隧道爆破振动对相邻既有平行隧道影响分析
龙 源 李兴华 赵华兵 周 辉 郭 方
(解放军理工大学野战工程学院，江苏南京，210007)
摘要：南京机场线地铁下穿宁芜货线隧道，最近距离仅为4m。南京机场线地铁采用台阶爆破开挖，为保证既有宁芜货线隧道的安全。对宁芜货线隧道进行即时的爆破振动监测。实测结果表明，既有隧道三个方向振动信号的功率谱密度分布是相似的，频率主要集中在10～25Hz之间，垂向爆破振动速度对应的功率谱密度最大。平行隧道掘进爆破引起的隧道振动低频能量衰减较快，隧道直墙测点切向方向振动信号能量分布较集中，而径向和垂向方向能量分布较分散：与交叉隧道爆破引起的隧道振动相比，能量分布有向低频发展的趋势，掘进爆破过程中采取了一系列减震技术措施，有效降低了爆破振动对既有隧道的影响，保证了隧道的安全。实时监测和综合减震技术应用可以保证相邻平行隧道的安全，为类似隧道工程提供参考。
关键词：平行隧道；隧道掘进爆破；爆破振动监测；振动特性
1 引言
随着国民经济的高速发展，城市交通量越来越大。为满足日益增大的交通量需求，大量的单线隧道需扩建为复线隧道，或新建隧道即为平行的复线隧道，而且这种需求在将来还会进一步增长[1]。由于受地形条件的限制、隧道分建带来的困难以及地下空间综合开发利用的需要，新建隧道与既有隧道设计间距往往较小，如株六复线二道岩隧道与既有隧道最小间距3m[2]，宝成复线新须家河隧道与既有须家河隧道间的中岩墙厚度仅为1．90～2．32m[3]，招宝山两隧道最小间距仅为2．98[4]等。
在公路、铁路、地铁隧道的施工中，遇到围岩级别较高的地域，多采用钻爆法施工，工程爆破带来巨大经济效益的同时，爆破振动不可避免地会危害到临近既有隧道的安全。对于中硬岩隧道，爆破振动产生的危害相对较大。隧道的安全与否，不但取决于隧道衬砌结构的抗振能力，而且与振动波的强度有关。研究表明，爆破振动峰值速度是估计介质(岩石和混凝土结构)承受振动破坏等级的最好标准，目前关于爆破振动的研究主要也是以振动速度的测量和分析为依据，爆破振动峰值速度作为既有隧道安全判据，被中国和其他国家广泛采用。由于隧道地下结构受动载荷响应的复杂性的影响，传统数学解析法数学计算和处理上的困难决定了它只能适用于影响条件比较简单的情形。另外，爆破地震波本身的复杂性、围岩的节理裂隙、构筑物本身的缺陷及施工强度不均等难以用数学方法表述，所以国内外学者和工程技术人员结合大量的工程爆破实例进行了爆破振动速度的监测，对既有构筑物的动态响应进行研究[5]，并随着计算机的飞速发展，运用计算机软件研究爆破荷载下邻近岩土及构筑物动态响应，这些研究越来越被各国学术界所接受[6~8]。
然而，由于爆破振动效应引起的邻近隧道的破坏问题，在过去的工程实践中重视不够，但客观事实却显得尤为突出，这就要求我们进行不断地研究以满足工程实践的需求。因而，研究邻近隧道在新建隧道爆破开挖作用下的振动响应，不仅成为具有重要理论和现实意义的课题，而且具有显著的经济效益和社会效益：本文在南京机场线地铁项目现场监测的实验基础上，研究既有隧道在邻近新建地铁隧道爆破开挖作用下的振动响应，为其他类似隧道工程提供参考。
2工程概况
南京至高淳城际轨道南京南站两端区间隧道分为三个区间，分别为5号风井---南京南站区间隧道、S3线站后折返线隧道、机场线站后折返线隧道。单洞单线隧道高度6．61m，宽度为6．3m，单洞双线隧道高度为10．253m，宽度为14．2m。单洞单线隧道的结构和尺寸如图l所示。
其中，5A竖井～5号风井区间单洞单线隧道拟采用矿山法施工。此段地铁隧道与已建未通车宁芜货线上下交叉，宁芜货线隧道结构和尺寸如图2所示。地铁左线隧道与宁芜货线隧道交叉段落起讫里程为ZDK34+469．686～ZDK34+650．411、地铁右线隧道与宁芜货线隧道交叉段落起讫里程为YDK34+393．272～YDK34+519．905，对应于宁芜货线隧道里程HDK22+383．18～+623．863。地铁左线隧道与宁芜货线隧道平面夹角约为7°，地铁右线隧道与宁芜货线隧道平面夹角约为10°，如图3所示。
交叉段单洞单线隧道拱顶埋深14～26m，宁芜货线隧道埋深为13m。交叉段宁芜货线隧道采用钻孔桩围护的明挖法施工，钻孔桩桩身长度为22．5～23m，桩底标高为一12．5～—13．0m。
隧道轨面标高为–2．07～–2．816m，底板底标高为–4．37～–5．1 16m。交叉段左线地铁轨面标高为–17．942～–10．243m，拱顶标高为–12．742～–5．043m，右线地铁轨面标高为–17．078～–13．487m，拱顶标高为～11．878～–8．287m。地铁右线、左线隧道与宁芜货线隧道关系如图4和图5所示。
宁芜货线隧道结构与地铁结构左线最小净距约1.7m，右线最小净距4.0m。
本项目工程区间隧道拱顶绝大部分为粉质黏土、强风化粉细砂。区间洞身局部位于强风化粉细砂岩、中风化粉细砂岩中，其物理力学性质差异较大。隧道交叉段洞身穿越中风化粉细砂岩层，围岩级别为Ⅲ级。
3爆破振动测试
3．1爆破振动测试仪
本次爆破振动监测采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850型爆破振动测试仪，如图6所示。该套振动测试系统具有采集稳定性高、记录准确等特点，主要对地震波、机械振动和各种冲击信号进行记录。主要技术指标详见表1。
在具体监测过程中，同一测点布置一个竖直向、水平径向和水平切向的三向速度传感器，传感器用石膏固定在所需监测的部位，然后将爆破振动记录仪与其相连，爆破振动传递到测点时，记录仪自动记录信号，爆后利用爆破振功分析软件将记录仪采集到的振动信号输入电脑中，进行分析处理。
3．2测点选择及布置
为全面、真实地反映结构物在爆破地震波作用下的振动响应情况，传感器应布置在结构最易发生破裂受损的地方，并选取爆区周围需重点保护的建(构)筑物。为深入研究爆破振动效应和确定建筑物的安全范围或划定爆破危险区域，需在爆破振动效应较大的区域内布置较密的测点，以便测定爆破振动强烈的区域以及地面振动强度随爆心变化的规律。为研究爆破振动效应作用特征，需在一定范围内，在特定的地质地形条件下，测定爆破地震波的传播规律。测点数目要足够多，一般一条测线上测点数不少于5个，相邻测点距离呈对数规律分布。
为了监测地铁隧道爆破施工对铁路隧道的影响，爆破振动测点的选择分为隧道轴线方向和垂直于轴线方向两种情况。隧道轴线方向在宁芜货线铁路隧道衬砌底板对应新建地铁隧道掌子面处开始，在其轴线上沿隧道开挖方向每隔2m布置一个测点，共布置5个测点，传感器x方向指向掌子面。由于仪器设备电缆长度所限，在衬砌直墙上布置两个测点，最下端测点距地面1m，向上隔1m布置另一个测点，传感器x方向垂直向下。测点位置及相互距离如图7和图8所示。
为了可靠地得到爆破振动响应的记录，传感器必须与测点表面牢固地结合在一起，防止由于传感器松动、滑动等因素可能导致测试信号失真。仪器设置中采用石膏将传感器固定于宁芜货线隧道地板或边墙上，传感器x方向指向地铁隧道掌子面方向。
3．3爆破振动测试标准
爆破所引起岩体介质内的振动是一个非常复杂的随机变量，在以波的形式传播的过程中，其振幅、周期和频率均随时间而变化。振动的物理量一般用质点的振动速度、加速度、位移和振动频率等表示。目前国内外多以质点振动速度作为判别标准，但有的学者研究发现，主频也是一个不可忽略的因数，我国目前使用《爆破安全规程》也同时考虑了爆破振动的峰值振动速度和主频的影响。
由于爆破振动引起的建筑物、结构物或岩土体等的破坏受到许多复杂元素的影响，例如破坏过程的复杂性和岩土介质的多变性等，因此，关于爆破振动破坏的允许标准，目前还没有统一规定，一般是根据目前的研究成果与工程经验和具体工程的实际情况综合确定。
4隧道爆破参数设计
地铁隧道爆破施工中为确保宁芜货线隧道安全和弱爆破的总体方案。为了降低爆破振动，隧道施工采用上下台阶开挖的方法，把隧道掌子面为上下两部分。上台阶开挖宽度为6．1m，高度为3．3m。爆破施工中采用Ф32mm乳化炸药，炮孔直径为40mm。采用斜孔水平V形掏槽，掏槽孔孔深为1．2m，孔距为O．5m。辅助孔孔深为1．Om，孔距为0．55m。周边孔孔深为1．Om，孔距为0．4m。毫秒延时起爆网路，炮孔布置如图 9所示，炮孔深度及各孔装药量见表2。
5爆破振动测试结果与分析
5．1爆破振动速度分析
对既有宁芜货线铁路隧道进行了大量的爆破振动测试，由于篇幅有限，表3仅列举了部分有代表性炮次中监测点Ve01的爆破振动监测结果。从表3中可以看出，爆破振动速度位于 5～10cm／s区间有5炮次，位于10～20cm／s区间有9炮次，位于20～30cm／s区间有4炮次，位于30～40cm／s区间有3炮次。其中，在各次爆破振动试验中，垂向振动速度最大，即垂直于宁芜货线铁路隧道底板方向。表3中，Q1为总药量，Q2为掏槽孔装药量，H-BVV为径向爆破振动速度，L-BVV为切向爆破振动速度，V-BVV为垂向爆破振动速度。
图10分别给出了TN06炮次试验时监测点Ve01～Ve06径向、切向、垂向爆破振动速度时程曲线。由图10可以看出，各监测点三个方向爆破振动持续时间约为260ms，振动速度均具有四个峰值，对应于爆破过程中4个段别装药。爆破振动速度相邻每个波峰之间的时间差与雷管段别之间的时间差一致，说明各段装药形成的爆破地震波没有叠加。爆破振动最大峰值速度均出现在第一波峰或波谷，对应掏槽爆破，证明掏槽爆破由于受到夹制作用，故产生的爆破振动较大。
图10(f)为宁芜货线铁路隧道对应掌子面处直墙监测点爆破振动速度时程曲线，可以看出直墙上不同段装药产生的振动峰值较均匀。
图1l表示表3中各次监测试验宁芜货线铁路隧道轴向测点垂向爆破振动峰值速度衰减关系，可以看出，在新建地铁隧道爆破开挖作用下，既有隧道位于与掌子面相对应的断面监测点爆破振动速度最大，在其轴向未开挖方向上爆破振动速度随距离增大而成指数衰减，故需要对掌子面对应的既有隧道断面进行重点监测。其中TN06炮次监测试验轴向测点垂向爆破振动峰值速度衰减关系见式(1)。
y=289．32x-0．361 （1）
5．2爆破振动频谱特性分析
大量实践和理论说明，爆破振动安全判据中应考虑爆破地震波主频和建(构)筑物自振频率共同作用的影响，采用以单一的爆破振动速度峰值指标为判据的安全标准不能全面反映爆破地震波对建(构)筑物破坏的真实情况。美国矿业局USBM标准、露天矿复垦管理局OSMR标准和德国BRD-DIN4150标准早就已经考虑了爆破振动峰值和相应频率的综合影响，形成了振动速度和频率联合作用爆破振动安全判据。图12表示相对应图10中监测点Ve01三个方向振动信号的功率谱密度曲线，由图12中功率谱密度曲线可以看出，三个方向振动信号的功率谱密度分布是相似的，频率主要集中在10～25Hz之间，主要是由于既有隧道距离新建隧道较近，垂向爆破振动速度对应的功率谱密度最大其中，径向爆破振动速度的最大功率谱密度对应的频率是18．6Hz ，切向爆破振动速度的最大功率谱密度对应的频率是10．9Hz，垂向爆破振动速度的最大功率谱密度对应的频率是21．9Hz。
5．3爆破振动能量特性分析
此次现场试验过程中爆破振动测试仪设置的采样频率为8000Hz，根据采样定理，则其奈奎斯特(Nyquist)频率为4000Hz。对TN06炮次采集的爆破振动信号采用dB8小波基函数进行尺度为10的小波包分解，即将信号分解到1024个频带上，则每个频带的宽度约为4Hz。根据基于小波包的不同频带能量分布理论，利用数学计算软件编制相应程序，从而获得TN06炮次各测点爆破振动信号的各频带能量分布特性。图13和图14分别为TN06炮次Ve 01、Ve 05、Ve 06测点既有铁路隧道爆破振动信号的频带能量分布图，其中Ve01、Ve 05测点为隧道轴线方向底板位置的测点，Ve06为隧道直墙位置的测点。
通过分析不同测点频带能量分布图发现，平行隧道爆破影响下既有铁路隧道振动频率分布比较广，但是绝大部分集中在中高频部分。每个测点不同方向上隧道振动信号具有明显的主振频带，而且频带又可分为几个分振频带。同一测点三个方向中，垂向方向振动信号能量分布较分散。从测点Ve01到Ve05距掌子面的距离逐渐增大，三个方向振动信号低频能量呈衰减趋势，而高频能量增多。隧道直墙测点切向方向振动信号能量分布较集中，而径向和垂向方向能量分布较分散。
对比交叉隧道爆破影响下地铁隧道的振动信号特点，平行隧道爆破影响下铁路隧道振动信号能量有向低频发展的趋势，由于隧道结构的自振频率较低，因此这一趋势对于隧道结构的保护是不利的。
6结论
选择合理的掏槽形式和掏槽位置，为后续爆破创造足够好的临空面，周边施做减振孔和分散装药是减振爆破控制的有效手段。一次起爆最大段装药量和合理选择间隔时间也是控制爆破设计的关键，采取时差较大的爆破，其振动波形不会出现叠加现象。在实际爆破施工中应改进掏槽爆破设计并在爆破时重点监测。
既有隧道三个方向振动信号的功率谱密度分布是相似的，频率主要集中在10～25Hz之间，垂向爆破振动速度对应的功率谱密度最大。
平行隧道掘进爆破引起的隧道振动低频能量衰减较快，隧道直墙测点切向方向振动信号能量分布较集中，而径向和垂向方向能量分布较分散。与交叉隧道爆破引起的隧道振动相比，能量分布有向低频发展的趋势。
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