Series No. 467May 2015

金 属 矿 山METAL MINE

总 第 467 期2015年第 5 期

收稿日期 2015-02-19基金项目 国家自然科学基金项目( 编号: 51004079，51174147) ，湖北省自然科学基金项目( 编号: 2014CFB822) 。作者简介 吴 亮( 1980—) ，男，副教授，博士。

露天矿边坡爆破对既有隧道的影响分析

吴 亮1，2 金 沐3 李雷斌3 钟冬望1，2 蒋 培1，2

( 1． 武汉科技大学理学院，湖北 武汉 430065; 2． 中铁港航 － 武汉科技大学爆破技术研究中心，

湖北 武汉 430065; 3． 中铁港航局集团爆破工程有限公司，广东 广州 510660)

摘 要 针对某露天矿边坡爆破开挖工程对山体内邻近既有隧道的影响问题，依据有关规范及参考国内类似工

程的经验，确定该隧道围岩质点振动速度控制标准为 20 cm /s。对现场爆破荷载作用下隧道围岩质点振动进行了跟

踪监测，提出了测点仪器安装方案，对隧道围岩质点振动衰减规律进行了分析，水平径向、水平切向和竖直向峰值振

速衰减规律拟合系数均在 0. 85 及以上，并及时反馈信息，优化爆破参数。结合数值分析，得到了隧道围岩振动速度与

动应力分布规律，计算得到围岩质点振动峰值速度为 19 cm /s，验证了预估药量的可靠性，为工程的顺利进行提供了

安全保障。关键词 边坡工程 爆破 爆破振动 隧道工程

中图分类号 TD235 文献标志码 A 文章编号 1001-1250( 2015) -05-07-05

Influence of Slope Excavation of Open Pit Mine on the Existing Tunnel

Wu Liang1，2 Jin Mu3 Li Leibin3 Zhong Dongwang1，2 Jiang Pei1，2

( 1． College of Science，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China;2． Blasting Technological Ｒesearch Center，CＲPCE-WUST，Wuhan 430065，China;

3． China Ｒailway Port and Channel Blasting Projects Engineering Co． ，Ltd． ，Guangzhou 510660，China)

Abstract In view of the effect of slope blasting and excavation in an open pit mine on the existing tunnel，the particle vi-bration velocity control standard of the surrounding rock is determined at 20 cm /s，with reference of the relevant standards andsimilar domestic engineering experience． The particle vibration of tunnel wall under the blast loading is monitored，and an in-stallation scheme for measurement instrument is put forward． And the attenuation law of particle vibration at tunnel surroundingrocks is analyzed． The fitting coefficients of the vibration velocity attenuation at horizontal radial，horizontal tangential and verti-cal peak are 0． 85 or above． Information feedback in time can contribute to optimizing the blasting parameters． Combined withnumerical analysis，the vibration velocity of tunnel surrounding rock and the dynamic stress distribution rule are obtained． Thepeak value of particle vibration velocity at surrounding rock is 19 cm /s，which verifies the reliability of the estimated explosivequantity． The research provides security for the smooth construction．

Keywords Slope engineering，Blasting，Blasting vibration，Tunnel engineering

1 工程概况某露天矿位于剥蚀低山丘陵地貌区，隧道轴线穿

越一低山，顶部最高处海拔 127. 43 m，地形坡度一般

为 20° ～ 30°。该边坡工程山顶植被覆盖茂密，但局

部有强风化岩石裸露。山体岩性为较单一的熔结凝

灰岩，岩体坚硬完整，风化程度较低，其表层分布有少

量的残坡积层，厚度一般在 0. 5 ～ 3. 0 m。待开挖露

天矿边坡与坡体内隧道的平面布置见图 1。在边坡

开挖施工过程中，爆破扰动荷载必然对既有隧道产生

不利影响。近 10 a 来，国内外不少学者对小净距隧

道爆破开挖的施工工程与相互影响进行了广泛深入

研究［1-5］，但研究边坡爆破开挖对山体内既有隧道的

影响，特别是对洞口部位岩体影响还比较少［6-10］。由

于露天边坡爆破与隧道爆破在爆源特性方面有差异，

有必要对露天边坡爆破荷载作用下隧道围岩质点振

动进行跟踪监测，对其衰减规律进行分析，及时反馈

信息，优化爆破参数，为工程的顺利进行提供安全保

障。

·7·

图 1 工程平面布置

Fig． 1 Engineering layout

2 爆破参数台阶爆破采用垂直炮孔，炮孔孔径 115 mm，浅孔

孔深 3 ～ 5 m，深孔孔深 15 ～ 16 m，孔距 5 m，排距 4. 2m，深孔堵塞长度 5. 0 ～ 5. 5 m，90 乳化炸药，单孔装

药量 100 ～ 110 kg，最大单响药量 290 kg，总药量约

5. 0 t。爆破量 11 458 m3，平均单耗 0. 31 kg /m3，炮孔

总长 704. 9 m，延米爆破量 16. 25 m3 /m。台阶爆破炮

孔网路布置图见图 2。

图 2 炮孔网路布置

Fig． 2 Network layout of blasting hole

3 监测方案3. 1 采用仪器

依据《GB 6722—2003 爆破安全规程》测试的

相关要求，采用广泛应用于工程爆破环境安全评估、爆破振动监测、爆破施工监理、机械振动、运输振动安

全监测、教学、科研分析等领域的爆破测振仪。测试

所用仪器均具有出厂合格证明，采集精度达到要求，

采集精度为 0. 01 cm /s。3. 2 仪器安装

为保证采集数据的真实性，考虑隧道围岩松动圈

对质点振动的影响，在布点位置钻 2. 0 m 深的孔，插

入直径 18 mm 螺纹钢筋，灌浆密实，在钢筋出露端

水平焊上 10 cm × 10 cm × 1. 5 cm 钢板，或者把钢板

布置在既有的锚杆上，见图 3。钢板上留有螺纹孔，

通过螺丝把传感器固定在钢板上，方便仪器的安装与

拆卸。3. 3 测点布置

根据爆源与需保护的既有隧道间的相对位置关

系，考虑地震波的传播路径与围岩的保护部位，测点

布置方案见图 4。

图 3 传感器安装

Fig． 3 Sensor installation

图 4 测点布置示意

Fig． 4 The arrangement layout of survey points

3. 4 控制标准

工程实践表明，建( 构) 筑物因爆破震动而造成

的破坏与质点峰值震动速度具有良好的相关性，因此

国内外普遍以质点峰值震动速度作为爆破震动控制

的判据。依据有关规范及参考国内类似工程的经验，

该隧道围岩质点振动速度控制在 20 cm /s 以内。

4 监测结果与分析根据实测数据获得边坡爆破引起的隧道围岩质

点速度峰值大小及其振动频率。其中，质点振动峰值

数据可以确定隧道断面各部位的爆破振动强度，通过

对比控制标准明确爆破振动对监控部位的影响程度，

从而给出隧道围岩及其结构的安全评判。另外，实践

表明实测波形是一次爆破分段效果的直接反映，对反

馈信息、调整爆破参数具有实用价值。众所周知，爆破地震波的衰减规律与爆源参数、

地形条件、传播介质、保护对象的结构等因素有关。目前，国内预测爆破地震波衰减规律的公式普遍采用

萨道夫斯基公式

v = K Q1 /3( )rα， ( 1)

式中，v 为峰值质点振动速度，cm /s; Q 为单响药量，

kg; r 为爆心距，m; K、α 是与爆破方法、场地条件相关

系数，与爆破方式、装药结构、爆源至监测点间的地

形、地质条件密切相关。露天台阶爆破对山体隧道围岩振动的测试结果

见表 1。

·8·

总第 467 期 金 属 矿 山 2015 年第 5 期

表 1 爆破振动的实测数据

Table 1 Test results of blasting vibration

单响药量/kg

爆心距/m

振动速度峰值 / ( cm /s)

径 向 切 向 竖 直

150 43. 48 3. 39 7. 4 8. 86142 43. 48 4. 2 7. 8 7. 24148 43. 48 8. 79 7. 86 7. 96278 43. 48 13. 1 24. 3 24266 43. 48 8. 86 15 13128 43. 48 6. 93 8. 48 8. 79134 43. 48 4. 66 8. 52 5. 07290 43. 48 26. 99 25. 3 15. 8132 43. 48 5. 13 12. 47 6. 16126 43. 48 6. 07 7. 65 1. 92138 43. 48 4. 39 7. 08 3. 78190 43. 48 6. 11 5. 93 4. 56190 43. 48 6. 23 5. 46 2. 53278 63. 47 7 － 6. 93150 63. 47 5. 68 － 5. 53136 63. 47 3. 6 － 3. 59142 63. 47 3. 6 － 2. 99278 63. 47 3. 57 － 3. 48266 63. 47 2. 76 － 2. 77290 63. 47 3. 43 － 3. 39138 63. 47 5. 1 － 4. 91190 63. 47 9 － 8. 79190 63. 47 7. 26 － 7. 15190 63. 47 8. 81 － 8. 8134 249. 7 0. 94 0. 65 0. 38276 249. 7 1. 08 0. 8 0. 63150 249. 7 0. 77 0. 53 0. 4142 249. 7 0. 53 0. 63 0. 27136 249. 7 0. 77 0. 55 0. 47148 249. 7 0. 51 0. 33 0. 2278 249. 7 0. 74 0. 55 0. 61266 249. 7 0. 97 0. 79 0. 58

露天台阶爆破对山体隧道围岩振动的衰减规律

回归结果见表 2。表 2 中 Ｒ 为回归的相关系数，它表

征离散数据的拟合程度高低。从拟合结果可以明显

看出，水平径向、水平切向和竖直向峰值振速衰减规

律拟合系数均在 0. 8 以上，拟合效果较好。表 2 爆破振动衰减规律

Table 2 Blasting vibration attenuation law

测试方向 衰减规律 相关系数 Ｒ 样本数

水平径向 v = 107. 8 Q1 /3( )r1. 31

0. 85 32

水平切向 v = 297. 4 Q1 /3( )r1. 66

0. 95 21

竖直向 v = 247. 9 Q1 /3( )r1. 70

0. 86 32

通过实测数据拟合后对爆破振动控制标准下的

最大单响药量随距离的规律预测见表 3。目前，隧道

掌子面距离边坡轮廓的最小距离是 20 m，根据计算，

确定边坡开挖最大单响药量为 60. 9 kg。表 3 不同距离下最大单响药量

Table 3 Maximum single charge under different distances

距 离/m

最大单响药量 /kg

水平径向 水平切向 竖直向

10 21. 1 7. 6 11. 8

20 168. 9 60. 9 94. 2

30 570. 1 205. 5 317. 8

40 1 351. 4 487. 0 753. 2

50 2 639. 5 951. 2 1471. 1

60 4 561. 0 1 643. 7 2 542. 1

5 数值预测根据预估药量，在距离隧道掌子面最近的设计坡

面上施加爆破荷载，确定预估药量的合理性。边坡与

隧道的计算模型采用三维模型，隧道的轴向为 y 轴方

向，z 轴垂直向上，隧道的横向为 x 轴。模型底部与

四周边界设置为无反射边界，隧道已开挖区与边坡面

设为自由边界。计算采用 SOLID164 三维实体单元，

计算中围岩的物理力学参数，Ⅲ围岩: 密度 2. 5 t /m3，

弹性模量 40 GPa，泊松比 0. 3，内摩擦角 50°，黏聚力

1. 5 MPa;Ⅳ围岩: 弹性模量 30 GPa，泊松比 0. 33，内

摩擦角 39°，黏聚力 0. 7 MPa，密度 2. 4 t /m3。根据爆

破实测波形确定爆破荷载，经试算，瑞利常数取 α =0. 04，β = 0. 000 3。

沿隧道轴线山体剖面的计算应力云图见图 5。

图 5 不同时刻的动应力云图

Fig． 5 Dynamic stress cloud chart at different time

为确定边坡爆破对隧道围岩的影响，在距离爆源

最近的隧道剖面上选取了 4 个点，如图 6 所示，图中

A、B、C、D 各点分别对应隧道拱顶、拱与边墙交点、边墙中点与底板质点。

·9·

吴 亮等: 露天矿边坡爆破对既有隧道的影响分析 2015 年第 5 期

图 6 考察点示意

Fig． 6 Investigation points

隧道各考察点的质点振动时程曲线结果见图 7，

图中 Vx、Vy、Vz 分别为 X、Y、Z 方向的质点振动速度。

图 7 各考察点的质点振动时程曲线

Fig． 7 Particle vibration curve of each investigation point■—Vx ; ▲—Vy ; ●—Vz

计算表明，垂直方向上的 Vz 峰值较大区域主要

在拱顶处，沿隧道围岩逐渐向下衰减，隧道轴向振速Vy、横向振速 Vx 的峰值向下先增大后减小。可见，爆

破荷载产生的应力波初始以纵波向下传播，随着距离

的增加逐渐衰减，而在隧道围岩的自由面处形成的面

波向下传播的规律为先增大后减小，在拱与边墙交点

处围岩质点振动速度峰值达到最大，随后开始衰减。计算得到质点振动速度的最大峰值为 19 cm /s，小于

隧道围岩质点振动控制速度，围岩最大动拉应力峰值

为 0. 65 MPa，结合隧道埋深，围岩在动静荷载共同作

用下是稳定的，表明安全振动速度与预估药量是合理

的。6 结 论

( 1) 讨论了岩质边坡爆破开挖对山体内邻近既

有隧道的影响问题，依据《GB6722—2003 安全爆破

安全规程》的相关要求，结合工程特点，提出了该工

程隧道围岩的安全控制标准。( 2) 通过对现场爆破荷载作用下隧道围岩质点

振动进行跟踪监测，及时地得到了边坡爆破参数对既

有隧道围岩的影响; 通过对隧道围岩质点振动衰减规

律进行分析，得出了相应的回归指数，为优化爆破参

数提供了参考依据。( 3) 通过数值计算分析得到了预估药量对既有

隧道围岩振动速度与动应力分布规律，计算得到围岩

质点振动峰值速度为 19 cm /s，验证了预估药量的可

靠性。

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( 责任编辑 徐志宏)

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