CN108489601B - 一种隧道近距穿越地下管线的爆破振动监测及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道近距穿越地下管线的爆破振动监测方法，具体步骤如下：在距离管线一定距离找到一个与管线所在位置地层分布相同似的地层来安装传感器；获得传感器的间距以及传感器距离隧道的纵向距离等参数；在传感器设计安放位置进行钻孔，在钻孔内安放传感器；计算各传感器距离每次隧道爆破时爆源中心的距离；运用萨道夫斯基经验公式得出经验参数K、α；当隧道掌子面距离1号传感器纵向距离L₁，根据三个传感器的监测数据进行回归分析得出K₁、α₁；当隧道掌子面距离1号传感器L₂、L₃距离时，分别进行第二、第三次监测经回归分析得出K₂、α₂、K₃、α₄，对得出的三组经验参数取平均值，确定最终的K、α；该方法简单易行，预测结果准确。

Description

一种隧道近距穿越地下管线的爆破振动监测及控制方法

技术领域：

本发明属于隧道施工技术领域，特别涉及一种隧道近距穿越地下管线的爆破振动监测方法。

背景技术：

城市交通拥堵问题日益突出，城市地下轨道交通获得了前所未有的快速发展。城市中修建地铁时，不可避免的会遇到大量下穿各类市政地下管线的隧道。对于岩质地层，钻爆法仍然是隧道施工的主要方法，过大的隧道爆破振动会导致土体中管线开裂，甚至发生破坏。因此，在不扰动、不开挖管线的情况下，提出一种隧道近距穿越地下管线的爆破振动监测方法，通过掌握隧道爆破振动在地层中的传播规律，掌握管线处的爆破振动情况，对管线进行安全评价，并以此反馈隧道爆破施工。

目前，地下管线的爆破振动监测通常直接将传感器安放到管线上，但是传感器直接安放到市政管线上会产生很多问题。由于很多市政地下管线修筑时间较为久远，外渗情况较为严重，无法直接将传感器安放到市政管线上，而且一旦进行管线开挖，安装传感器，极易造成对管线的扰动和破坏。所以，往往需要采取间接监测方法来获取地下管线处的爆破振速。在隧道掌子面距离管线50m之前时，通过布设速度传感器，根据实测爆破振速，得出爆破振动波在地层中的传播规律，然后根据管线位置，计算得出管线处的爆破振速，实现对管线的安全评价和反馈隧道爆破施工。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计一种隧道近距穿越地下管线的爆破振动监测方法，能够有效解决现有技术中地下管线的隧道爆破振动监测的技术难题。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种隧道穿越地下管线的爆破振动监测方法具体按照如下步骤进行：

S1、针对隧道上方埋有管线的地形，根据工程勘察资料确定管线前100m范围内地层分布，在管线前50m到100m范围以内，确定3个与管线所在位置纵向土层分布基本相同的位置，在上述位置分别安放速度传感器，用于监测隧道爆破后形成的地震波传播至传感器处产生的振动速度，振动速度是规范中评价管线损伤的指标，因此通过监测管线处的振动速度来指导隧道爆破施工，避免管线发生损伤，所有速度传感器的底部与管线底部距离隧道正上方的垂直距离相等并均为h，1号传感器和2号传感器之间的设置间距为S₁，2号传感器和3号传感器之间的设置间距为S₂，3号传感器距离管线之间的设置间距为S₃；

S2、根据工程勘察资料和现场实际测量，获取隧道掌子面距离1号传感器的纵向距离L，及传感器底部距离隧道正上方的垂直距离h，隧道直径为D；、

S3、钻孔步骤：

确定好位置后，在所有传感器设计的安装位置上进行钻孔用以放置护壁套管；钻孔至与管线底部相同埋深处后进行清洗，在钻孔中设置护壁套管；

S4、传感器安装步骤：

将传感器底部与护壁套管底部的圆形钢板刚性连接，然后将钢管与传感器顶部刚性连接，传感器的数据传输线通过钢管内部到达地面，然后在护壁套管与钢管之间填充回填土，回填土采用与原地层相同的土体；

S5、计算1～3号传感器距离每次隧道爆破时爆源中心的距离R_mn，m为传感器编号，n为爆破次数；取隧道横断面中心线高度的1/2处作为爆源的中心点，掏槽孔在爆源中心点两侧对称分布，则：

S6、隧道爆破掌子面上钻有掏槽孔、辅助孔和周边孔3种炮孔，并分别在炮孔放入炸药，统计最大一段药量，通常掏槽孔装药量最大，而且由于掏槽孔爆破时，临空面只有一个，药量最大，产生的振动最大，因此，认为萨道夫斯基经验公式中的Q取掏槽孔的药量，隧道爆破后，根据振动传感器采集的振动数据，运用萨道夫斯基经验公式(4)，进行计算和拟合：

v：质点振动速度，cm/s；

Q：单段装药量，kg；

R为测点到药包中心的距离，m；

经验参数k、α采用最小二乘法回归分析实测振速v、最大一段药量Q、测点距爆心的距离R得到；

运用matlab程序回归分析得出：k、α；

S7、当隧道掌子面距离1号传感器L₁，进行第一次监测，掏槽孔装药量为Q₁，1～3号传感器测得振动数据依次为ν₁₁、ν₂₁、ν₃₁，运用公式(4)进行计算，并采用matlab程序回归分析得出：k₁、α₁；

S8、当隧道掌子面距离1号传感器L₂、L₃分别进行第二、第三次监测，重复S5～S6步骤，得出k₂、α₂和k₃、α₃；对三组数据进行取平均值，作为萨道夫斯基经验公式中的经验参数值，从而确定爆破施工的装药量、进尺等施工参数；

本发明与现有技术相比，取得的有益效果如下：

本发明的监测方法简单易行，在不扰动、不开挖管线的情况下，可以在隧道穿越管线之前得出爆破振动传播规律，对隧道爆破施工引起管线处的振动进行预测；同时，当隧道距离管线50m之内，根据爆破振动计算公式和管线振动安全允许标准，预计得出隧道掌子面距离管线不同距离处对应的最大允许装药量，实现有效的控制管线处的爆破振动，指导爆破施工，确保管线安全。

附图说明：

图1为本发明中涉及的传感器安装位置的主体结构原理示意图。

图2为本发明中的涉及的传感器与护壁套管的结构及安装位置关系示意图。

具体实施方式：

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例并通过附图对本发明中的技术方案作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及一种隧道穿越地下管线的爆破振动监测方法，通过在隧道到达管线之前布置多个速度传感器，从而确定爆破振动在地层中的传播规律，以实现指导隧道爆破施工安全通过管线的目的，本实施例按照如下步骤进行：

S1、本实例中隧道上覆地层在一定范围内分布较为均匀，隧道上覆第四系全新人工填筑碎石土、坡洪积层粉质黏土、坡残积土粉质黏土以及砂岩，根据工程勘察资料和钻孔数据，得出管线前100m范围内的地层分布图，本着与管线所在位置地层分布相似的原则，确定1号传感器布置在管线前的70m处，传感器的底部保证与管线底部距离隧道正上方的垂直距离相等，1号传感器和2号传感器间距为S₁＝5m，2号传感器和3号传感器间距为S₂＝10m，3号传感器距离管线距离为S₃＝55m；

S2、根据工程勘察资料以及现场实际测量，获取隧道掌子面距离第一个传感器的纵向距离L，及传感器底部距离隧道正上方的垂直距离h，隧道直径为D；

S3、钻孔步骤：在1～3号传感器设计的位置上进行钻孔，在传感器设计的安装位置上进行钻孔，钻孔应与地面保持垂直，以便于后续的安装；钻孔的截面形状为圆形，钻孔的直径保证大于圆形钢板外径2～3cm；钻孔至与管线底部相同埋深处后进行清洗，在钻孔中设置护壁套管，在套管与传感器安装装置之间回填与原地层相同的土体；

S4、传感器安装步骤：将传感器底部与圆形钢板刚性连接，然后将钢管与传感器顶部刚性连接，传感器的数据传输线通过钢管内部到达地面，形成图2所示的结构，在钻孔中设置护壁套管，在套管与所述传感器安装装置之间回填与原地层相同的土层，回填过程中，填塞填充物的同时取出护壁套管，并对回填土进行压实；

S5、计算1～3号传感器距离每次隧道爆破时爆源中心的距离R_mn，m为传感器编号，n为爆破次数；取隧道高度的一般为爆心点，三次爆破时掌子面距离1号传感器的水平距离分别是L₁＝15m、L₂＝10m、L₃＝5m，运用公式(1)～(3)依次计算得出每次爆破的R₁、R₂、R₃,计算结果见表1；

表1隧道爆破时各传感器到爆源中心的距离

S6、统计每次爆破前掏槽孔的装药量，作为萨道夫斯基经验公式中单段装药量的Q的取值，药量参数见表2，根据振动传感器采集振动数据计算所得的1～3号传感器距爆心的距离，运用最小二乘法回归分析得出公式中的经验参数k、α；

表2隧道爆破的最大单段装药量

S7、当隧道掌子面距离1号传感器L₁＝15m、L₂＝10m、L₃＝5m，依次进行振动监测，掏槽孔装药量为Q₁，1～3号传感器测得振动数据依次为ν₁₁、ν₂₁、ν₃₁，振动监测数据见表3，根据S6得出：k₁＝196、α₁＝2.4；

表3隧道爆破振动监测数据

S8、当隧道掌子面距离1号传感器L₂＝20m、L₃＝5m分别进行第二、第三次监测，振动监测数据见表3，重复S5～S6步骤，得出k₂＝189、α₂＝2.38和k₃＝199、α₃＝2.41；根据公式(11)和(12)对三组数据进行取平均值，得出经验参数

作为萨道夫斯基经验公式中的经验参数值，管线处振动上限通常为2cm/s，运用该实例得出的萨道夫斯基经验公式

确定爆破施工中，隧道掌子面距离管线不同的距离，对应的装药量、进尺等施工参数。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种隧道穿越地下管线的爆破振动监测方法，其特征在于该方法具体按照如下步骤进行：

S1、针对隧道上方埋有管线的地形，根据工程勘察资料确定管线前100m范围内地层分布，在管线前50m到100m范围以内，确定3个与管线所在位置纵向土层分布基本相同的位置，在上述位置分别安放速度传感器，用于监测隧道爆破后形成的地震波传播至传感器处产生的振动速度，振动速度是规范中评价管线损伤的指标，因此通过监测管线处的振动速度来指导隧道爆破施工，避免管线发生损伤，所有速度传感器的底部与管线底部距离隧道正上方的垂直距离相等并均为h，1号传感器和2号传感器之间的设置间距为S₁，2号传感器和3号传感器之间的设置间距为S₂，3号传感器距离管线之间的设置间距为S₃；

S2、根据工程勘察资料和现场实际测量，获取隧道掌子面距离1号传感器的纵向距离L，及传感器底部距离隧道正上方的垂直距离h，隧道直径为D；、

S3、钻孔步骤：

确定好位置后，在所有传感器设计的安装位置上进行钻孔用以放置护壁套管；钻孔至与管线底部相同埋深处后进行清洗，在钻孔中设置护壁套管；

S4、传感器安装步骤：

将传感器底部与护壁套管底部的圆形钢板刚性连接，然后将钢管与传感器顶部刚性连接，传感器的数据传输线通过钢管内部到达地面，然后在护壁套管与钢管之间填充回填土，回填土采用与原地层相同的土体；

S5、计算1～3号传感器距离每次隧道爆破时爆源中心的距离R_mn，m为传感器编号，n为爆破次数；取隧道横断面中心线高度的1/2处作为爆源的中心点，掏槽孔在爆源中心点两侧对称分布，则：

S6、隧道爆破掌子面上钻有掏槽孔、辅助孔和周边孔3种炮孔，并分别在炮孔放入炸药，统计最大一段药量，通常掏槽孔装药量最大，而且由于掏槽孔爆破时，临空面只有一个，药量最大，产生的振动最大，因此，认为萨道夫斯基经验公式中的Q取掏槽孔的药量，隧道爆破后，根据振动传感器采集的振动数据，运用萨道夫斯基经验公式(4)，进行计算和拟合：

v：质点振动速度，cm/s；

Q：单段装药量，kg；

R为测点到药包中心的距离，m；

经验参数k、α采用最小二乘法回归分析实测振速v、最大一段药量Q、测点距爆心的距离R得到；

运用matlab程序回归分析得出：k、α；

S7、当隧道掌子面距离1号传感器L₁，进行第一次监测，掏槽孔装药量为Q₁，1～3号传感器测得振动数据依次为ν₁₁、ν₂₁、ν₃₁，运用公式(4)进行计算，并采用matlab程序回归分析得出：k₁、α₁；

S8、当隧道掌子面距离1号传感器L₂、L₃分别进行第二、第三次监测，重复S5～S6步骤，得出k₂、α₂和k₃、α₃；对三组数据进行取平均值，作为萨道夫斯基经验公式中的经验参数值，从而确定爆破施工的装药量、进尺等施工参数；

根据爆破振动计算公式和管线振动安全允许标准，预计得出隧道掌子面距离管线不同距离处对应的最大允许装药量，实现有效的控制管线处的爆破振动；管线处振动上限通常为2cm/s，运用得出的萨道夫斯基经验公式，确定爆破施工中隧道掌子面距离管线不同的距离，对应的装药量和进尺的施工参数。

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