地铁隧道爆破施工对近接装配式建筑物影响分析

高亚男，孙 超，段 灿，张永义，关 辉，于广明

(1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东 青岛 266033；3.青岛腾远设计事务所有限公司，山东 青岛 266101；4.青岛市地铁一号线有限公司，山东 青岛 266071；5.中建隧道建设有限公司，重庆 401320；6.中铁二十五局集团第五工程有限公司，山东 青岛 266102)

地铁隧道爆破施工事故时常发生，其产生的振动冲击波等将可能对城市居民环境构成一定的威胁[1-2]。因此加强对地铁隧道爆破施工条件下的建筑物的安全控制是目前迫切需要解决的关键难题[3]。因装配式建筑物与现浇式建筑物相比整体性较差、抗振性能薄弱，使其在爆破振动下的动力响应更为敏感[4]。当爆破振动从装配式建筑物基础传递到上部结构并超过构件的极限承载能力时，会导致装配式建筑物出现裂缝，严重时发生倾斜倒塌，故研究爆破振动对装配式建筑物的影响具有重要意义。但关于地铁爆破施工对装配式建筑物的影响这一方面的相关研究资料匮乏，目前国内外学者主要是从节点和构件两方面切入装配式建筑物振动试验研究。柳炳康等[5]对装配整体式混凝土框架进行试验研究，发现在振动荷载作用下，由于梁柱节点处于双向受压状态，振动达到一定强度时框架梁端首先出现塑性铰，梁柱没有出现明显破坏。范力[6]对2个单层2跨的装配式混凝土框架结构进行试验研究，结果表明框架结构的抗振性能较好，损伤累积仅对初期影响较大。颜磊[7]在研究现浇结构的基础上将其转化为装配式结构，通过对比发现刚度和位移角变化幅度较小。本文在国内外学者对振动作用下的装配式建筑物研究的基础上，依托武汉市地铁11号线爆破工程，通过对现场监测数据进行分析，总结出装配式建筑物在水平方向和垂直方向上的振动响应规律，为今后研究地铁爆破施工对装配式建筑物的影响提供参考。

1 工程概况

武汉市地铁11号线左岭站～葛店南站暗挖区间起止里程为K59+463.400～K63+163.400，全长约3.7 km，区间范围内上部土层为人工填土、粉质粘土、粘土，下伏基岩为花岗岩，强风化带埋藏深度较大，中、微风化岩埋藏深度为2.00～11.00 m。上部土层为人工填土，厚约3 m，强风化带埋藏较浅，中、微风化带岩面埋深约5 m，围岩等级Ⅳ级。隧道断面为马蹄形复合式衬砌结构，拱顶埋深17～30 m，底板埋深25～36 m，采用钻爆法施工，每次开挖进尺为1.5 m，振动速度控制上限为1.5 cm/s，掏槽方式采用双楔形，非文物地段起爆采用非电导爆管的方式。隧道侧穿某装配式建筑物，该建筑物为11层装配式混凝土框架结构，主体长25.5 m、宽16.5 m、高36.6 m，无地下室，装配式建筑物位置示意图如图1所示，其平面图与立面图如图 2和图 3所示。

图2 装配式建筑物平面图

图3 装配式建筑物立面图

本工程选取的钻爆参数及炮眼布置如表1、表2和图4、图5所示。

图4 上台阶钻爆图

图5 下台阶钻爆图

表1 上台阶爆破参数表

表2 下台阶爆破参数表

2 装配式建筑物水平方向振速分析

参考有关文献的同类研究[8-14]，选取装配式建筑物外部地表某处作为固定监测点，在装配式建筑物上监测得到的数据都以该固定监测点为基准，分析装配式建筑物在爆破振动下的动力响应。当隧道爆破掘进至装配式建筑物西北侧时采集数据，掌子面位置与装配式建筑物位置如图1(b)所示。

图1 装配式建筑物位置示意图

为了研究装配式建筑物在水平方向上的爆破振动响应情况，对装配式建筑物一层布点如图6所示。

图6 爆破振动监测点水平方向布置示意图

布点监测采集数据如表3～表6所示，将表3～表6中的三矢量最大振速绘制成折线图，如图7～图10所示。

表3 第一次爆破水平方向监测点最大振速值表

表4 第二次爆破水平方向监测点最大振速值表

表5 第三次爆破水平方向监测点最大振速值表

表6 第四次爆破水平方向监测点最大振速值表

图7 第一次爆破水平方向监测点最大振速值图

图8 第二次爆破水平方向监测点最大振速值图

图9 第三次爆破水平方向监测点最大振速值图

图10 第四次爆破水平方向监测点最大振速值图

由图7～图10可知：

(1)在四次爆破振动过程中，随爆心距的增加装配式建筑物内部监测点的振速均呈现出非线性递减的趋势。分析认为振速的变化规律与装配式建筑物内部墙体的位置有关，爆破地震波的衰减速度受传播介质影响较大；在四次爆破最大振速曲线中，B4点出现较为明显的起伏，分析认为B4处的爆心距较B3小。

(2)三矢量方向振速表现为垂向速度最大，径向速度与切向速度相差不大。这在一定程度上可验证工程中大多以垂向速度作为振动速度的控制标准，使结果偏于安全。

(3)装配式建筑物内部测点的振速均小于固定测点B0的振速，分析原因为地震波传播到装配式建筑物的基础时会产生一定的散射、折射，因此造成部分能量的损耗，根据能量守恒定律，地震波速得到削减。

3 装配式建筑物垂直方向振速分析

为研究装配式建筑物垂直方向的振动响应情况，在装配式建筑物各层底板位置布设监测点，测点布设如图11所示。

图11 监测点垂直方向布置示意图

为使得到的爆破振动规律具有普适性，因此对四次爆破的数据进行采集，如表7～表10所示。

表7 第一次爆破垂直方向监测点最大振速值表

表8 第二次爆破垂直方向监测点最大振速值表

表9 第三次爆破垂直方向监测点最大振速值表

表10 第四次爆破垂直方向监测点最大振速值表

通过对上表中主频的分析能够看出，装配式建筑物内部测点的主频主要分布在30～100 Hz。将表7～表10的数据进行整理，绘制成折线图12～图15。

由图12～图15可知：

图12 第一次爆破垂直方向监测点最大振速值

图13 第二次爆破垂直方向监测点最大振速值

图14 第三次爆破垂直方向监测点最大振速值

图15 第四次爆破垂直方向监测点最大振速值

(1)在装配式建筑物三个矢量方向的振速中垂向振速最大，说明在实际工程中采用垂向最大振速作为爆破振动控制标准是相对安全的。

(2)三个矢量方向的振速均在第二层达到最大值，然后随着楼层的增高而逐渐减小，当达到建筑物的中间层时开始出现转折，随着楼层的增高振速呈现出递增的趋势。由此表明：装配式建筑物在爆破振动下会出现一定的高程放大效应，这与其他学者的研究结果一致。

(3)二层振速达到最大值的原因可认为是装配式建筑物二层层高较一层层高小0.3 m，层高的不同使得二层振速较大。

4 结 论

本文通过分析武汉市地铁11号线隧道爆破施工对某装配式建筑物振动影响，得到以下结论：

(1)爆破引起装配式建筑物的振动频率主要位于30～100 Hz。

(2)在水平方向上，随爆心距的增加装配式建筑物内部监测点的振速呈现出非线性递减的趋势，且装配式建筑物内部测点的振速均小于固定测点B0的振速，说明装配式建筑的基础会影响爆破地震波的传播，使其能量有一定损耗。

(3)在垂直方向上，三个矢量方向的振速均在第二层达到最大值，然后随楼层的增高而逐渐减小，中间层时开始出现转折，随着楼层的增高振速呈现出递增的趋势。由此表明：装配式建筑物在爆破振动下会出现一定的“高程放大效应”，说明装配式建筑物低层受爆破振动影响较大，在地铁爆破施工过程中应对装配式建筑物低层采取相应的防护措施。

(4)装配式建筑物在水平方向和垂直方向的三个矢量方向振速中垂向速度均为最大值，说明在实际工程中采用垂向最大振速作为爆破振动控制标准是可行的。

(5)本文针对装配式建筑物因隧道爆破施工引起动力响应问题进行研究，其研究成果可为类似工程提供一定的借鉴。