隧道与地下工程毕设关于爆破的外文文献译文

外文文献原文及译文

学生姓名：XXX

学号：XXXXXXXXX

班级: 隧道XX班

专业：土木工程（隧道与地下工程方向）

指导教师：XXX XXX

2014 年3月

隧道爆破施工引起的地面振动参数预测

ALI KAHRIMAN

伊斯坦布尔大学采矿工程系

土耳其，伊斯坦布尔，阿牟西拉—34850

尽管过去进行了许多研究来消除爆破引发的环境问题，遗憾的是由于问题的复杂性尚未建立一个通用的方法或公式。震波和地面动力特性，爆破参数和场地因素的复杂性共同制约了这样一个通用标准的发展。因此，仍然需要做实地研究来预测和控制爆破的影响。

该研究是在伊斯坦布尔地铁隧道中进行的，本文介绍了爆破引起的地面振动参数的测量结果。在研究范围内，于隧道约300米的进程中使用4种不同类型的振动监测器对所有爆破进行地面振动分量测量，得到质点振动速度的估计峰值，并确定振动衰减曲线斜率与测试区的单段最大装药量。在统计分析数据对后，得到质点振动速度和比例距离之间的关系。

1.介绍

地面振动和空气冲击波等引起的环境问题是岩体爆破的产物，是不可避免的。炸药周围的区域实际上是破碎且具有流动性的，爆破能通常会使一个相对较小的区域塑性变形和开裂；除此之外的剩余能量以弹性波的形式在地下传播。如果炸药接近地表，也有可能通过空气传播。在短距离内波成球状辐射且振幅与爆心距（爆源—测点）成反比。在较长的范围内，其他两个因素会影响传播过程：（1）波形变化，分割成三种类型，以不同的速度传播；（2）传播介质的变化，如分层或开裂，可能会引起进一步的散射和扩散效应; 一个大断层可以很大程度上防止波在某一特定方向的传播。若波传播所产生的水平动态应力超过建筑材料或岩石材料的强度，将损坏附近居民的建筑结构。因此，地面振动和空气冲击波引起的环境问题已经在多种行业中面临并频频讨论，如采矿，建筑，采石等爆破作业不可避免的行业。所以，爆破引发的地面振动需要被预测，监测和控制。随着附近居民日益增加的对爆破引发的环境问题的不满，越来越需要设计更精确谨慎的爆破。因此，在一定的距离内尤其是在大爆炸中的单段最大装药量的测定对这些环境问题的消除是非常重要的。

该试验研究是我国一个全新的理念，已经实现并用以支持先前的调查研究。本研究

专注于以下三个目标：

(1) 测量和描述由爆破引起的地面振动与空气冲击波，并分析相关参数。

(2) 建立用于测试现场的通用公式

(3) 让爆破技术人员使用所建立的公式控制他们的爆破作业

爆破作业在隧道开挖中是不可避免的，伊斯坦布尔地铁的施工因此引起越来越多居民的不满。为了防止破坏位于隧道线周围的建筑物，并减少投诉，通过预测振动的水平来控制爆破是很有必要的。由于沿隧道线存在一些住宅和历史建筑物，故所有爆破都应该被监测。

2.测试场地的描述

为了优化伊斯坦布尔地铁隧道的爆破条件，解决环境问题，我们根据之前提到的三个主要目标进行了一个全面的研究。测试地点位于伊斯坦布尔，隧址和测点的总体布局如图1、2所示。

伊斯坦布尔地铁地层岩相如图3所示。其围岩主要由泥岩和砂岩，以及少数辉绿岩构成。Sh1y和Sh2y双线隧道共36平方米的部分采用爆破施工。隧道的位置和布局及围岩组成如图2所示。由图可见，两隧道之间的距离是20m，距隧道约35m有历史建筑、伊斯坦布尔大学城和居民住宅等地表设施。由于住宅区的存在,必须采用控制爆破。2.1 隧道爆破方法

伊斯坦布尔地铁目前正在建设的是位于欧洲部分的塔克辛和耶尼卡帕两城之间的线路，如图1（a）所示。

在整个项目中，一开始机械开挖，搭配巷道掘进和液压锤由于适合岩体特性而被广泛认可。直到遇到辉绿岩这类硬质岩，爆破开挖才在某些区域的隧道开挖中成为必要。这样的区域沿隧道线约有300米，位于苏雷曼尼亚市区见图1（a）。振动测点便设于这段隧道。

由于施工要求，采用导坑法和台阶法开挖。该过程将隧道分成上导坑和下台阶两部分，上部导坑作为导坑先行开挖，下台阶则通过台阶法进行开挖，如图3所示。

因为毫秒延期管的段别不足以获得合适的延时间隔，所以上部导坑的开挖被分成三个部分，而不是全断面推进。图3显示了上导坑开挖的3个台阶和下台阶。

图1 (a)伊斯坦布尔地铁线路规划(b)隧道爆破线和监测站

图2 隧道的位置（部分）

图3隧道爆破方法和爆破台阶

由于该项目本不考虑爆破，故爆破作业使用承包商可接受范围内的炸药完成。因此，

新型的炸药和起爆系统，例如乳化炸药、水胶炸药、非电雷管、导爆索、电雷管都不能用。

事实上，这些不是讨论的主题。爆破振动的测量是借助于公司的权限实现的。洞身上半部分的爆破开挖轮廓线大致特征如图3所示。爆破过程为第一发炸药引爆，接着爆堆被移除，然后第二发、第三发依次完成以确保循环进尺。每一进尺中的每一个步骤作为一个项目，其振动都被一一监测。所需的有关装药量的数据通过参与每一次计算被详细记录。第二阶段开挖下台阶，需要采取一些必要的措施。

3.实验

在研究过程中，测量爆破引起的地面振动来估计危害风险并分析测点的具体振动衰减。在452组爆源和测振仪之间的距离被记录的同时，通过1个瞬发爆破振动监测仪和3个微型检波器测量爆破振动，其规格说明概述如下。

虽然在研究调查中使用了两种不同类型的振动监测器，但它们的规格相似，并且其质点振动速度的测量范围是国际社会炸药工程师委员会所公认的。两种机型都是测量和记录爆破产生的振动和声音信号的便携式测振仪。它们主要由三个检波器（横向、竖向和纵向）、一个扩音器、控制器、存储单元和电池组成。它们采用微机技术，由自己的测振数据分析软件提供最简单的方法来获取和分析记录的数据。

他们可以用于单次和连续模式，可记录在三个方向上达10英尺/秒的质点峰值振动速度、地震的时程和声压。并计算峰值速度、跨零频率、峰值加速度和各横向、竖向和纵向峰值位移。合规报告表明这些值也可能被篡改。因此振动传感器和地面之间较好的耦合，准确的选择显示器的位置都很重要。检波器被安装在地面上靠近隧道线的不同位置，如图1（b）所示。

正如之前提到的，无论爆破模式还是装药工序都是由公司爆破技术人员设计的，并且所有爆破振动的测量都是由研究组在隧道垂直上方的地面上同时进行的。换言之，必要的信息，如定量测量值和观测值等作为监测的基础，是爆破所获得的唯一数据。

在爆破作业中，使用了胶质乳化甘油炸药和30毫秒延期电雷管等承包人可接受范围内的炸药。所有炮孔直径为43毫米，长度为140厘米。

对于地面振动参数的预测，虽然曾建立了许多经验关系式并为不同的科研人员所用，但最可靠的关系还是以质点振动速度和比例距离为基础建立的关系。比例距离是利

用爆破空气冲击波和地震波产生的能量定义的概念。爆源和监测站之间的距离通过测量设备和GPS全球定位系确定。比例距离通过结合爆源和测量点之间的距离以及单段最大装药量得到。当单段装药量和距离变化时，缩放比例对预测质点峰值振动速度是必须的。比例距离常用的方法是平方根缩放和立方体根缩放。

如果使用圆柱形药包，通常采用平方根缩放。对球形药包，多采用立方体根缩放。平方根和立方体根的缩放公式如下：

SD1?SD2，比例距离；R，爆源和监测站之间的距离（米）；Wd，单段最大装药量（公斤）。

另外，在许多调查研究中被广泛建议使用的质点振动速度峰值预测公式如下：

K：地面传输系数β：具体地质常数

众所周知，当数据对不够时，通过数学分析确定回归线可能会有误差。换句话说，使用少量数据可能会导致分析不准确甚至得出危险的预测。因此，作为可靠的经验分析法则至少需要统计30组数据对。为了保证公式（3.3）的可靠性，衰减公式必须调整到95%的置信水平，并且“拟合优度”即可决系数（r）应不低于0.7。用于确定置信水平的标准差应该尽可能的接近于0。当拟合优度小于等于0.7时，表明数据有问题或不一致。这时，需要审查数据和测试程序，并且必须进行一系列的附加测试。

4.测量结果

爆破产生的总能量随着每一次点燃的爆破药量而变化。随着爆源产生的冲击波在岩体内扩散，原岩体积在波压力的影响下膨胀。台阶爆破引发的振动危害可以基于与主频率相关的质点振动速度来评估。

爆破介质中传播的爆破振动速度与爆破反应中产生的能量成正比，与爆心距成反比。不过各个爆破区是不同的。除了小的差异，如该地区的地质条件、围岩类型和特性、爆破模式和炮孔装药量，附近建筑物的类型和质量对各测试点的受损危险性预测也很重要。同时，根据单段装药量和爆心距之间的重要关系结合场地因素，比例距离的概念已

被广泛应用于估计质点振动速度的文献中。

在研究范围内，为了衡量爆破对环境的影响，各测站点（尽可能接近但可变动的）以任意的距离布设。这些测点被选为存在受损危险的位置是合理的。尽管在本文范围内讨论结果不是目的，选择这些点的目标之一是通过检测之前一系列的爆破记录如爆破模式、使用的炸药量，爆破点等，以及测定的振动频率和振动速度，来评估爆破损害的影响程度。

所有爆破都被监测，其爆破位置、模式和装药量已在上文中详细解说。爆破在岩体内产生的质点振动速度和振动频率通过两种不同的机型记录下来。（瞬发爆破振动监测记录仪和微型检波器）

在爆破记录中，考虑到检波器与地面之间良好耦合的重要性，将其以不同的方向和距离任意定位到各测点。在试验现场进行的452个测试项目的地面振动测量结果（包括质点峰值振动速度、总装药量、单段装药量、爆心距和比例距离）详见表1。

表1地面振动测量结果

5.测量结果的统计分析

将统计分析技术应用于爆破振动数据对，得到质点峰值振动速度和比例距离之间特定的速度衰减方程。统计学要求必须设计足够数量的爆炸（至少30项）来保证收集到足够的数据建立一个类似的公式。本项研究中，根据经验统计规律获得了超要求的数据对（452项）。

在详细记录比例距离参数的同时，借助合适的振动监测器对所有爆破的地面振动分量进行测量。爆源和监测站之间的绝对距离由测量设备和GPS确定。然后，借助在文献中广泛使用的立方体根和平方根比例距离公式，预测质点峰值振动速度。为了建立一个质点峰值振动速度和比例距离之间的最佳拟合关系，对表1中给出的452组数据对进行简单回归分析。回归分析是使用立方体根和平方根公式得到比例距离和与实际接近的单段最大装药量最小值。在简单回归中，分析了线性，对数，指数，倒数和乘方的曲线拟合近似值。其中，乘方方程被确定为拥有最高相关系数的近似方程，如下所示：

上式中，试验测试点的常数分别被确定为：K = 688；β =?1.24

统计分析结果表明，衰减方程的斜率约为?1.24。其所得到的分别考虑平方根和立方体根缩放的质点峰值振动速度公式详见表2。

由于单段装药量很少，所以导致两个预测方程很接近，见表2。就装药量少、地下爆破和地表振动测量位置的选择而论，基于立方体根缩放，假设一个球形药包的预测方程（SD2）是这项研究考虑的一部分。

众所周知，质点振动速度的预测需要平均值和上限值。为此，进行了进一步系统性的分析，建立了一个具有良好的相关系数的质点峰值振动速度和比例距离之间的经验关系式，给出了置信水平为95%的平均线和95%的置信上限预测线。由标准误差和数据分布曲线（10 V.SPSS专业数据统计软件所得)得到的95%置信上限预测线如图4所示。

因此，给定一个特定的比例距离，便可以估计出一个最合理的质点峰值振动速度(PPV)，并且低于95%预测上限，来预计未来的爆破作业。

表2 据SD1和SD2公式所得的所有质点振动速度分量方程

其次，回归分析也可以分析速度分量。虽然质点振动速度纵向分量公式的相关系数比其他分量公式的更好，但回归分析表明，整个结果离散不大，并且与质点峰值振动速度(PPV)50%的置信上限预测曲线一致。

另外，对于其中262个项目，将单段装药量设为常量1.2kg，则质点峰值振动速度的变化取决于在15—50之间变化的爆心距。这项分析结果证明了距离尤其是短距离对质点振动速度的影响。爆破振动引起的质点振动速度和比例距离之间的典型变化曲线如图5所示。在主频和比例距离之间也获得了类似的关系。

此外，在95%的预测上限约束下所建立的关系被用来指导4次新的爆破。新项目所获得的质子峰值振动速度（PPV）测量值位于95%置信区内。经验式也使用表3中给出的新数据进行了测验。从表3中可以看出，PPV的实测值与计算值是十分接近的，并且其标准差不超过10%。

研究证明，该试验所得的公式适用于控制隧道爆破施工。

此外，评估了由452组项目的PPV反馈的频率值的分布，确定发生在短距离内的频率是相当高的（80%的值高于40Hz），与文献预期的一致。

表3质点峰值振动速度的计算值与实测值

图4质点峰值振动速度与比例距离的关系（在50%-95%置信水平预测范围内）

图5质点峰值振动速度随着距离的增加而减小

众所周知，当速度相等时，低频振动的破坏力比高频振动更大。通常在5-10Hz之间变化的建筑结构自振频率和试验测点发生的高频值带来的损坏风险并不高。事实上，在研究过程中他们并不会留意到任何严重损害的投诉。实际上，承包人使用测量设备得到的变形测量结果同样支持这些发现。进一步处理危害风险的分析将另文讨论。

6.总结

人们对爆破开挖作业引起的环境问题的不满日益加剧。因此，控制爆破和监测地面振动对解决这些问题极为重要。

本研究在含有沉积岩的伊斯坦布尔地铁爆破施工中实现了对振动参数的预测。利用所获得的数据组，建立了一个用来估计质点峰值振动速度和评估未来爆破作业的可靠经验公式。不难预料随着隧道爆破施工在土耳其越来越多的运用，环境问题也会随之增加。因此，本研究发现的使用对问题的解决更具意义。

由于其他各种影响，PPV预测公式可能会得到不正确的结果。为了保证该公式的可靠度，需要做更多不同方面的试验，回归分析也应该在之前的基础上做更多的测量来更新。

另外，美国统计局通过广泛的调查对建筑损坏风险评估提出了重要的建议。这些建议都是考虑结构类型，并基于最低质点振动水平与相对主频范围得到的。许多学术研究

和规范支持这一建议。引用的参考文献表明，只要频率足够小即使速度慢也可能破坏建筑结构。根据测量结果的分析，可以确定的是测试点产生的振动频率很高，与参考文献一致。根据这些频段，位于隧道线附近的建筑物不会出现意料之外的损坏。事实上，在研究过程中没有发现严重的损害。

致谢

这项研究是由伊斯坦布尔大学研究基金（项目编号b-66／12019和1056／031297）和土耳其科技研究学会（项目编号ydabcag-199y027）赞助的。

衷心地感谢伊斯坦布尔大学研究基金和土耳其科技研究学会提供的经济资助，感谢阿纳多卢地铁公司所有员工在现场研究调查过程中的配合和帮助。

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