孤石深孔爆破对临近竖井的振动影响研究*

张 彪

(中铁二十三局集团有限公司，成都 610072)

孤石为花岗岩残积土中不均匀风化所残留的球状风化核[1]，由于其具有分布随机、形状各异、大小不等、单轴抗压强度较高等性质，盾构无法直接破碎，需要采取预处理措施。

城市环境下的爆破法施工经常遇到临近建筑物振动影响问题，国内学者采用理论分析、数值模拟及现场监测等手段进行了研究。夏宇磬等通过现场测试研究了爆破振动下预埋混凝土管道的动力响应特征[2]。刘义佳等分析了爆破振动频率和持续时间对结构爆破振动响应的影响[3]。杨招伟等提出了基于地表实测振动的岩石动力学参数预测方法[4]。管晓明等研究了隧道爆破振动下既有建筑结构的动力响应[5]。雷振等采用现场试验和数值计算研究了台阶爆破对临近建筑的振动影响[6]。张黎明等通过现场试验对管道地表的爆破振动峰值振速、主振频率及轴向微应变进行了研究[7]。李新平等以白鹤滩水电站为工程依托，分析了地下洞室高边墙上质点爆破振动速度随高程变化规律[8]。夏宇磬等研究了隧道开挖爆破振动对下埋供水管道的动力响应[9]。于建新等开展了大跨度隧道爆破现场监测试验，分析了爆破参数对隧道结构振动规律的影响[10]。孙金山等分析了露天爆破时瑞利波在爆源远区边坡岩土介质中诱发的动应力和质点振动特征[11]。叶海旺等研究了砌体房屋结构在爆破振动下的动态响应[12]。

以厦门轨道交通1号线【集美中心站～诚毅广场站】盾构区间隧道为依托工程，基于现场测试和数值分析的方法，针对城市环境下孤石深孔爆破下临近建(构)筑物的振动影响展开研究，提出了满足盾构掘进要求的孤石爆破减振措施。

1 工程实例

1.1 孤石尺寸及周边环境

厦门轨道交通1号线集美中心站～诚毅广场站区间隧道为单洞单线圆形隧道，线路埋深15～20 m。补勘期间在区间右线YDK24+008～YDK24+026段(左线竖井旁)发现存在对盾构掘进影响较大的中、微风化花岗岩孤石。经详细补堪，孤石沿盾构掘进轴线长约17.88 m、宽10.96 m(布满盾构掘进横断面)、厚度8.05 m(对盾构掘进产生影响的最大厚度为4.05 m)，需爆破的方量约700 m3，孤石与竖井结构位置关系及相关尺寸如图1所示。

图 1 孤石与竖井位置关系(单位：m)Fig. 1 Relative position of boulder and shaft(unit：m)

孤石西侧为左线竖井结构，竖井壁围护桩有两根桩与该孤石相连，孤石东侧、东南侧及南侧为市民公园山体，在距离孤石约130 m的山顶上有一处新建的集美塔，西北侧约197 m为西亭村民房，东北侧约115 m为在建钢筋混凝土框架结构楼房，西侧约140 m为已建诚毅书城。

1.2 现场爆破方案

为满足盾构机掘进需求，孤石爆破后块度应满足单边长度小于30 cm。由于孤石在地面10 m以下，没有临空面，很难进行石渣的抛掷，表现为“无限均匀介质中炸药的内部作用”现象，岩石破碎范围主要为“爆腔、粉碎区、裂隙区”。为尽量扩大“爆腔、粉碎区、裂纹区”，采用110 mm钻孔孔径进行钻孔，并用直径90 mm PVC套管护孔，采用直径60 mm的2#岩石乳化炸药进行爆破，孤石爆破炸药单耗q取5.0 kg/m3。

为防止孤石爆破时竖井基坑围护桩和相邻分区孤石完整性发生破坏，在竖井基坑一侧距离盾构掘进边线1.5 m处设置两排减振孔及孤石爆破分区之间设置两排隔离孔。减振孔与隔离孔孔径均为127 mm，孔距20 cm，排距20 cm，钻孔深度大于装药孔50 cm以上。

为了加快孤石爆破的施工效率，同时也为避免爆破对竖井造成过大的冲击或挤压，孤石采用五个爆破分区进行爆破，如图2所示。

图 2 孤石爆破分区Fig. 2 Boulder Blasting partition

考虑到爆区周边的环境状况，孤石爆破采用多段别毫秒延期、小规模爆破、单孔单响的设计方案，采用有利于爆破能量均匀分布的三角形布孔方式。爆破一区～爆破四区爆破装药孔的孔、排距为a×b=0.8 m×0.7 m，钻孔深度超过盾构开挖边界1.0 m。为了减小爆破振动对竖井围护桩的影响，靠近竖井围护桩的爆破五区孔、排距调整为a×b=0.6 m×0.5 m，从而减小单孔装药量。

2 孤石爆破现场监测

为了分析孤石爆破对临近构(建)筑物的振动影响，采用爆破振动测振仪对竖井围护桩顶部、集美塔进行现场监测。

以孤石爆破分区1区、5区为例，对孤石爆破振动监测结果进行分析，如表1所示。

表1 孤石1区、5区爆破监测结果Table 1 Blasting monitoring results of boulder 1 and 5 partitions

孤石1区、5区爆破时，集美塔监测点均低于2.0 cm/s，满足爆破安全规程(GB6722—2014)要求，而竖井监测点均超过爆破安全规程，究其原因主要为爆破源离竖井结构较近，孤石爆破对竖井结构扰动较大所致。

对比分析1区、5区爆破时监测点1#、2#的振速值，5区爆破振速值明显低于1区爆破振速值，表明后期施工时应减小炮孔间距，减少单孔装药量，可以有效控制竖井结构振动速度，防止临近结构的破坏。

3 数值分析

3.1 孤石爆破计算模型

结合施工现场探测绘制的孤石所处位置的平、纵剖面图上的形状、尺寸以及位置相对关系，建立了数值计算模型，模型整体尺寸设定为35.74 m(长度)×40.56 m(宽度)×36.17 m(高度)的无限均匀土体介质，如图3所示。

图 3 计算模型(单位：m)Fig. 3 Numerical calculation model(unit:m)

孤石模型内部分区如图4所示。

图 4 孤石模型Fig. 4 Boulder model

考虑到孤石分区5区离竖井结构最近，以爆破5区为例，研究减少装药量对竖井结构的振动影响。

计算参数分别如表2～表5所示。

表 2 炸药单元计算参数Table 2 Calculation parameters of explosive elements

表3 孤石计算参数Table 3 Boulder parameters

表4 竖井计算参数Table 4 Calculation parameters of shaft

表5 空气单元参数Table 5 Parameters of air elements

竖井结构采用MAT_ELASTIC模型，材料参数见表4。

孤石为MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，材料参数见表3。

3.2 竖井振动效应分析

取不同位置监测点分析孤石爆破时竖井的振动影响，监测点如图5所示。

图 5 竖井监测点Fig. 5 Monitoring points of shaft

图6给出了竖井监测点振动时程曲线。

图 6 竖井监测点振动时程曲线Fig. 6 Vibration time curve of shaft monitoring point

从竖井监测点振速时程曲线可以看出，监测点振动速度均小于2 cm/s，孤石爆破分区五区在爆破过程中使邻近竖井结构产生的振动速度控制在合理范围内，不会对竖井结构造成破坏或损上，因此增加孤石爆破分区，减少一次爆破量，可以有效减小临近建筑物的振动影响。

4 结论

(1)减振孔可以有效减弱孤石爆破对竖井基坑围护桩的破坏，隔离孔可以保证相临爆区孤石的完整性。

(2)以孤石分区5区为例，为减少单孔装药量，减小炮孔之间行距和排距，可以有效控制竖井振动速度，并保证孤石爆破效果。

(3)竖井监测点振动时程曲线表明，通过增加孤石爆破分区、减小炮孔间距等措施，减少单孔的装药量，可以有效控制竖井结构振动速度，防止临近结构的破坏。