浅埋隧道掘进爆破地震效应试验研究
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摘要
掘进爆破技术作为岩质地区浅埋隧道工程的一种主要施工方法，在施工中不可避免地要产生爆破地震效应。对爆破地震效应的控制不仅直接影响到爆破质量、隧道施工效率和工程经济效益，而且还影响到隧道围岩的稳定、隧道支护的效果以及周围建筑物或构筑物的安全。而要达到有效地控制爆破地震效应就必须对爆破地震波传播中的相关特性进行研究。
本文以穿越地表高层的渝怀铁路人和场浅埋隧道工程为背景，进行掘进爆破地震效应的现场试验，通过测量爆破引起的地表和隧道围岩的质点振动速度，研究地表与隧道内的爆破地震波传播特征。对比分析掌子面前后地表振动速度的变化特征发现，隧道成洞区的地表振动速度大于未成洞区的地表振动速度，即：在成形隧道区存在爆破震动的放大效应，其放大系数达1.3倍以上。同时对比分析隧道内开挖断面变大区域的质点振动速度数据发现，该区域同样存在爆破震动的放大效应。
通过地表楼房地震效应的现场试验，研究掘进爆破地震波沿楼房高度的变化特征发现，同一楼层的质点垂直振动速度一般大于相应的水平振动速度，前者为后者的1.2～4倍，而质点垂直振动频率更接近于楼房的自振频率。同时发现地表高层存在“滤波作用”，即爆破地震波频率随楼房高度的增加而趋近于楼房的自振频率。随着振动频率趋近于楼房的自振频率，质点振动速度也出现了增大趋势。
为了较准确的计算钻孔爆破引起的质点振动速度，本文在萨道夫斯基公式的基础上考虑了钻孔爆破自由面面积的影响，提出了钻孔爆破振动速度计算公式。通过实测振动速度数据的验证，由该式计算出的质点振动速度比萨道夫斯基公式的计算值更接近于实测值，其比例达80％以上。
The technique of driving blasting is used as a main constructive way in shallow tunnels in rocky zone. By this way, blasting seismic effect is inevitable. The control of blasting seismic effect is concerned with not only the blasting quality, the tunnel constructive efficiency and the benefit of the tunnel construction, but also the stability of the surrounding rock, the effect of tunnel timbering and the safety of buildings around the tunnel. In order to control the blasting seismic effect effectively, the blasting seismic waves' characters should be studied.
In view of the Ren Hechang shallow tunnel in Yuhuai railway, which will dig under two high buildings, the field experiments on seismic effect have been done. By measuring vibration velocities of particles in the ground and the surrounding rock of the tunnel, the blasting seismic waves' characters have been studied. By analysing the change character of the vibration velocities of the front and the back per face, it is found that the vibration velocities at the ground of the back pre face are larger than those of the front. That is, at the ground of the back pre face, there is the magnification effect of the vibration velocities, the magnification coefficient is no less than 1.3. Analysing and comparing the vibration velocities at the different regions of the digging surface changed, there is also the magnification effect of the vibration velocities in these regions.
The field experiments have been done on seismic effect of the building. By studying the change character of the blasting seismic waves' along the vertical direction of the building, it is found that the vertical vibration velocities are larger 1.2-4 times than the horizontal vibration velocities at the same floor. The vertical vibration frequency is much closer to the self-frequency of the building than the horizontal vibration frequency at the same floor. Along the vertical direction of the building, the blasting seismic waves' frequency becomes closer to the self-frequency. As a result,
the vibration velocities have the trend to increase.
In order to calculate the particle vibration velocity in drilling blasting accurately, the corresponding formula has been brought forward. Compared with the results of the Sodev's empirical formula, the results of the formula are much closer to the values of the actual vibration velocities. 80% of the results of the formula are better than those of the Sodev's empirical formula.
本文以穿越地表高层的渝怀铁路人和场浅埋隧道工程为背景，进行掘进爆破地震效应的现场试验，通过测量爆破引起的地表和隧道围岩的质点振动速度，研究地表与隧道内的爆破地震波传播特征。对比分析掌子面前后地表振动速度的变化特征发现，隧道成洞区的地表振动速度大于未成洞区的地表振动速度，即：在成形隧道区存在爆破震动的放大效应，其放大系数达1.3倍以上。同时对比分析隧道内开挖断面变大区域的质点振动速度数据发现，该区域同样存在爆破震动的放大效应。
通过地表楼房地震效应的现场试验，研究掘进爆破地震波沿楼房高度的变化特征发现，同一楼层的质点垂直振动速度一般大于相应的水平振动速度，前者为后者的1.2～4倍，而质点垂直振动频率更接近于楼房的自振频率。同时发现地表高层存在“滤波作用”，即爆破地震波频率随楼房高度的增加而趋近于楼房的自振频率。随着振动频率趋近于楼房的自振频率，质点振动速度也出现了增大趋势。
为了较准确的计算钻孔爆破引起的质点振动速度，本文在萨道夫斯基公式的基础上考虑了钻孔爆破自由面面积的影响，提出了钻孔爆破振动速度计算公式。通过实测振动速度数据的验证，由该式计算出的质点振动速度比萨道夫斯基公式的计算值更接近于实测值，其比例达80％以上。
The technique of driving blasting is used as a main constructive way in shallow tunnels in rocky zone. By this way, blasting seismic effect is inevitable. The control of blasting seismic effect is concerned with not only the blasting quality, the tunnel constructive efficiency and the benefit of the tunnel construction, but also the stability of the surrounding rock, the effect of tunnel timbering and the safety of buildings around the tunnel. In order to control the blasting seismic effect effectively, the blasting seismic waves' characters should be studied.
In view of the Ren Hechang shallow tunnel in Yuhuai railway, which will dig under two high buildings, the field experiments on seismic effect have been done. By measuring vibration velocities of particles in the ground and the surrounding rock of the tunnel, the blasting seismic waves' characters have been studied. By analysing the change character of the vibration velocities of the front and the back per face, it is found that the vibration velocities at the ground of the back pre face are larger than those of the front. That is, at the ground of the back pre face, there is the magnification effect of the vibration velocities, the magnification coefficient is no less than 1.3. Analysing and comparing the vibration velocities at the different regions of the digging surface changed, there is also the magnification effect of the vibration velocities in these regions.
The field experiments have been done on seismic effect of the building. By studying the change character of the blasting seismic waves' along the vertical direction of the building, it is found that the vertical vibration velocities are larger 1.2-4 times than the horizontal vibration velocities at the same floor. The vertical vibration frequency is much closer to the self-frequency of the building than the horizontal vibration frequency at the same floor. Along the vertical direction of the building, the blasting seismic waves' frequency becomes closer to the self-frequency. As a result,
the vibration velocities have the trend to increase.
In order to calculate the particle vibration velocity in drilling blasting accurately, the corresponding formula has been brought forward. Compared with the results of the Sodev's empirical formula, the results of the formula are much closer to the values of the actual vibration velocities. 80% of the results of the formula are better than those of the Sodev's empirical formula.
引文
1 陈豪雄，殷杰．隧道工程．北京：人民交通出版社，1995
2 关宝树，钟新焦．地下空间利用．成都：西南交通大学出版社，1989
3 齐景嶽，刘正雄，张儒林，卿光全．隧道爆破现代技术．北京：中国铁道出版社，1995
4 毛光宁译．快速掘进论文集．北京：煤炭工业出版社，1992
5 王延武，刘清泉，杨永琦，王野平．地面与地下工程控制爆破．北京：煤炭工业出版社，1990
6 冯叔瑜，王中黔，顾毅成．铁路爆破事业的发展与展望．铁道工程爆破文集，兰州，2000：5—17
7 易萍丽．现代隧道设计与施工．北京：中国铁道出版社，1997
8 张继春．工程控制爆破．成都：西南交通大学出版社，2001
9 陈士海．现代钻爆理论与技术．北京：煤炭工业出版社，1998
10 蔡福广编著．光面爆破新技术．北京：中国铁道出版社，1994
11 王湘译．复杂地层中井巷掘进技术译文集．北京：煤炭工业出版社 1984
12 何广沂．大量石方松动控制爆破新技术．北京：中国铁道出版社，1995
13 戴光林，林东才．光爆锚喷施工技术．北京：煤炭工业出版社，1998
14 刘慧，邓志勇，王中黔．隧道多孔齐爆掘进的数值模拟研究．铁道工程爆破文集，兰州，2000：267—272
15 王文龙．钻眼爆破．北京：煤炭工业出版社，1984
16 张奇，杨永崎．分阶分段直眼掏槽．工程爆破，1997
17 邓志勇 刘慧．隧道无掏槽掘进爆破技术的实验研究．铁道工程爆破文集，兰州，2000：258—260
18 方俊波，崔天麟．浅埋地铁区间爆破对地表建筑物的震动影响．铁道工程爆破文集，兰州，2000：326—331
19 戈鹤川，杨年华．爆破振动测试技术及安全评价问题探讨．铁道工程爆破文集，兰州，2000：321—325
20 郑大榕．非电毫秒不对称起爆网路在降低隧道爆破振动中的应用．铁道工程爆破文集，兰州，2000：315—320
21 刁天祥，方俊波．软层围岩隧道爆破控制超挖施工技术．铁道工程爆
破文集，兰州，2000：276—281
22 冯叔瑜．城市控制爆破．北京：中国铁道出版社，1985
23 张雪亮，黄树棠．爆破地震效应．北京：地震出版社，1981
24 雷升祥，杨春明，邱玉良．城市浅埋隧道控制爆破一例．铁道工程爆破文集，兰州，2000：249—253
25 Li Hongnan, et al. Rotational Components of Earthquake Motions and Their Stochastic Models.In: Proc. of SJCSR. Beijing, china: May28-30, 1989:230-232
26 周春锋，余春红．城市浅埋隧道减震控制爆破技术．铁道工程爆破文集，兰州，2000：243—248
27 戴俊．岩石动力学特性与爆破理论．北京：冶金工业出版社，2002
28 周维．高等岩石力学．北京：水利电力出版社．1990
29 王玉斌．南昆铁路米花岭隧道采用光面爆破控制超欠挖的措施与效果．隧道和地下工程第10届科技动态报告会文集
30 高菊如，杨年华，涂文轩．PNJ-1型炮泥机的研制与应用前景．铁道工程爆破文集，兰州，2000：338—342
31 EXP2850爆破振动分析仪使用说明
32 孟吉复，惠鸿斌．爆破测试技术，1992
33 张世雄．地下工程爆破振动监测与分析．爆破，2001，18(2)：48-52
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38 姚尧．爆震的放大效应与二元回归分析．爆破，1992，(4)：4-8
39 杨永琦．矿山爆破技术与安全．北京：煤炭工业出版社，1991
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46 Y. H. Pao and C. C.Ku and F. Ziegler(1983). Wave Motion 5. 385-398
47 A. G.Ramm(1982). J.Math Phys 23, 1123-1125
48 P. C. Waterman(1983). Review of Progress in QNDE, 2B, 61-78
49 P. A. Martin(1982). Wave Motion, 4. 391-408
50 P. A. Martin(1985). Wave Motion, 7. 177-193
51 S. K. Datta(1978). Mechanics Today 4, 149-208
52 D. A. Simons(1980). J. Appl Mech, 51, 934-940
53 范磊，沈蔚．爆破振动频谱特性试验研究．爆破，2001，18(4)：18-20
54 李彤华，唐春海，于亚伦．爆破振动的频谱特性及其在工程应用．工程爆破，2000，6(2)：1-5
55 Song Guangming et al Monitoring and Assessing Method for Blasting Vibration on Open-pit Slope in Hainan Iron Mine. J.CENT.SOUTH UNIV.TECHNOL 2000.7(2):72-74
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57 Blare DP. The Measurement, Modeling and Control of Ground Vibration due to Blasting, Keystong,Cilordo, 1987
58 D.E.Siskind, Steven V.Crum, Matthew N.Plis. Blast Vibration and Other Potential Causes of Damage in Homes Near A Large Surface Coal Mine in Indian. U.S Bureau of Mines, Minneapolis, MN, RI9445,1993
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64 Zerva A, Zhang O. Estmation of Signal Characteristics in Seismic Ground Motions. Prob Eng Mech, 1996,11(2):229～242
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