈给现场技术人员，便于现场应对，调整施工方案。

(6)现场监测结束应及时保存电子数据，以备复查或科研使用。

(7)合理的奖惩制度可以提高工人工作的积极性和对方案的执行程度。

由于现场施工情况的复杂多变，技术人员及有经验的工人要充分发挥主观能动性去解决问题。施工过程中出现振速较大超过振动控制允许值的情况，在不增大单段起爆药量情况下解决方案如下：

问题说明：部分区域围岩较硬，或钻眼过深达到1.0m，导致单孔0.2kg需要爆破2~3次才能形成良好的自由面，浪费工时。

解决方案：孔内分段技术。孔内使用两个段，每段0.2kg炸药，大段雷管在内小段雷管在外，孔底、中间和孔口均用炮泥或锚固剂堵塞，见图2.3-1。实践证明孔内分段技术可以形成良好的自由面。

图2.3-1孔内分段间隔装药

3振动监测信号分析

地面建筑物振动监测采用成都中科TC-4850测振仪，它有X、Y、Z三个通道，分别可以并行测量同一测点沿隧道径向、切向和垂直方向的振动速度。测振仪采样频率为8000Hz，采样长度为10s。爆破振动信号的导出采用与测振仪相配套的电脑软件BlastingVibrationAnalysis(简称BVA)。

3.1信号重构

取2016年6月17日上午第1次爆破测振得到的数据，本次爆破最大振速为1.18cm/s，出现在Z通道，起爆部位为掏槽眼和掏槽周围辅助眼。用MATLAB软件读取测振文件，截取前1.6s的波形，得到如图3.1-1时间与振速Vr的对应关系曲线。

图3.1-1MATLAB提取的原始测振信号

3.2HHT时频分析

EMD分解是按频率由高到低顺序分解原信号的。对图6信号进行经验模态分解（EMD分解）得到9个分量的时间振速曲线，其中8个固有模态函数(IMF)，1个趋势项(RES)，原始信号可以看作是这9个信号之和，各分量信号见图3.2-1。

图3.2-1原始振动信号的EMD分量

将图7的EMD分量与原始信号图6对照可以看出：imf1分量与原始信号在时间轴和振动速度轴上大致相同[10]，这说明imf1分量携带着较多的原始信号的信息。imf1~imf4为原始信号的优势频率子频带，频率相对较高，imf5~imf8及res频率逐渐减小，其振动速度的数量级逐渐减小，可以忽略不计。

对原信号进行HHT频谱分析，得到如图3.2-2时间—频率—振速对应关系。由频谱图可以看出振动信号频率基本在110Hz以下，在50Hz处比较集中，爆破振动信号的优势频率范围为30Hz~80Hz，这个频率区间与小药量爆破振动的频率范围吻合。

图3.2-2信号的时间—频率—振速对应关系

结合此频率范围，查阅爆破安全规程GB6722-2014[9]中爆破振动安全允许标准，爆破安全允许振速应为1.5cm/s。

3.3峰值点与起爆时间分析

对固有模态函数IMF进行包络线分析，由于IMF有关于时间轴局部对称的特点，所以取其正向幅值包络曲线图，分析结果如图3.3-1。

图3.3-1正向幅值包络图

-0.1~0s时间段内的信号为TC-4850测振仪预触发信号区间，分析数据时不需考虑。0~1.5s内共有13个比较明显的峰值点，将其编号为1#~13#。振速低于0.2cm/s的峰值点对建筑物造成的损害可以忽略，所以将其舍去。

表3.3-1峰值点时刻与雷管起爆时间对照表

由包络线生成的峰值点直观易于辨认，比通过振动分析软件BVA查找峰值点方便快捷，峰值点时刻与雷管名义延期时间对应情况见表3.3-1。通过对包络曲线的观察可以看出：

(1)本次爆破振速最大值为1.18cm/s，出现在第4ms处，通过与雷管名义延期时间对照可以分析出此处为1段雷管掏槽爆破。

(2)振速相对较大的点为第1#~7#峰值点，集中于前250ms内，施工部位为Ⅰ部掏槽及附近。

(3)1#~7#峰值点中，4#与5#时间间隔较大为81ms无叠加。1#与2#、5#与6#波峰间距较小，波形有叠加趋势，不利于振速控制。现场施工过程中选用雷管应加大起爆时间间隔，防止振动波叠加。

第(1)、(2)条所反应的现象并不是某一次爆破所特有的，通过分析其它炮次的数据，这种现象普遍存在，即掏槽眼及掏槽周围辅助眼起爆时爆破振动速度较大。主要原因是掏槽眼及掏槽周围辅助眼起爆时自由面比较小，且位于拱顶部位距离上方建筑物较近。通过对数据统计分析振速最大值多数出现在掏槽起爆的部位。因此，应避免掏槽眼6个孔同时起爆的情况，对振速控制较严格施工建议采用直眼掏槽。

4结论与展望

爆破设计、施工、管理、监测和监测分析反馈几个环节密切相关相辅相成，爆破施工过程中应重视每一个环节加强过程控制，使整个爆破施工有理有据，良性循环不断改进。隧道下穿建筑物过程中振动速度控制在1.2cm/s范围内，首先是设计方案合理，进行完备的技术安全交底。其次是现场监管到位，现场监督检查，实时振速监测和信息反馈，最终确保爆破施工安全有序进行。

采用HHT对振动信号深入分析发现，浅埋隧道爆破施工信号频率基本在110Hz以下，50Hz附近最为集中，优势频率范围为30Hz~80Hz。通过对峰值点和起爆时间的分析发现，槽眼及掏槽周围辅助眼起爆时爆破振动速度较大，现场施工雷管应跳段使用加大起爆时间间隔。

文章从现场施工的实际需要出发，探讨了爆破设计、施工、管理、监测和监测分析几个关联环节，并运用HHT理论对振动信号进行深入分析，具有一定的新颖性，通过研究得到的结论对现场施工有较好的指导作用。基于HHT分析，有必要进一步结合振动速度、频率和时间探究振动能量判据，并对安全能量值进行界定。

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