爆破振動監(jiān)測與超前地質預報

1隧道超前地質預報1.1超前地質預報的意義隨著我國基本建設規(guī)模的擴大，隧道工程已經成為鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程。在這種形勢下，隧道工程的重要性越來越顯著，隧道工程的數(shù)量大幅度增加，隧道工程的長度明顯增加，規(guī)模不斷擴大。因此，隧道工程的順利安全施工和貫通，是不可回避的重要任務和技術難題。危及隧道工程施工的地質病害大致分為三類：（1）不良工程地質條件，諸如巖體的裂隙發(fā)育密集帶、構造破碎帶、巖溶發(fā)育帶、以及人工采礦造成的不良地質條件和高地應力造成的危害等；（2）不良水文地質條件，諸如巖溶水、構造和裂隙水等，（3）不良環(huán)境條件，諸如有毒有害氣體和較強放射性的環(huán)境。在隧道工程的勘察設計階段，已經投入大量的地質勘察工作，但是由于地質、地形和相應勘察技術水平，以及時間、經費等條件的限制，勘察階段的地質資料一般難于達到施工階段的精度要求。對掌子面前方地質條件了解不清，隧洞施工就帶有很大盲目性，施工中經常出現(xiàn)預料不到的塌方、冒頂、涌水等事故。這些事故一旦發(fā)生，輕則影響工期，增加工程投資，重則砸毀機械設備，甚至造成人員傷亡，而且事故發(fā)生后的處理工作難度較大。大量的隧道工程建設實踐表明，由于地質勘察精度、經費等諸多條件的限制，根據(jù)地質勘察資料做出的設計與實際不符的情況屢有發(fā)生，國內外因地質條件不明造成隧道施工事故的教訓不少，例如，日本越新干線中山隧道涌水淹沒豎井；前蘇聯(lián)貝加爾一阿穆爾十線上某隧道，挖通含水層，發(fā)生水泥沙漿噴出；我國成昆線、大秦線、衡廣復線建設過程中，因地質問題造成停工的時間，約占施工總工期的1/4?1/3；以及不久前發(fā)生的四川某隧道瓦斯爆炸，造成重大事故和人員傷亡。以上隧道施工事故的危害巨大，因此，在隧道施工期間，采用各種技術、手段和方法對隧道掌子面前方地質條件（情況）進行及時準確的預測，可以提前采取預防措施，避免災害的發(fā)生或在一定程度上減少因災害造成的損失，保證隧道施工的安全。1.2超前地質預報的目的（1）施工地質超前預報工作是修正、完善前期地質勘察工作成果的一種重要手段。它一方面可以完善設計地質資料，優(yōu)化設計方案，指導施工決策科學化；另一方面可以對遺漏的不良地質體給施工帶來的困難給予及時的預報，指導工程施工的順利進行。（2）超前探測地質巖性、軟弱層及煤層位置、巖體完整程度、斷裂帶位置及寬度、破碎程度、突泥突水性，為圍巖變更提供依據(jù)，使因地質條件引起的變更設計更安全及時、經濟合理；超前探測巖溶洞穴、巖溶管道、地下暗河的位置、大小、規(guī)模、充填情況，預測預報突水、突泥具體位置及可能帶來的災害程度；為修改設計提供必要的地質參數(shù)：地下水壓力、水量、含煤地質的煤質，瓦斯等；根據(jù)預測預報成果，研究制定確保工程地質體穩(wěn)定性的工程措施及合理的施工方法。降低地質災害發(fā)生的幾率，保證施工人員和施工設備的安全。1.3超前地質預報的原理及方法隧道地質超前預報工作原理是在掌子面后方邊墻上一定范圍內布置一排爆破點，依此進行微弱爆破產生的彈性波，彈性波在向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面，即地質巖性變化的界面、構造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等，會產生彈性波的反射現(xiàn)象，這種反射波被布置在隧道圍巖內的檢波裝置接收下來，返回的信號被經過特殊設計的接收器接收轉化成電信號并進行放大。根據(jù)信號返回的時間和方向，通過專用數(shù)據(jù)處理軟件處理就可以得到巖體強度變化界面的位置及方位，達到預報的目的。圖1隧道地質超前預報的原理具體操作在隧道右壁(面向大里程樁號方向)的同一水平線上從里向外布置24個炮孔，炮孔間距2.0m，炮孔高度1.1m；與檢波器孔的最近距離為20m。

圖2測線布置示意圖2.1爆破地震波監(jiān)測的意義炸藥在巖土等介質中爆炸時必然有一部分能量轉換為地震波，并從爆源向周圍介質迅速傳播。雖然在傳播過程中，其強度隨著離爆源距離的增加而減弱，但在一定范圍內，可能給附近非爆破目標的建（構）筑物造成不同程度上的破壞，這種現(xiàn)象稱之為爆破震動效應。隨著我國交通建設的發(fā)展，城市化進程的加快，城市公路隧道工程的建設也進入一個新的高潮。由于城市公路隧道施工地點多在城市中心地帶，人口眾多，周圍建（構）筑物密集，使得施工難度增大，施工過程中會對周圍環(huán)境的安全產生影響。例如，廈門市仙岳路全演武大橋某隧道工程開挖過程中引起臨近建筑物墻壁產生裂縫及窗戶玻璃被振動破壞；寶成鐵路復線廣元皇澤寺隧道施工爆破中對其附近建筑產生輕度損壞現(xiàn)象；浙江省東陽市橫店集團在引水隧道施工時，瑤村發(fā)生邊坡崩，造成3間磚房被毀；廣州地鐵一號線林和村暗挖區(qū)間爆破對附近房屋造成一定影響。城市公路隧道工程施工對周圍環(huán)境安全的影響主要是爆破振動影響和開挖引起圍巖應力重分布影響。而對于初期施工，主要的影響為爆破振動對周圍建（構）筑物的影響。因此，在隧道開挖施工時，為了保證施工安全和施工質量以及地面建（構）筑物的安全，必須對隧道開挖爆破引起的爆破振動進行信息化施工監(jiān)測，以此來指導隧道工程爆破參數(shù)的設計和后續(xù)施工。2.2爆破地震波監(jiān)測的目的為了有效地預測、控制爆破振動，對爆破振動進行準確的測試是關鍵的一步。也可以同時給予因爆破引起的民事糾紛以科學的判斷依據(jù)。（1） 確定回歸預報參數(shù)，改善爆破震動預測模型，根據(jù)量測結果及時調整爆破參數(shù)和施工方法，確定隧道爆破施工作業(yè)的最佳裝藥量，指導爆破安全作業(yè)，從而有效地控制爆破地震效應；（2） 對隧道洞口周圍及隧道掘進沿線上方敏感建（構）筑物進行布點監(jiān)測，控制爆破地震波對建（構）筑物的影響，確保建（構）筑物安全；（3） 通過爆破振動測試，可以分析和掌握爆破地震波的特征、傳播規(guī)律以及對建筑物的影響、破壞機理等，以防止和減少對建筑物的破壞，從而最有效地控制爆破地震波的危害。（4） 對隧道洞口邊坡進行布點監(jiān)測，確保邊坡穩(wěn)定。（5） 科學地為工程施工單位及周圍居民提供有關爆破震動實際觀測數(shù)據(jù)可為爆破施工產生的民事糾紛以科學的判斷依據(jù)。工程的爆破地震波監(jiān)測采用891-11拾振器、INV306型數(shù)據(jù)采集儀、DASP-VIB分析軟件、筆記本電腦、打印機等部件組成測試系統(tǒng)。891-11型拾振器是中國地震局工程力學研究所研制成功的速度型振動傳感器，用于測量地面、結構物的脈動或工程振動。拾振器設有小速度、中速度、大速度和加速度四檔。用戶可根據(jù)需要，選取拾振器上微型撥動開關來獲取被測點的加速度、速度及位移參量。它是屬于動圈往復式拾振器。其工作原理是利用電磁感應把振動體的振動速度轉化為感應電動勢。由于891-11型拾振器的測量量程和動態(tài)范圍在三種型號的891型拾振器中相對較大，在工程實踐中得到了更廣泛的應用。由于爆破震動波在巖層中傳播具有衰減性，為了測得每次爆破振動最大值，測點根據(jù)建筑群與隧道的空間位置及距