超深土岩组合地铁基坑爆破振动监测分析

周 昆

（中铁十四局集团有限公司，福建厦门361000）

1 概述

随着目前国内城市地下铁路的发展，爆破法在坚硬岩层基坑开挖过程中无疑是最经济有效的，但在人口和建筑物比较密集的城区内进行爆破施工具有很大的安全隐患[1-4]。本文以厦门地铁2号线东渡路站基坑爆破施工为例进行现场监测，探究复杂环境下深基坑爆破的震动规律及对周围建筑的影响，为今后土岩组合地层条件下超深基坑爆破研究提供宝贵的参考价值和指导意义。

2 工程概况

厦门市轨道交通2号线东渡路站是2号线一期工程一标段的第四个站，也是跨海段到厦门本岛的第一个站。车站位于港务大厦前的空地中，呈北-南走向，西接海沧大道站，东接建业路站，为地下四层14m岛式站台车站，采用地下四层双柱三跨钢筋混凝土框架结构。

东渡路车站总长为168.1m，标准段基坑宽度26.05m，基坑标准段深度约为37m，顶板覆土约3.5m，车站平面示意图如图1所示。基坑开挖深度范围内上部主要为素填土，局部含有淤泥、粉质粘土层；下部为不同风化等级的花岗岩，以中、微风化为主；车站基坑为典型超深土岩组合基坑，周边建筑物密集，采用爆破开挖法施工，车站主体结构土石方量共18.8×104m3，其中爆破石方量约15×104m3。施工中为减少爆破对围护结构和周边环境的影响采取减震措施。

图1 东渡路站平面示意图

3 爆破方案设计

3.1 爆破总体方案

由于本工程为基坑开挖爆破施工场地狭窄，且只有一个向上的临空面，直接爆破开挖，岩石夹制作用大，爆破单耗高，飞石防护难度大，因此爆破开挖顺序应首先在爆区北面现有的高差区采用，基础开挖爆破技术进行开挖槽爆破，开挖槽宽度2×2×2（分2次开挖到位）；然后以开挖槽作为临空面，进行扩槽爆破，待槽宽达到一定宽度后，作为一层台阶的临空面，由北至南进行该层的台阶爆破。二层开挖以相同方式进行开槽、扩槽，台阶爆破。每层主爆区开挖，应在基坑边线预留2m宽的保护层采用光面爆破技术进行开挖，以保证基坑边坡的稳定性。保护层开挖应在每层台阶形成后，随着台阶爆破的前进而前进，以免影响后续边坡支护工作及下层开挖。在正式爆破开挖前采取试爆措施，根据试爆的情况结合现场实际周边环境进行调整，以达到最佳的爆破效果和最安全的爆破参数[5-6]。

3.2 爆破参数设计

本次基坑爆破开挖遵循的2个原则是：一是确保爆破过程中人员、建筑物等周围环境的安全，二是在开挖过程中确保桩撑等支护体系的安全。

3.2.1 孔网参数

（1）本次爆破孔径d取为40mm；

（2）台阶高度H通常小于等于4m，本次爆破台阶高度取为3m；

（3）当浅孔台阶大于2m时，超深h一般取台阶高度的10%～15%，当浅孔台阶小于2m时，h不小于30cm。本次爆破设计超深h取为0.5m；

（4）底盘抵抗线w一般取值在1.0～1.2m，考虑到此次爆破的环境特点取为1.2m；

（5）孔间距和排间距a、b分别取为1.0m和1.2m；（6）本次爆破布孔采用梅花形布孔方式；

（7）单孔装药量Q=q·a·w·h，式中q为单位体积耗药量，取0.27～0.6kg/m3，本次设计Q取0.3kg/m3。

浅孔爆破起爆网络如图2所示。

图2 浅孔爆破起爆网路示意图

3.2.2 飞石控制

爆破体上方采用砂袋、铁板、砂袋、安全网对爆破区域进行多重覆盖防护，能有效阻止个别飞石。即爆区采用砂袋（每袋重量不少于30kg）、胶帘或竹片、砂袋、帆布或地毯进行多层覆盖，覆盖范围应超出待爆区边界1m以上，胶帘搭接长度不小于20cm，1m2胶帘面积上加压2个以上砂袋，覆盖严实无缝隙，如图3所示。

3.3 监测设计

本次监测主要对基坑周围建筑物进行测点布设，其测点布设原则[7-8]为：

（1）建筑物测点布置在建筑物承重柱或其基础上；

图3 爆破基坑防护示意图

（2）在同一建筑物上布置进行爆破振动监测时，测点应布置在距爆源最近的位置，即测点布设于建筑物该层平面最靠近爆破点位置；

（3）建筑物的门口、窗口、房角处容易引起应力集中，因此这些位置更容易反映爆破地震波对房屋的危害，测点布设应考虑尽量靠近此类位置；

（4）尽量布设三向速度传感器或三向加速度传感器。

考虑到以上测点布设原则，本次爆破监测共设5个监测点，如图4所示。

图4 爆破振动测点布设示意图

4 振动监测与分析

东渡路车站基坑是典型的土岩组合地层，且周围环境复杂，为定量分析基坑周围建筑物的动力反应，对爆破过程中各测点进行时时监控，分析基坑爆破振动在建筑物之间的传播特性。

本次爆破振动监测采用中科测控TC-4850型爆破测振仪对基坑爆破过程中各测点进行全程监控，记录测点环向、径向、竖向3个方向的振动值，各测点振动数据采集情况如表1所示。

为进一步探究在爆破冲击荷载作用下基坑周围建筑物的动力响应情况，本文选取了各个监测点竖向振动波形图及对应的频谱图进行研究。如图5、图6所示。

表1 各测点爆破震动实测数据

图5 各测点竖向振动波形图

图6 各测点竖向振动频谱图

整个爆破振动监测过程中出现的峰值振动速度出现在居民区03测点，大小为1.421cm/s，对应的频谱分析主频频率为34.285Hz，一般的钢筋混凝土结构的振动主频频率为10～50Hz，规范规定爆破过程中允许周围建筑结构出现的振动速度控制在4.2cm/s以内。由以上数据可知本次基坑爆破过程中未对周围建筑结构造成破坏。

由图6竖向振动频谱分析可知，各测点的频谱分布范围较为相近，基本分布在0～100Hz区间内，但各测点信号分布情况又各有差异。对于大型的高层建筑物，其自振频率一般为几赫兹以内，由02测点的频谱分析图中可以看出其幅值主要分布在0～20Hz之间，与其建筑结构的自振频率较为接近，为确保安全避免出现共振，应对该测点建筑结构不同高度的爆破振动进行监测。

5 结语

本文以厦门地铁2号线东渡路站为工程背景，为减少土岩组合地层条件下，深基坑爆破开挖施工过程中对周围建筑结构的影响，采取了一系列如布设爆破减振孔、优化起爆网络设计、合理规划爆破开挖顺序等措施控制基坑爆破对周围建筑结构的影响。并对基坑爆破开挖过程中周围建筑结构的振动响应进行监测，通过数据分析发现建筑结构出现的振动速度全部控制在安全值以内，并未造成破坏。通过分析发现紧邻爆区的高层建筑对振动波中的低频成分更易吸收，容易引起高层建筑结构的破坏。为今后复杂地层条件下超深基坑爆破工程研究提供指导意义。