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【技术新闻】爆破测振仪在隧道施工中的运用
发布者： 官方 发布时间： 2015-09-14 16:32:48 阅读： 次[ 摘要 ] 重庆安稳电厂扩建项目场外燃料运输系统工程，营盘山-安稳运煤平硐需从一栋民房真下方穿过。爆破过程中，最大限度地减少爆破振动对周边建筑物的影响为施工关键所在。
【摘要】 重庆安稳电厂扩建项目场外燃料运输系统工程，营盘山-安稳运煤平硐需从一栋民房真下方穿过。爆破过程中，最大限度地减少爆破振动对周边建筑物的影响为施工关键所在。本文以穿越民房段施工为依托，通过运用爆破测震仪，较为准确地推断出三叠系中统嘉陵江组灰岩中K、α值，以确定单段最大炸药量，正确指导爆破施工，成功地控制爆破振动速度进行讨论。
【关键词】 测振仪 振速控制 爆破 隧道 监测
安稳运煤平硐出口开口坐标为X=3169592.748，Y=36377314.5。隧道全长1837.013m（暂定施工至4#胶带搭接硐室）,方位角46°00′00″,底板高程+484. 00米,隧区无相关地质资料。过民房及高压铁塔段主要断面为半圆拱断面，净宽4600（开挖宽6200）mm、净高3600（开挖高4400）mm、墙高1300mm；其支护形式钢拱架+系统锚杆+超前管棚+钢筋网片+C20喷射混凝土的初期支护及C25钢筋砼二次衬砌，初期支护及二次衬砌厚均为d=400mm；基础深度40000mm，水沟开挖450mm*300mm。
根据营盘山—安稳运煤平硐设计图(112-2G1)以及测量现场实测数据得出，营盘山—安稳运煤平硐出口K0+61.5至K0+80.6正上方有民房一栋，营盘山-安稳运煤平硐K0+91.5至K0+98.3段正上方为高压铁塔，穿越民房及高压铁塔长度共计25.9米。经甲方提供地质资料显示该段为三叠系中统嘉陵江组灰岩。隧道拱顶距民房垂直高度仅为13.6米。隧道拱顶距高压铁塔垂直高度16米根据《爆破安全规程》，及周边环境，设计爆破振动速度V≤1.5cm/s并对施工过程中爆破振动效应进行监测。
图1：民房与隧道相对位置关系图
一，爆破振动监测
1.1测点布置
为了达到监测的目的及保护改建筑物此段监测测点布置遵循以下原则：1在受爆破振动较大的建（构）筑物附近的地面或建构筑物具有代表性的位置布置测点，一测定地面振动参数及结构参数；2，测点必须便于布置传感器，尽量使传感器与基岩固结为一个整体。
根据上述原则，该段施工选取了15个测点，分别为1~15布置在里程桩号K0+61.5~K0+80.6之间，主要分别布置在隧道轴线上方。
1.2测振仪设备选用
爆破检测系统采用成都交博科技有限公司生产的L20爆破测振仪，监测系统见图2：
二，参数的确定
萨道夫斯基经验公式表明，测点振速与测点距爆破区域距离和单段最大炸药使用量有关，同时与爆破区域地质、爆破方法等因素亦有明显关系，即：
V=K(Q1/3/R)α （1）
式中 K-场地系数
α-衰减系数
Q-单段最大装药量，Kg
R-测点与爆破位置距离,m
根据《爆破安全操作规程》，不同岩性中K、α值可按表1中取得。
爆区不同岩性K、α值 表1
表1中数据为不同硬度围岩K、α取值范围，为了较准确取得K、α值，从振动实测波形中共获得了15组Z方向、15组X方向振速资料。根据测点距离、单段炸药用量和实际振速，采取爆破测震仪分析软件中的萨道夫斯基分析回归，得出K、α值。
Z方向振速、单段最大药量及距离实测统计表 表2
图3：Z方向参数拟合 图4：Z方向振速预测
图5：测点z方向振动波形图 图6：测点X方向振动波形图
通过之前测出数据，采用测震仪分析软件回归得出αZ=2.06，KZ=158.98。
三、起爆时间差的确定
为了防止振动波的叠加，造成施工进度减慢，我们采用不同的起爆时间差进行对比，由于该工程采用煤矿许用毫秒电雷管，在确定起爆时间差时我们采用了三种不同的组合进行对比。A组135段同时起爆，B组12345段同时起爆，C组15段同时起爆，最终通过不同段雷管起爆监测出不同振动波形图，该段施工起爆时差最终确定为100ms。
图7：12345段同时起爆振动波形图 图8：135段爆破振动波形图
图9：15段同时起爆振动波形图
根据三种不同起爆方式的波形图和测振仪监测出数据能明显看出12345段同时起爆及135段同时起爆，爆破振动波形有明显的叠加。15段起爆振动波无叠加现象且爆破振动衰减最快。在确定起爆时间差时，每次起爆的单段最大装药量和爆破监测距离为固定值，通过改变起爆时间差监测出当12345段同时起爆时爆破振动最大振动速度为2.86cm/s，135段同时起爆时爆破振动最大振动速度为2.46cm/s，15段同时起爆时爆破振动最大振动速度1.84cm/s通过三种不同起爆时间差和爆破振动数据进行比较。所以该段起爆时间差选择100ms是正确的。
四、爆破振速的预测
根据之前确定的参数，通过我国《爆破安全规程》（GB6722-2014）采用的前苏联爆破振动传播与衰减规律普遍采用的萨道夫斯基的经验公式：
V=ｋ（Q1/3/R）α
式中的V为质点振动速度（cm/s），K为爆破场地地形系数，α为爆破场地地质系数，Q为单段最大装药量（kg），R为爆破点距监测位置的距离（m）。
在测振仪分析软件中内置萨道夫斯基经验公式，通过之前确定的地形系数K及地质系数α，爆破位置距需保护的民房13.6m，能预测出不同装药量情况下改民房的爆破振动速度。
图10：振速预测图
根据分析软件预测出装药量和振动速度的关系，以确定下一循环单段最大装药量。根据每天监测振动数据及装药记录及时调整地质系数α及地形系数K，以便准确预测出下一循环单段装药量与爆破振动速度关系，确定下一循环装药量。
五、修正萨道夫斯基公式
由于本隧道的爆破地点距测点以及民房存在较大高差，已有研究表明萨道夫斯基公式在预测中考虑了传播介质条件，药量和爆炸中心距测点距离等主要因素，但为考虑测点距爆炸中心高差距离，爆破振动主频等因素，因此采用中南大学希望爆破岩土工程中心在海南铁矿爆破振动监测过程中采用的萨氏修正公式为：V=K(√3Q/R)α（R/S）β
式中的K为地质系数，α为地形系数，β为高程影响系数，V为爆破振动速度，Q为最大段装药量。通过上述求出地质系数及地形系数，和爆破振动监测数据能计算出高程影响系数β，最终算出结果K=158.98，α=2.06，β=-0.73935。
六、数据运用
根据萨氏修正公式预测及爆破测振仪监测数据，K=158.98，α=2.06，β=-0.73935。营盘山-安稳运煤平硐出口K0+61.5至K0+98.3段爆破地点距民房垂直最小距离仅为13.6米。振动速度最大取1.5cm/s，计算此段单段最大装药量≤2.1kg，根据计算设计起爆网络图如下：
【关键词】 测振仪 振速控制 爆破 隧道 监测
安稳运煤平硐出口开口坐标为X=3169592.748，Y=36377314.5。隧道全长1837.013m（暂定施工至4#胶带搭接硐室）,方位角46°00′00″,底板高程+484. 00米,隧区无相关地质资料。过民房及高压铁塔段主要断面为半圆拱断面，净宽4600（开挖宽6200）mm、净高3600（开挖高4400）mm、墙高1300mm；其支护形式钢拱架+系统锚杆+超前管棚+钢筋网片+C20喷射混凝土的初期支护及C25钢筋砼二次衬砌，初期支护及二次衬砌厚均为d=400mm；基础深度40000mm，水沟开挖450mm*300mm。
根据营盘山—安稳运煤平硐设计图(112-2G1)以及测量现场实测数据得出，营盘山—安稳运煤平硐出口K0+61.5至K0+80.6正上方有民房一栋，营盘山-安稳运煤平硐K0+91.5至K0+98.3段正上方为高压铁塔，穿越民房及高压铁塔长度共计25.9米。经甲方提供地质资料显示该段为三叠系中统嘉陵江组灰岩。隧道拱顶距民房垂直高度仅为13.6米。隧道拱顶距高压铁塔垂直高度16米根据《爆破安全规程》，及周边环境，设计爆破振动速度V≤1.5cm/s并对施工过程中爆破振动效应进行监测。
图1：民房与隧道相对位置关系图
一，爆破振动监测
1.1测点布置
为了达到监测的目的及保护改建筑物此段监测测点布置遵循以下原则：1在受爆破振动较大的建（构）筑物附近的地面或建构筑物具有代表性的位置布置测点，一测定地面振动参数及结构参数；2，测点必须便于布置传感器，尽量使传感器与基岩固结为一个整体。
根据上述原则，该段施工选取了15个测点，分别为1~15布置在里程桩号K0+61.5~K0+80.6之间，主要分别布置在隧道轴线上方。
1.2测振仪设备选用
爆破检测系统采用成都交博科技有限公司生产的L20爆破测振仪，监测系统见图2：
二，参数的确定
萨道夫斯基经验公式表明，测点振速与测点距爆破区域距离和单段最大炸药使用量有关，同时与爆破区域地质、爆破方法等因素亦有明显关系，即：
V=K(Q1/3/R)α （1）
式中 K-场地系数
α-衰减系数
Q-单段最大装药量，Kg
R-测点与爆破位置距离,m
根据《爆破安全操作规程》，不同岩性中K、α值可按表1中取得。
爆区不同岩性K、α值 表1
| 岩性 | K | α |
| 坚硬岩石 | 50～150 | 1.3～1.5 |
| 中硬岩石 | 150～250 | 1.5～1.8 |
| 软岩石 | 250～350 | 1.8～2.0 |
Z方向振速、单段最大药量及距离实测统计表 表2
| 振速(cm/s) | 2.56 | 3.03 | 2.96 | 1.94 | 1.29 | 1.93 | 0.73 | 0.77 | 2.35 | 2.45 | 1.46 | 1.39 |
| Q(Kg) | 3.6 | 5.4 | 5.4 | 4.8 | 1.8 | 2.1 | 2.4 | 2.85 | 7.8 | 2.4 | 3 | 4.8 |
| R(m) | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 |
| 振速(cm/s) | 1.11 | 1.94 | 3.36 | |||||||||
| Q(Kg) | 3.6 | 4.8 | 3.6 | |||||||||
| R(m) | 13.6 | 13.6 | 13.6 |
图3：Z方向参数拟合 图4：Z方向振速预测
图5：测点z方向振动波形图 图6：测点X方向振动波形图
通过之前测出数据，采用测震仪分析软件回归得出αZ=2.06，KZ=158.98。
三、起爆时间差的确定
为了防止振动波的叠加，造成施工进度减慢，我们采用不同的起爆时间差进行对比，由于该工程采用煤矿许用毫秒电雷管，在确定起爆时间差时我们采用了三种不同的组合进行对比。A组135段同时起爆，B组12345段同时起爆，C组15段同时起爆，最终通过不同段雷管起爆监测出不同振动波形图，该段施工起爆时差最终确定为100ms。
图7：12345段同时起爆振动波形图 图8：135段爆破振动波形图
图9：15段同时起爆振动波形图
根据三种不同起爆方式的波形图和测振仪监测出数据能明显看出12345段同时起爆及135段同时起爆，爆破振动波形有明显的叠加。15段起爆振动波无叠加现象且爆破振动衰减最快。在确定起爆时间差时，每次起爆的单段最大装药量和爆破监测距离为固定值，通过改变起爆时间差监测出当12345段同时起爆时爆破振动最大振动速度为2.86cm/s，135段同时起爆时爆破振动最大振动速度为2.46cm/s，15段同时起爆时爆破振动最大振动速度1.84cm/s通过三种不同起爆时间差和爆破振动数据进行比较。所以该段起爆时间差选择100ms是正确的。
四、爆破振速的预测
根据之前确定的参数，通过我国《爆破安全规程》（GB6722-2014）采用的前苏联爆破振动传播与衰减规律普遍采用的萨道夫斯基的经验公式：
V=ｋ（Q1/3/R）α
式中的V为质点振动速度（cm/s），K为爆破场地地形系数，α为爆破场地地质系数，Q为单段最大装药量（kg），R为爆破点距监测位置的距离（m）。
在测振仪分析软件中内置萨道夫斯基经验公式，通过之前确定的地形系数K及地质系数α，爆破位置距需保护的民房13.6m，能预测出不同装药量情况下改民房的爆破振动速度。
图10：振速预测图
根据分析软件预测出装药量和振动速度的关系，以确定下一循环单段最大装药量。根据每天监测振动数据及装药记录及时调整地质系数α及地形系数K，以便准确预测出下一循环单段装药量与爆破振动速度关系，确定下一循环装药量。
五、修正萨道夫斯基公式
由于本隧道的爆破地点距测点以及民房存在较大高差，已有研究表明萨道夫斯基公式在预测中考虑了传播介质条件，药量和爆炸中心距测点距离等主要因素，但为考虑测点距爆炸中心高差距离，爆破振动主频等因素，因此采用中南大学希望爆破岩土工程中心在海南铁矿爆破振动监测过程中采用的萨氏修正公式为：V=K(√3Q/R)α（R/S）β
式中的K为地质系数，α为地形系数，β为高程影响系数，V为爆破振动速度，Q为最大段装药量。通过上述求出地质系数及地形系数，和爆破振动监测数据能计算出高程影响系数β，最终算出结果K=158.98，α=2.06，β=-0.73935。
六、数据运用
根据萨氏修正公式预测及爆破测振仪监测数据，K=158.98，α=2.06，β=-0.73935。营盘山-安稳运煤平硐出口K0+61.5至K0+98.3段爆破地点距民房垂直最小距离仅为13.6米。振动速度最大取1.5cm/s，计算此段单段最大装药量≤2.1kg，根据计算设计起爆网络图如下：
图11：炮眼布置图及起爆顺序图
掏槽眼深1m，掏槽眼深度大于其他炮眼20cm，起爆顺序如图10所示，本爆破施工采用煤矿需用毫秒延时电雷管，同时严格控制炮眼深度，炮眼深度不大于1米，且单孔炮眼炸药不大于2节（0.3Kg/节）。 每次爆破都对爆破产生的振动波进行监测，监测数据见表3.
表3：通过预测采取相应措施后爆破振动数据
实际监测出数据与上述预测数据进行对比，证明上述对隧道施工正上方有建筑物施工控制药量的方法是正确的。
七、结语
1.根据《爆破安全规程》（GB6722-86）对营盘山-安稳运煤平硐隧道爆破开挖施工的爆破进行了监测，并采用的高差影响的萨氏修正公式及萨道夫斯基公式对爆破振动速度进行修正，实践证明本次监测与控制措施保证了隧道在民房及高压电塔正下方安全施工，累积安全施工长度41.8米.
2.根据爆破测震仪分析软件及萨氏修正公式提出药量控制标准，保证了隧道安全施工。说明民房安全判据的选择是正确的。
3.在类似的隧道施工过程中，爆破振动监测是必须的，是避免经济损失和提高施工进度的重要措施。
4.在隧道施工是通过对爆破振动速度的监测对施工过程中爆破单段最大装药量具有指导作用。
掏槽眼深1m，掏槽眼深度大于其他炮眼20cm，起爆顺序如图10所示，本爆破施工采用煤矿需用毫秒延时电雷管，同时严格控制炮眼深度，炮眼深度不大于1米，且单孔炮眼炸药不大于2节（0.3Kg/节）。 每次爆破都对爆破产生的振动波进行监测，监测数据见表3.
表3：通过预测采取相应措施后爆破振动数据
| 振速(cm/s) | 1.48 | 1.32 | 1.41 | 1.29 | 1.29 | 1.47 | 1.33 | 1.45 | 1.36 | 1.28 | 1.46 | 1.39 |
| Q(Kg) | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 1.8 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 1.8 | 2.1 | 2.1 |
| R(m) | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 |
| 振速(cm/s) | 1.11 | 1.94 | 1.21 | 1.37 | 1.41 | 1.45 | 1.29 | 1.31 | 1.42 | 1.44 | ||
| Q(Kg) | 2.1 | 1.8 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | 2.1 | ||
| R(m) | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 | 13.6 |
实际监测出数据与上述预测数据进行对比，证明上述对隧道施工正上方有建筑物施工控制药量的方法是正确的。
七、结语
1.根据《爆破安全规程》（GB6722-86）对营盘山-安稳运煤平硐隧道爆破开挖施工的爆破进行了监测，并采用的高差影响的萨氏修正公式及萨道夫斯基公式对爆破振动速度进行修正，实践证明本次监测与控制措施保证了隧道在民房及高压电塔正下方安全施工，累积安全施工长度41.8米.
2.根据爆破测震仪分析软件及萨氏修正公式提出药量控制标准，保证了隧道安全施工。说明民房安全判据的选择是正确的。
3.在类似的隧道施工过程中，爆破振动监测是必须的，是避免经济损失和提高施工进度的重要措施。
4.在隧道施工是通过对爆破振动速度的监测对施工过程中爆破单段最大装药量具有指导作用。
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