爆破振动监测与超前地质预报

1隧道超前地质预报1.1超前地质预报的意义随着我国基本建设规模的扩大，隧道工程已经成为铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程。在这种形势下，隧道工程的重要性越来越显著，隧道工程的数量大幅度增加，隧道工程的长度明显增加，规模不断扩大。因此，隧道工程的顺利安全施工和贯通，是不可回避的重要任务和技术难题。危及隧道工程施工的地质病害大致分为三类：（1）不良工程地质条件，诸如岩体的裂隙发育密集带、构造破碎带、岩溶发育带、以及人工采矿造成的不良地质条件和高地应力造成的危害等；（2）不良水文地质条件，诸如岩溶水、构造和裂隙水等，（3）不良环境条件，诸如有毒有害气体和较强放射性的环境。在隧道工程的勘察设计阶段，已经投入大量的地质勘察工作，但是由于地质、地形和相应勘察技术水平，以及时间、经费等条件的限制，勘察阶段的地质资料一般难于达到施工阶段的精度要求。对掌子面前方地质条件了解不清，隧洞施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。大量的隧道工程建设实践表明，由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生，国内外因地质条件不明造成隧道施工事故的教训不少，例如，日本越新干线中山隧道涌水淹没竖井；前苏联贝加尔一阿穆尔十线上某隧道，挖通含水层，发生水泥沙浆喷出；我国成昆线、大秦线、衡广复线建设过程中，因地质问题造成停工的时间，约占施工总工期的1/4〜1/3；以及不久前发生的四川某隧道瓦斯爆炸，造成重大事故和人员伤亡。以上隧道施工事故的危害巨大，因此，在隧道施工期间，采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件（情况）进行及时准确的预测，可以提前采取预防措施，避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失，保证隧道施工的安全。1.2超前地质预报的目的（1）施工地质超前预报工作是修正、完善前期地质勘察工作成果的一种重要手段。它一方面可以完善设计地质资料，优化设计方案，指导施工决策科学化；另一方面可以对遗漏的不良地质体给施工带来的困难给予及时的预报，指导工程施工的顺利进行。（2）超前探测地质岩性、软弱层及煤层位置、岩体完整程度、断裂带位置及宽度、破碎程度、突泥突水性，为围岩变更提供依据，使因地质条件引起的变更设计更安全及时、经济合理；超前探测岩溶洞穴、岩溶管道、地下暗河的位置、大小、规模、充填情况，预测预报突水、突泥具体位置及可能带来的灾害程度；为修改设计提供必要的地质参数：地下水压力、水量、含煤地质的煤质，瓦斯等；根据预测预报成果，研究制定确保工程地质体稳定性的工程措施及合理的施工方法。降低地质灾害发生的几率，保证施工人员和施工设备的安全。1.3超前地质预报的原理及方法隧道地质超前预报工作原理是在掌子面后方边墙上一定范围内布置一排爆破点，依此进行微弱爆破产生的弹性波，弹性波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，返回的信号被经过特殊设计的接收器接收转化成电信号并进行放大。根据信号返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理就可以得到岩体强度变化界面的位置及方位，达到预报的目的。图1隧道地质超前预报的原理具体操作在隧道右壁(面向大里程桩号方向)的同一水平线上从里向外布置24个炮孔，炮孔间距2.0m，炮孔高度1.1m；与检波器孔的最近距离为20m。

图2测线布置示意图2.1爆破地震波监测的意义炸药在岩土等介质中爆炸时必然有一部分能量转换为地震波，并从爆源向周围介质迅速传播。虽然在传播过程中，其强度随着离爆源距离的增加而减弱，但在一定范围内，可能给附近非爆破目标的建（构）筑物造成不同程度上的破坏，这种现象称之为爆破震动效应。随着我国交通建设的发展，城市化进程的加快，城市公路隧道工程的建设也进入一个新的高潮。由于城市公路隧道施工地点多在城市中心地带，人口众多，周围建（构）筑物密集，使得施工难度增大，施工过程中会对周围环境的安全产生影响。例如，厦门市仙岳路全演武大桥某隧道工程开挖过程中引起临近建筑物墙壁产生裂缝及窗户玻璃被振动破坏；宝成铁路复线广元皇泽寺隧道施工爆破中对其附近建筑产生轻度损坏现象；浙江省东阳市横店集团在引水隧道施工时，瑶村发生边坡崩，造成3间砖房被毁；广州地铁一号线林和村暗挖区间爆破对附近房屋造成一定影响。城市公路隧道工程施工对周围环境安全的影响主要是爆破振动影响和开挖引起围岩应力重分布影响。而对于初期施工，主要的影响为爆破振动对周围建（构）筑物的影响。因此，在隧道开挖施工时，为了保证施工安全和施工质量以及地面建（构）筑物的安全，必须对隧道开挖爆破引起的爆破振动进行信息化施工监测，以此来指导隧道工程爆破参数的设计和后续施工。2.2爆破地震波监测的目的为了有效地预测、控制爆破振动，对爆破振动进行准确的测试是关键的一步。也可以同时给予因爆破引起的民事纠纷以科学的判断依据。（1） 确定回归预报参数，改善爆破震动预测模型，根据量测结果及时调整爆破参数和施工方法，确定隧道爆破施工作业的最佳装药量，指导爆破安全作业，从而有效地控制爆破地震效应；（2） 对隧道洞口周围及隧道掘进沿线上方敏感建（构）筑物进行布点监测，控制爆破地震波对建（构）筑物的影响，确保建（构）筑物安全；（3） 通过爆破振动测试，可以分析和掌握爆破地震波的特征、传播规律以及对建筑物的影响、破坏机理等，以防止和减少对建筑物的破坏，从而最有效地控制爆破地震波的危害。（4） 对隧道洞口边坡进行布点监测，确保边坡稳定。（5） 科学地为工程施工单位及周围居民提供有关爆破震动实际观测数据可为爆破施工产生的民事纠纷以科学的判断依据。工程的爆破地震波监测采用891-11拾振器、INV306型数据采集仪、DASP-VIB分析软件、笔记本电脑、打印机等部件组成测试系统。891-11型拾振器是中国地震局工程力学研究所研制成功的速度型振动传感器，用于测量地面、结构物的脉动或工程振动。拾振器设有小速度、中速度、大速度和加速度四档。用户可根据需要，选取拾振器上微型拨动开关来获取被测点的加速度、速度及位移参量。它是属于动圈往复式拾振器。其工作原理是利用电磁感应把振动体的振动速度转化为感应电动势。由于891-11型拾振器的测量量程和动态范围在三种型号的891型拾振器中相对较大，在工程实践中得到了更广泛的应用。由于爆破震动波在岩层中传播具有衰减性，为了测得每次爆破振动最大值，测点根据建筑群与隧道的空间位置及距