一种小净距隧道掘进爆破振动幅值和频率协同调控方法与流程

本发明涉及工程爆破和隧道工程，具体涉及一种小净距隧道爆破振动幅值和频率协同调控方法。

背景技术：

1、小净距隧道具有受地形和线路限制少、施工过程简便以及建设成本受控等特点，在隧道建设中得到了快速发展和广泛应用。由于小净距隧道左右洞净距较小，隧道钻爆掘进过程中，后行洞开挖爆破振动易对隧道中夹岩以及先行洞支护衬砌等结构产生不利影响，威胁隧道安全稳定，制约隧道掘进效率。随着小净距隧道在隧道建设中被更多地采用，小净距隧道左右洞净距越来越小，隧道中夹岩厚度也越来越小，后行洞开挖爆破振动对隧道中夹岩以及先行洞支护衬砌等结构的不利影响更突出。

2、爆破振动幅值过大将直接影响隧道结构的安全稳定，而当爆破振动幅值小于安全允许振速时，爆破振动仍然对隧道结构的安全稳定构成潜在威胁，主要表现为爆破近区高频振动导致隧道结构局部损伤以及爆破中远区低频振动诱发隧道结构振动放大，这些不利影响在具有单薄中夹岩结构的小净距隧道中尤为明显。因此，控制小净距隧道爆破振动需要同时从爆破振动幅值和频率两个方面着手。然而，目前隧道爆破振动控制主要集中于爆破振动幅值控制方面，隧道爆破振动频率调控方面的相关内容相对较少且不够系统深入，小净距隧道受爆破振动影响的问题更为突出，亟需提出兼顾幅值控制和频率调控的小净距隧道爆破振动控制技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有小净距隧道掘进爆破振动控制技术的不足，提供一种协同调控幅值和频率的小净距隧道掘进爆破振动控制方法。

2、本发明采用的技术方案为：本发明所述一种小净距隧道掘进爆破振动幅值和频率协同调控方法，其特征在于包括如下步骤：

3、(1)调整隧道掌子面炮孔位置，具体为：①在隧道掌子面偏心布置掏槽孔，掏槽区域位于隧道中线远离中夹岩一侧；②由掏槽区域向隧道设计轮廓逐圈布置辅助孔，辅助孔排距由掏槽区域至中夹岩方向逐渐减小；③光爆孔按照常规设计布置。

4、所述掏槽区域的偏心程度，在满足凿岩机械钻孔所需延展空间的基础上，尽量远离中夹岩。所述辅助孔排距的变化，应满足光爆层厚度(最后一圈辅助孔与光爆孔之间的距离)δ>光爆孔间距s。

5、(2)调整隧道爆破起爆网路，具体为：①掏槽孔逐孔起爆，远离中夹岩一侧掏槽孔先起爆，孔间延时较常规掏槽孔孔间延时适当增大，靠近中夹岩一侧掏槽孔后起爆，孔间延时较常规掏槽孔孔间延时适当减小，掏槽孔整体起爆顺序为由下部往上部起爆；②辅助孔逐孔或群孔起爆，群孔起爆的炮孔不超出同一圈炮孔范围，远离中夹岩一侧辅助孔孔间延时较常规辅助孔孔间延时适当增大，靠近中夹岩一侧辅助孔孔间延时较常规辅助孔孔间延时适当减小，辅助孔排间延时较常规延时适当减小，辅助孔整体起爆顺序为由下部往上部起爆；③光爆孔群孔起爆，同时起爆群孔总药量不超过掏槽爆破最大单段药量，光爆孔由远离中夹岩一侧向靠近中夹岩一侧逐段起爆，光爆孔段间延时较常规光爆孔段间延时适当增大。

6、所述延时适当增大，是指增大后的延时δt’小于常规延时δt的2倍，即δt<δt’<2δt；所述延时适当减小，是指减小后的延时δt”大于常规延时δt的0.5倍，即0.5δt<δt”<δt。

7、(3)爆破振动监测反馈，具体为：①在爆破近区的中夹岩边墙、拱顶部位岩体上，以及爆破中远区的中夹岩边墙、拱顶部位衬砌结构上分别布置监测点开展爆破振动监测；②读取爆破近区、中远区的中夹岩边墙、拱顶部位爆破振动幅值和主频的监测结果。

8、所述爆破近区，是指爆心距(到爆源中心距离)d小于紧邻中夹岩最小厚度δmin的区域，即d<δmin的区域。所述爆破中远区，是指爆心距d大于掌子面与最近二次衬砌距离δx的区域，即d>δx的区域。

9、(4)判断爆破振动幅值和频率是否满足安全要求，具体为：①判断爆破近区的中夹岩边墙、拱顶部位岩体的爆破振动幅值和频率是否满足高频损伤控制要求；②判断爆破中远区的中夹岩边墙、拱顶部位衬砌结构的爆破振动幅值和频率是否满足共振控制要求。

10、所述高频损伤控制要求，是指近区高频带爆破振动幅值满足相应的爆破振动控制标准。所述共振控制要求，是指中远区爆破振动主频分布f～n(μ,σ)使衬砌结构自振频率f0满足nf0<μ-3σ，且nf0>μ+3σ，(n＝1,2,3,…)，其中：f为爆破振动主频，n(μ,σ)指均值为μ、标准差为σ的正态分布，f0为衬砌结构自振频率。

11、(5)按照步骤(1)、(2)优化调整掌子面炮孔位置和起爆网路，直至爆破振动幅值和频率满足安全要求，具体为：①若爆破近区掏槽爆破振动幅值超出爆破振动控制标准，则进一步向远离中夹岩方向布置掏槽孔；②若爆破近区辅助孔爆破、光面爆破振动幅值超出爆破振动控制标准，则降低辅助孔群孔爆破、光面爆破一起起爆炮孔数量；③若爆破中远区爆破振动主频不满足共振控制要求，则适当减小对应炮孔孔间延时。

12、本发明的有益效果为：

13、(1)远离中夹岩偏心布置掏槽孔，增大了掏槽区域与单薄中夹岩之间的距离，能大幅降低掏槽爆破振动对中夹岩的影响；辅助孔排距由掏槽区域至中夹岩方向逐渐减小，降低了邻近单薄中夹岩的辅助孔的最小抵抗线，能有效降低辅助孔爆破振动。

14、(2)更为重要的是，偏心布置结合炮孔起爆顺序以及延时的调整，起到了很好的协同调控幅值和频率的作用，具体为：远离中夹岩一侧的炮孔先起爆，为靠近中夹岩一侧的炮孔形成临空面，能降低靠近中夹岩一侧炮孔爆破振动；远离中夹岩一侧炮孔孔间延时适当增大，靠近中夹岩一侧炮孔孔间延时适当减小，使爆破近区爆破振动频谱向低频部分偏移、中远区爆破振动频谱向高频部分偏移，能有效抑制爆破近区高频振动导致局部损伤以及爆破中远区低频振动诱发结构共振等不利现象。一般地，掏槽爆破振动主频<辅助孔爆破振动主频<光面爆破振动主频，掏槽爆破振动幅值<辅助孔爆破振动幅值<光面爆破振动幅值。辅助孔排间延时较常规延时适当减小，使爆破中远区爆破振动频谱向高频部分偏移，能有效抑制爆破中远区低频振动诱发结构共振的不利现象。光爆孔段间延时较常规光爆孔段间延时适当增大，使爆破近区爆破振动频谱向低频部分偏移，能有效抑制爆破近区高频振动导致局部损伤的不利现象。

15、(3)针对性地在爆破近区和中远区中的典型区域，在中夹岩边墙和拱顶等爆破振动敏感部位开展爆破振动监测，明确了监测区域和部位，爆破振动监测具体可行。

16、(4)提出了爆破振动主频的调控要求，为爆破振动频率调控明确了方向；同时判别爆破振动幅值和频率是否满足安全控制要求，为协同调控爆破振动幅值和频率提供了基础。

技术特征：

1.一种小净距隧道掘进爆破振动幅值和频率协同调控方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)偏心调整隧道掌子面炮孔位置；(2)调整隧道爆破起爆网路；(3)爆破振动监测反馈；(4)判断爆破振动幅值和频率是否满足安全要求；(5)按照步骤(1)、(2)优化调整掌子面炮孔位置和起爆网路，直至爆破振动幅值和频率满足安全要求；

2.如权利要求1所述的小净距隧道掘进爆破振动幅值和频率协同调控方法，其特征在于，所述步骤(3)爆破振动监测反馈，具体为：在爆破近区的中夹岩边墙、拱顶部位岩体上，以及爆破中远区的中夹岩边墙、拱顶部位衬砌结构上分别布置监测点开展爆破振动监测；读取爆破近区、中远区的中夹岩边墙、拱顶部位爆破振动幅值和主频的监测结果；

3.如权利要求1所述的小净距隧道掘进爆破振动幅值和频率协同调控方法，其特征在于，所述步骤(4)判断爆破振动幅值和频率是否满足安全要求，具体为：判断爆破近区的中夹岩边墙、拱顶部位岩体的爆破振动幅值和频率是否满足高频损伤控制要求；判断爆破中远区的中夹岩边墙、拱顶部位衬砌结构的爆破振动幅值和频率是否满足共振控制要求；

4.如权利要求1所述的小净距隧道掘进爆破振动幅值和频率协同调控方法，其特征在于，所述步骤(5)按照步骤(1)、(2)优化调整掌子面炮孔位置和起爆网路，直至爆破振动幅值和频率满足安全要求，具体为：若爆破近区掏槽爆破振动幅值超出爆破振动控制标准，则进一步向远离中夹岩方向布置掏槽孔；若爆破近区辅助孔爆破、光面爆破振动幅值超出爆破振动控制标准，则降低辅助孔群孔爆破、光面爆破一起起爆炮孔数量；若爆破中远区爆破振动主频不满足共振控制要求，则适当减小对应炮孔孔间延时。

技术总结本发明公开了一种小净距隧道掘进爆破振动幅值和频率协同控制方法，包括以下步骤：(1)在隧道掌子面偏心布置掏槽孔、由掏槽区域向隧道设计轮廓逐圈布置辅助孔，辅助孔排距逐渐减小；(2)调整掏槽孔逐孔由下部往上部起爆，远离中夹岩一侧炮孔孔间延时适当增大，靠近中夹岩一侧炮孔孔间延时适当减小；(3)针对性地在爆破近区和中远区中的典型区域，在中夹岩边墙和拱顶等爆破振动敏感部位开展爆破振动监测，同时反馈爆破振动幅值和频率监测结果；(4)同时判别爆破振动幅值和频率是否满足安全控制要求；(5)按照步骤(1)、(2)优化调整掌子面炮孔位置和起爆网路，直至爆破振动幅值和频率满足安全要求。本发明方法降低掌子面近区围岩高频振动幅值，调整掌子面远区幅值和频率，避免低幅值共振放大，能有效控制小净距隧道爆破振动，尤其是中夹岩爆破振动。本发明方法具体可行、操作简单。技术研发人员：孙鹏昌,孟海利,薛里,康永全,郭云龙,孙崔源,刘一伟,杨年华受保护的技术使用者：中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/5