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岩溶隧道掘进爆破的地震效应和安全标准

岩溶隧道掘进过程中，爆破施工不可避免地会产生地震效应，这对周边环境和结构的安全性具有重要影响。地震效应主要表现为爆破振动波的传播，包括质点振动速度、频率和振幅等参数。这些振动可能对隧道围岩稳定性、地表建筑物以及地下管线造成损害，因此需要严格控制。

在岩溶地质条件下，由于岩体中存在大量溶洞、裂隙和软弱夹层，爆破振动的传播路径更加复杂，可能导致局部应力集中或围岩失稳。为确保安全，通常采用以下措施：一是优化爆破设计，如减少单段起爆药量、采用微差延期爆破技术；二是加强监测，通过布置振动监测点实时获取数据，评估爆破影响范围；三是制定合理的安全标准，例如我国《爆破安全规程》（GB6722）规定，对于不同保护对象，允许的最大质点振动速度有明确限值（如一般建筑物为2~5cm/s，精密仪器为1~2cm/s）。

此外，针对岩溶隧道的特点，还需结合具体工程条件开展数值模拟与现场试验，综合分析爆破参数与地震效应之间的关系，从而实现精准控制，最大限度降低爆破对周围环境的影响，保障施工及周边区域的安全。

损伤破坏的，爆破地震影响区内的围岩损伤断裂准

业，常常要求评价爆破地震作用下各种岩石隧道、 地下巷道、涵洞、路堑边坡等的稳定性，对各类建 筑物、构筑物的影响程度西安国际港务区工程项目冬期施工方案，以便采取相应的安全防 护措施或确定其安全距离。前述可知，采用岩土质 点振动速度作为建筑物、岩石边坡与隧道稳定性的 判据较为普遍。根据我国《爆破安全规程》

其中oc为微裂纹发生扩展的临界应力；a为微 裂纹的初始半径，可根据围岩裂隙发育情况取值； Kic为应力强度因子。 设o为岩石中的应力，当o

式中P为岩石密度；C为岩石中纵波波速；V 为岩石质点振速，可由现场测试振速回归公式计算 得到。由(1)、(2)以及现场测试振速回归公式就可 以对围岩的损伤进行控制。

爆破作用引起的地震波是一种极为复杂的随机 波。一般情况下，为了研究方便，假定介质是均质 的、各向同性的弹性体，介质质点作简谐运动。因 此，介质质点的运动状态可用位移x、速度√和 加速度α等物理量进行描述"，在实际应用时，通 常取各物理量的峰值。

x = A sin ot sin(or+) V dt a= dt²

1.3爆破地震波频谱特性

2岩溶隧道爆破地震监测与分析

2.1爆破地震波的测试与分析

图1测点布置平面位置示意图

杨小林等岩溶隧道掘进爆破的地震效应和安全标准

图2实测的垂直和水平方向的地震波

表1爆破振动速度测试数据

表2实测的爆破振动速度回归方程

根据测试数据的回归结果，对岩溶区隧道开挖 爆破地震波传播有以下结论： 1)垂直于地面的振速明显大于水平方向的振 速。主要是由于质点在垂直于介质表面方向运动时 受到的约束小，而沿表面方向受到的约束大，因此 垂直于介质表面方向的振速是爆破振动危害控制的 关键。 2)对比超前和落后于爆源的质点振速，发现超 前于爆源的质点振速，无论是水平方向还是垂直方 向，都比落后于爆源的质点振速大。由于开挖爆破 后对围岩产生损伤，降低了围岩的质量，落后于爆

对于表1中的数据进行回归分析，可求出： a=2.287，K=193.6。由此得出速度V、爆源距R和单 段最大装药量Q的关系式。如表2所示。

源的岩体由于受爆破损伤较为严重，岩体内地震波 衰减快，从而导致相同条件下落后于爆源的质点振 速比超前于爆源的质点振速小。因此，结合以上的 分析以及现场实际情况，可认为开挖爆破对超前于 爆源的隧道的溶洞影响要大于其对落后于爆源的溶 洞的影响，主要应当控制爆破对前方溶洞的影响。

2.2爆破地震频率分析

以快速傅里叶变换FFT为基础，分别对爆破地 震波记录波谱进行了频谱分析。由频谱分析结果可 知道路改造及给排水工程施工组织设计，纵向和横向振动主频大部分集中在50～200Hz 之间。超前于爆源的测点其频域比落后于爆源的测 点的频域窄，并且其主频比落后于爆源的测点的主 频高；从功率谱分析可以看出，水平方向振速其频 域比垂直于地面方向振速的频域窄，并且向低频方 向移动；水平方向振速其主频要低于垂直于地面方 向振速的主频，并且其功率幅值明显要低。另外， 落后于爆源的测点其主频有时不显著，往往有多个 峰值，功率谱图形较复杂。这是由于隧道开挖爆破 后对围岩产生了一定的损伤，降低了围岩的完整 性，爆炸应力波在介质中传播必然受到影响，如能 量耗散快，对各频率能量吸收复杂，减弱了对爆源 后溶洞的损伤。

3岩溶隧道爆破振动速度的安全控制

根据爆破安全标准的有关规定，对于岩溶地 层，为了确保爆破不对溶洞产生影响，即爆破产生 的质点振动不允许在溶洞周围产生裂隙。而且由于 现场地质条件非常复杂，地下水丰富，还必须根据 现场的实际情况和地质条件制订不同的爆破安全振 动速度标准。根据圆梁山隧道的实际情况，将地质 条件分为三大类，按照(1)式和(2)式分别计算其最 大安全振动速度。 对于坚硬完整的岩溶地层，取a=0.01m， PC=2.7×10×6×10kg/s·m²，Kic=10”Pa，可 得其最大安全振动速度Vimx=5.47cm/s，建议的安 全控制标准为5cm/s。 一般中硬、完整性较好的岩溶地层，取 a=0.04m，PC=2.7×10²×5×10²kg/s·m”, Kic=10”Pa，可得其最大安全振动速度 V2max=3.28cm/s，建议的安全控制标准为3cm/s。 对于裂隙发育的岩溶地层，取α=0.16m, PC=2.7×10²×4×10²kg/s ·m²,Kic=10²Pa,可

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得其最大安全振动速度V3ma=2.05cm/s，建议的安 全控制标准为2cm/s。

在岩溶区隧道爆破开挖过程中，控制开挖爆破 对临近溶洞的影响是关键。为了既充分发挥爆破技 术的经济效益，又最大限度地降低爆破振动的危 害，必须重视爆破地震规律及振动对结构物影响的 研究。研究得出了以下认识： 1)由于隧道开挖爆破对围岩产生一定的损伤， 加快地震波的衰减，从而使得落后于爆源的质点振 速降低，而超前于爆源的岩体受爆破开挖的影响 小，地震波引起的质点振动速度相对较高，因此关 键应当控制爆破对超前于爆源的溶洞所产生的危 害。爆破对围岩或溶洞的危害控制标准可以以垂直 于介质表面的振速为主，沿表面方向的两个水平振 速为辅。 2)由于溶洞内的填充物比较松软，即便是注浆 后，其强度与周围岩体相比还是比较小，因此，在 岩体中爆破开挖隧道不可避免要对溶洞内的介质产 生损伤破坏。这是控制岩溶地段开挖爆破危害的关 键，对此应采取有效的控制措施。 3)超前于爆源的测点与落后于爆源的测点相 比，其频域窄且向高频移动，主频高，而落后于爆 源的测点其主频有时不显著，往往有多个峰值，功 率谱图形较复杂。这是由于隧道开挖爆破后对围岩 产生了一定的损伤，使其完整性降低，从而影响了 爆炸应力波在介质中传播。 4)爆破振动速度随单段最大药量的增加而增 加或距爆源的减小而增加，根据爆破安全要求确 定最大的单段爆破药量，严格控制在其范围之 内。即坚硬完整的岩溶地层爆破振速应不大于 5cm/s；中硬和完整性较好的岩溶地层爆破振速应 不大于3cm/s；裂隙发育的岩溶地层爆破振速应不 大干2cm/s.

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Abstract: Based on the analyses of such factors as vibration rate and vibration frequency in the seismic effect, the relation formula among Seismic velocity and dynamite amount and the distance to blasting core are calculated according to the blasting seismic velocity measured in Yuanliangshan karst tunnel. The affection of different objection to the blasting vibration velocity and the frequency are analyzed. The calculating methods of blasting safety velocity based on single mostsele cting dynamite amount are discussed. The formulation of explosive vibration safety standard is presented on karst tunnel blasting. Key words:Karst tunnel;Tunnel excavation;Blasting:Seismic affection;Vibration velocity