1.清华大学土木工程系
2.中铁十二局集团内
3.沧州渤海石油技术学院
摘要:随着我国经济的飞速发展，对于道路交通的需求也越来越大，交通基础设施建设也得到了极大的发展。然而，在我国北部以及西南山区等地，修建道路最大的难度是开挖山岭隧道。我国山岭隧道的开挖会导致一般采用钻爆法，钻爆法虽然成本较低，但是钻爆过程中会产生一系列问题，尤其要注意爆破振动对于地表建筑的影响，监测不当甚至会造成安全事故。因此，研究隧道开挖形成的空洞效应对于爆破振动波传播特征的影响规律，具有非常重要的意义。
关键词：隧道开挖；空洞效应；爆破振动波
1 爆破振动波传播特征以及强度监测分析
1.1 爆破振动传播规律
我国目前主要的隧道开挖方式是钻爆法，钻爆法就是通过钻孔，往钻孔中装入炸药，然后通过炸药爆破开挖岩体的方法。岩体中的炸药爆炸时，会在岩体介质中激发质点沿平衡位置的往复振动，这种现象称为爆破振动。爆破的冲击压力以波动的形式向四周扩散，称为应力波，最常见的应力波就是地震波。由于岩体的爆破受自身性质以及周围环境等的影响，存在诸多的不确定性和复杂性，因此，爆破振动波的传播规律复杂，研究难度大。
根据距离爆破源距离的远近，可以将爆破应力波分为冲击波、应力波和地震波。冲击波和应力波分别存在于近源区和中源区。应力波传播到远源区遇到界面以后，经过反射和折射叠加，形成爆破地震波。地震波是由近源的应力波转化而来并且在岩土介质中传播时，能量逐渐衰减的扰动。爆破振动波由于其爆破源情况复杂，传播介质环境多变，受炸药性能、岩体性质、钻孔规格、装药结构以及岩体传播介质的岩石物理性质和地形地貌环境等影响，爆破振动波在传播过程中随机性较强，研究其传播规律，需要对振动波组成、传播方式、以及传播过程进行分析探究。爆破地震波是一种宽频带波，含有多种频率的成分。由于岩体介质具有滤波作用，在地震波传播的过程中，高频易被吸收，低频不易被吸收，传播距离远。地震波中，不同波频对于环境、岩体结构、设备和人员的影响也不同，当地震波频率和设备的固有频率一致，会产生共振，对岩体和设备造成损害。因此，要监测爆破振动波的频率变化。
地震波按照波面形状，可以分为球面波、柱面波、平面波三种类型，地震波在岩体中传播时，主要是以球面波和柱面波的方式传播，并且，随着传播距离的不断增大，波面的形状也随着不断扩展，由于波能是均匀分布在波面上的，随着波面的增大，波能逐渐降低，发生衰减现象。同时，地震波在岩体等介质中传播时，要克服质点之间的摩擦和粘滞作用，使得波在传播过程中发生能量的衰减。
1.2 振动强度监测及预测
爆破施工过程中，爆破振动、冲击波、噪声等都会对环境、设备以及人员造成不好的影响，而爆破振动对岩体结构、设备的危害最大，甚至会造成建筑物的开裂、岩体垮塌滑坡及开挖隧道的坍塌等。因此，对爆破振动波进行监测和预测，具有十分重要的意义。
爆破振动造成危害的主要影响因素是振动的强度、频率以及振动的持续时间，其中，强度是最为主要的因素。工程上对爆破振动进行现场监测应用最为广泛的是TC-4850爆破振测仪，其工作原理主要有以下几个方面，首先是采集振动信号，如图1所示，当信号传递至三矢量传感器后，传感器的感应原件受外界的振动扰动会产生感应电流，电流会存储到电容器中，产生感应电动势。其次，要进行振动信号的转换，经过三矢量传感器后，振动信号转化为电信号，而电容器中又以电动势的形势储存下来，因此，信号振动的强弱就可以用感应电动势的大小来表示。最后，对数据进行处理分析，爆破测振仪可以通过数据分析处理软件对采集的振动信号进行分析处理，然后以波形等能够反映振动强弱的物理参数形式将数据输出。
图1 爆破测振仪监测原理
2 空洞效应对爆破振动的影响研究
空洞效应就是隧道开挖过程中，破坏了围岩的完整性，使得地表的振动速度发生区域性的变化，在已经开挖的隧道洞区，上方地表的振动速度峰值大于掌子面前方对称位置还未开挖呈洞区的地表振动速度，这种现象就成为空洞效应。随着隧道的开挖，由于空洞效应，在洞区和非洞区，爆破振动强度有着明显的差异，考虑空洞效应现象的影响，保证洞区和非洞区最大振动速度控制在安全范围内。
分析监测点主频带和能量衰减规律，一般来说，位于掌子面正上方监测点的主频最高，能量最大，沿隧道两侧逐渐减弱。随着距离爆破源的距离不断增大，振动频率也具有衰减的特征，由近源向远源，频率逐渐变低，当频率衰减到和地表建筑、设备固有频率接近时，会发生共振现象，对建筑造成一定程度的损害。
空洞效应随着隧道埋深的增加，逐渐减小，隧道断面越大，隧道围岩爆破振动载荷越大，空洞效应越为明显。如下图2所示，空洞效应的放大系数与测点距掌子面距离不是呈现单一的正相关关系，在一定的距离范围内，空洞效应放大系数随距离增大而增大，随后，随着距离继续增大，放大系数又有一个减小的过程。因此，可以看出空洞效应有一个影响范围，对爆破振动波的传播有一个放大效应的区域。根据放大系数和距离变化关系可以将空洞效应影响区域分为两个部分，一是在距掌子面距离1.5倍洞径范围内，空洞效应对爆破振动放大效应影响大，为主要空洞效应影响区域，另一部分在此距离之外的隧道上方地表，空洞效应影响较弱，对于爆破振动波的传播影响小。
图2 振动速度放大系数随距掌子面距离变化关系趋势图
3 结论
笔者通过调研爆破振动波的传播特征，爆破振动在传播过程中强度的变化规律，以及对爆破振动强度的监测和预测分析，研究了空洞效应的产生原理，从埋深、断面面积、隧道掘进方向等几个方面分析空洞效应对于爆破振动的变化影响规律，分析爆破振动放大系数和距掌子面距离的关系，确定了空洞效应对于爆破振动传播的影响范围，对于隧道的顺利开挖具有一定的指导意义。
参考文献
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[2]喻军,刘松玉,童立元. 浅埋隧道爆破振动空洞效应[J]. 东南大学学报(自然科学版),2010,40(01):176-179. [2017-09-26].
[3]唐海. 地形地貌对爆破振动波影响的实验和理论研究[D].中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）,2007.
论文作者:高军1,王立军2,马建忠2,闫志刚2,林晓3
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第14期
论文发表时间:2017/12/20
标签：空洞论文; 效应论文; 隧道论文; 地震波论文; 距离论文; 应力论文; 地表论文; 《建筑科技》2017年第14期论文;