胶州湾海底隧道下穿群楼爆破控制研究

胶州湾海底隧道下穿群楼爆破控制研究

随着地下工程的大量建设，地下工程下既有建筑物（结构）的施工形势越来越普遍。在许多项目中，传统的钻孔钻孔和爆炸方法仍然被广泛使用。例如，泰安市泵水站尾水隧道以下的北京上海铁路、漳泉铁路瑞峰隧道以下的324国道隧道和郑州碧沙煤矿隧道以下的陇海铁路都发生了爆炸。许多城市的地下工程，如广州地铁五号线小火车站、青岛地铁和这项工作相关的青岛胶州湾海床上的海床上。域段部分都采用爆破施工.以隧道下穿楼房的爆破施工为例,爆破振动对楼房的结构及基础都有较大影响,依据现有规范,主要是控制爆破振速,但爆破振动对各楼层的影响有一定差异.因此研究隧道下穿楼房时的合理爆破参数,并结合现场监测数据分析楼房控制振速的取值点是很有必要的.本文作者以青岛胶州湾海底隧道陆域段团岛处的隧道下穿群楼工程为依托,通过设置现场试验段,并对现场实测数据进行回归分析,得到控制振速为2cm/s情况下的最大段装药量,据此进行爆破施工.同时监测隧道下穿楼房的各楼层爆破振速并进行分析,给出控制振速的位置,完善爆破方案,指导施工,解决了胶州湾海底隧道下穿建筑时爆破振动控制的难题,同时对类似工程的爆破参数选择、爆破控制振速的确定等都有一定的参考价值.1楼地面基岩体系青岛胶州湾海底隧道团岛段下穿楼房部分的平面图及剖面图如图1所示.图1中,隧道上方五层楼房高16.5m,长35m(沿图中路方向),宽16m,普通筏形基础,深度在2m左右,杂填土高度2.5m左右.由于当地石材丰富,此楼用的是碎石桩,通过人工杂填土打入花岗岩中,属于浅基础,以夯实的人工填土或强～弱风化基岩为持力层.基础是通过人工填土把荷载传入基岩,属于一般、非抗震的大型砌块建筑物,最大抗震速度为不大于2cm/s,楼房基本结构是框架结构,红机砖填充墙,地下管线埋深不超过2m.覆盖层主要由杂填土构成,结构疏密不均,厚度2.5m左右,透水性强.基岩岩性为花岗岩,强风化带不甚发育,微风化基岩岩体较完整,岩体大部呈块状砌体结构,部分为块(石)碎(石)状镶嵌结构,岩质坚硬;围岩级别为Ⅱ～Ⅲ级(如图1(a)所示),透水性弱.隧道距楼房最小距离约18m,且楼房正下方隧道断面最大,开挖跨度28.202m、高18.64m,属浅埋大跨隧道.2在下一个位置拍摄之前2.1爆破地震振动分析在爆破振动测试工作中,测点布置极其重要,它直接影响爆破振动测试的效果及观测数据的应用价值.在爆破地震效应较大的范围内布置测点,以便测得爆破地震强烈的区域及地面震动强度随爆心距离的变化规律.为研究爆破地震对建筑物的动力响应,在建筑物附近地面和建筑物地面布置测点,并在建筑物上具有代表性的位置布置测点,测定建筑物地面震动参数及结构的动力响应参数,以便对结构进行抗震验算或者对拟建的工程结构进行抗震设计.试验段设在距离五层建筑物约50m处,测点布置在隧道中心线正上方,测点与爆点的距离约30m.试验段测点的部分爆破数据如表1所示.2.2爆破振动预测模型对于爆破振动速度的计算,目前国内外普遍采用根据工程爆破实测数据推导出的经验公式即萨多夫斯基公式进行验算,回归方法为最小二乘法.回归的目的主要是确定公式中的K、α参数取值,从而确定爆破振速与药量的关系,即爆破地震波在介质中的衰减规律.《爆破安全规程》中萨多夫斯基公式为v=Kρα=K(Q−−√3/R)α(1)v=Κρα=Κ(Q3/R)α(1)式中:v为爆破振动峰值垂直振速,cm/s;ρ为比例药量;Q为最大段药量,kg;R为爆心至测点的距离,m;K为场地条件系数;α为爆破地震波衰减指数.其中K,α与爆破点地形、地质等条件有关,由测振试验确定.在ρ=Q−−√3ρ=Q3已知的情况下,通过数十组观测数据观测v,利用一元线性回归求得K、α值,从而得到爆破振动在隧道爆破质点垂直振速的衰减方程,有效地预测隧道掘进中爆心距爆源一定距离处的垂直振速.由式(1),两边取对数,得lgv=lgK+αlgρ(2)lgv=lgΚ+αlgρ(2)令lgv=Y,lgρ=X,B=(lgK,α)-1,则式(2)可简化为Y=XB(3)Y=XB(3)式中:Y=(lgv1,lgv2,…,lgvn)-1;X={1,lgρi};n为垂直振速观测的有效点数;i为每一测点数据编号.求出K、α值,即可确定式(1).根据多组爆破振动监测数据表1,一元线性回归结果为K=150.21,α=1.667.由此可知,隧道轴线上方的爆破振动传播规律为v=150.21ρα=K(Q−−√3/R)1.667(4)v=150.21ρα=Κ(Q3/R)1.667(4)根据式(4),在爆心与测点距离R已知,楼房爆破控制振速v=2cm/s的情况下,计算未知量Q即为最大段装药量.3爆炸振动箱的生产措施和监测结果3.1正下方爆破质量控制1)根据求得的参数K和α值,如果按上下台阶开挖,楼房距离爆心的距离为不少于18m,取极限最小值R=18m.通过萨氏公式,求得最大掏槽孔的装药量为Qmax=4.356kg;如果距离为19m,则Qmax=5.123kg;距离为20m,则Qmax=5.975kg;距离为22m,则Qmax=7.953kg.由于爆心距离楼房的最小距离不小于18m,为安全期起见,在楼房正下方爆破时,可以控制掏槽眼的装药量不超过4.356kg,此时是安全的.在靠近或远离楼房的爆破时,可以根据实际情况,控制掏槽眼的最大装药量,根据计算可以看出,Qmax=6kg左右是合理的.2)采用台阶法施工时,上台阶实施多次爆破,即先爆破掏槽眼,然后再爆破扩槽眼和边墙眼,最后爆破崩落眼和拱顶眼.这种方法,增加临空面,极大降低爆破振动,取得了非常好的效果,炮眼布置如图2所示.3)采用微差爆破技术.实践表明,微差爆破与齐发爆破相比可降震约50%,微差段数越多,降振效果越好.跳段起爆、分批起爆方法如图2中1#～15#所示.4)确定合理延时间隔.根据爆破工程经验,隧道爆破的延时间隔大于或等于50ms时,一般不会出现振动波形叠加.要根据爆破振动监测数据进行验证和调整.5)根据计算或现场检测,严格控制每段装药量.6)根据爆破工程经验,严格控制V掏槽的第一级掏槽眼的开口尺寸,一般不大于1.5m.7)严格控制爆破进尺.每次爆破进尺为一品钢拱架(刚格栅)的间距(0.5m,0.75m).8)下穿建筑物时,每次爆破施工必须进行爆破监测,及时调整爆破参数.3.2屋顶下穿测试通过方案优化及参数控制,在对隧道进行开挖时,以掌子面开挖点和房屋的位置关系,观察爆破的具体情况.依次按掌子面未到达楼房正下面、掌子面在楼房正下方、掌子面越过楼房正下方的顺序给出实际监测的各楼层爆破振速,研究爆破对房屋的影响.表2分别给出掌子面未下穿、正在下穿及已经下穿楼房时的监测数据.图3列出部分代表性爆破振速的监测结果.从表2和图3可以看出:1)隧道下穿房屋过程中监测到的楼房最大振速均小于2cm/s,由回归方法得到K、α值所计算的最大段装药量是合理的.2)隧道掌子面未到楼房正下方时,振速数据相对比较小;在楼房正下方时,数据一般都比较大;穿过楼房时,爆破振速数据最小.由此可知,临空面对爆破的传速有很大的影响,尤其是掌子面穿过楼房后,爆破振速减小明显.3)同一时间,不同楼层的爆破振速也有一定差异.对于胶州湾海底隧道工程所监测的楼房而言,同一次爆破所引起的楼房底层爆破振速普遍大于顶层爆破振速,因此爆破振速的控制基准以底层振速(垂直振速)为主.4爆破振速分析1)现场监测的楼房爆破振速均在2cm/s以内,小于规定允许值.通过设置试验段,对实验数据进行回归分析,以得出的爆破装药量计算参数指导爆破施工,这一过程是合理的,能够满足工程要求