敏感环境下地下工程钻爆法施工地震动效应及其控制方法实例研究

赵晨阳，雷明锋,2，施成华，龚琛杰，唐钱龙

(1. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2. 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南长沙 410075)

作为缓解城市交通拥堵难题的一种有效方式，中国各大城市均在建造地下铁道交通系统[1-3]。受城市建设环境的影响，地铁建设过程中不可避免地会出现穿越各类重要建(构)筑物的现象，给工程建设带来了新的挑战。其中，在临近建筑物情况下地铁车站爆破施工所产生的地震动效应是工程建设普遍面临的挑战之一[4-6]。为保证新建工程的顺利施工以及既有建(构)筑物的安全运营，学者们就爆破施工对既有建(构)筑物的影响问题开展了系列研究[7-9]。SHI 等[10]基于柱状装药爆破应力波理论，提出了石油管道容许振动速度峰值的确定方法。JIANG等[4]对北京地铁16号线近距离下穿某燃气管道工程(管线与隧道净距18.7 m)开展了实测研究，给出了爆破振动峰值速度计算公式，并分析了燃气管道因爆破施工产生的振动及应力响应。XIA 等[11]通过数值模拟分析了地铁隧道爆破施工对上伏管道(距离8.9 m)的影响，分别得到管道在无水、满水及正常水头3种情况下的爆破动力响应规律。YU 等[12]结合上海某新建隧道，通过现场实测及数值模拟等多种研究手段，分析了软土地层中爆破施工对既有隧道结构(间距3.74 m)的影响。龚敏等[13]研究了不同建筑物爆破振速控制标准时的城市隧道爆破安全药量计算方法。虽然已有新建工程爆破施工对既有建(构)筑物影响的研究，但既有的工程案例中，存在硬岩地层条件下新建工程与既有结构物距离较大，或小距离情况下新建工程周边地层软弱等情况，硬岩地层条件下新建工程近距离爆破施工对既有结构物影响的研究依然较少。工程实践和理论研究均表明，建筑物受新建工程爆破施工影响是一个极为复杂的物理力学过程，爆破荷载作用下既有结构的动力响应规律及其控制标准受其自身结构特性、间隔距离、岩土介质性质等因素的影响。既有研究成果很少能全面考虑这些影响因素，计算结果的准确性及计算方法的普适性还有待于深入研究。特别是，对于动力物性差异显著的复合地层中，爆破地震动效应的估算方法，以及场地周边存在动力敏感性差异显著的不同类建筑物时，其控制标准如何确定、控制爆破如何设计等问题，目前均尚无成功案例参考。本文以青岛地铁4号线人民会堂站为工程背景，针对爆破施工可能影响既有临近水泵房和既有车站(3 号线人民会堂站)安全运营问题，采用数值模拟方法开展了新建地铁车站(4 号线人民会堂站)暗挖爆破施工对既有结构物影响规律的研究，在进行单次起爆药量、起爆间隔、打设减震孔等爆破参数分析的基础上，提出了依托工程控制爆破方案，并进一步结合现场实测数据验证其可靠性，以期为类似工程的合理爆破设计与施工提供依据。

1 依托工程介绍

1.1 工程概况

青岛地铁4 号线人民会堂站(图1(a))为采用钻爆法施工的大跨单拱双层结构型式车站，最大开挖跨度约24.34 m，开挖高度约18.50 m，站厅层开挖高度约9.25 m，车站拱部主要位于中风化及微风化花岗岩，拱顶埋深在14.25～18.79 m 范围内，如图1(b)。需要说明的是，受地势起伏影响，既有的3 号线人民会堂站上方存在一定厚度的土体，因这部分土体对本研究内容影响较小，故并未在图中展示。

青岛地铁4 号线人民会堂站周边存在众多建(构)筑物及管线。其中，水泵房及3 号线人民会堂站(既有站)距依托工程最近、振速控制最为严格，为爆破施工期间重点保护对象，新建工程与既有工程的位置关系如图1。水泵房为混凝土结构，结构尺寸为19.85 m×12.00 m×9.50 m(长×宽×高)，侧壁厚度0.50 m，筏板基础厚0.60 m。既有的3 号线人民会堂站为地下2层岛式车站，主体结构已投入使用。

图1 周边建筑物与4号线人民会堂站位置Fig.1 Location of adjacent buildings and Hall of the People Station of Line 4

1.2 开挖方案设计

为确保既有建筑物的安全，施工过程中对新建工程产生的爆破地震动效应进行了控制设计和控制指标的拟定。其中：

1) 控制指标选用既有建筑物的爆破振动速度峰值(PPV)[14-16]，控制值根据既有结构类型不同，分别设置为1.0 cm/s(水泵站)和1.5 cm/s(3 号线人民会堂站)。

2) 爆破开挖方案考虑了工程的开挖范围、地质条件等因素，拟定的站厅层开挖方案如图2 所示。图中，站厅层采用双侧壁导洞法施工，开挖顺序与分区依次如图中序号标明所示，如爆破(2-1)区代表该断面第2 个导洞的第1 次爆破开挖区域。

图2 站厅层炮孔布置示意图Fig.2 Blasting hole layout of station hall floor

2 控制爆破参数优化

爆破施工期间，控制临近建筑物振动危害的方法主要有爆源控制和振动波传播途径控制。爆源控制措施有降低最大单段起爆药量、控制起爆间隔等[17]，该方法通过降低单次起爆引起的振动峰值、避免爆破振动峰值叠加等方式降低爆破对既有建筑物的影响。传播途径控制有开挖减震沟、减震孔等[18]，该方法以阻断振动波在岩体中传播的方式达到降低既有建筑物振动的效果。

为确定合理控制爆破参数，运用ANSYS/LSDYNA 建立三维有限元模型，分别计算不同单次起爆药量、起爆间隔和减震孔直径情况下，新建车站爆破施工对既有3号线人民会堂站及水泵房的地震动影响。

2.1 计算模型

根据新建车站及其周边建筑物的空间位置关系，建立如图3所示的数值模型，模型整体尺寸取为150 m×50 m×75 m(长×宽×高)。模型中：

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

1) 忽略了既有临近建筑物的内部细节构造，仅考虑主体结构，按弹性材料考虑；地层结构按工程实际赋存环境划分，采用包含应变率的塑性随动模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)进行模拟[11]。参考地质勘测报告和相关规范[19]，确定模型中的物理力学参数取值见表1。值得说明的是，爆炸属于动力计算，岩土体的弹性模量应采用其动弹性模量。而关于岩土体动、静弹性模量之间的关系，胡国忠等[20]研究发现，对于坚硬、完整、致密的岩体，其比值在1～5 范围内，对于软弱、破碎、疏松岩体，其比值可超过5～20倍。为此，模型中，岩、土体动弹性模量分别取为勘测值的3倍和10倍。对于混凝土动、静弹性模量之间的关系，亦根据岩体的参考范围，取为静弹性模量的3 倍。分析过程中的动力平衡方程如式(1)所示。

表1 计算物理力学参数Table 1 Calculating physical and mechanical parameters

式中：M为有限元体系总质量矩阵：C为有限元体系总阻尼矩阵；K为有限元体系总刚度矩阵；u(t),u˙(t),u¨ (t)为体系各节点位移、速度、加速度向量；p(t)为动力荷载。

2)模型边界除地面外均采用无反射边界条件，以消除爆破振动反射波的影响；水泵房、3 号线人民会堂站、初期支护等结构单元与地层间的接触关系采用绑定的面—面接触方式(*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE)来模拟。

3)爆破荷载选用高爆炸药模型(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模拟，对应的状态方程(Jones-Wilkins-Lee(JWL)方程)如式(2)[21]，参考文献[4]确定炸药计算参数如表2。

表2 炸药参数Table 2 Explosive parameters

式中：P为炸药爆炸后爆轰产物的压强；A，B，R1，R2，ω为常数；E0为炸药单位体积初始内能；V0为炸药初始相对体积。

4)爆源为右导洞掏槽眼，具体位置见图2爆破2-1区。

2.2 单次起爆药量

设置单次起爆药量依次为3，6 和9 kg，计算水泵房和3 号线人民会堂站的振速响应。模型中，单个掏槽眼装药量分别为0.5，1.0 和1.5 kg。计算发现，3 号线人民会堂站的振速响应明显大于水泵房，且X方向振速最大，故进一步提取其X方向振速时程曲线如图4。从中分析可知：

图4 不同起爆药量下3号线人民会堂站的振速响应Fig.4 Vibration velocity response of Hall of the People Station of Line 3 under different detonating charges

1) 单次起爆药量为3，6 和9 kg 情况下，3 号线人民会堂站的振速峰值分别为-0.71，-1.33 和-1.68 cm/s。依据3号线人民会堂站1.5 cm/s的振速控制要求，掏槽眼的单次起爆药量应不大于6 kg。

2) 控制单次起爆药量是降低临近建筑物振速响应的有效措施。起爆药量由9 kg 降低为3 kg 的过程中，3 号线人民会堂站的振速峰值大幅度降低，分别降低了20.8%和57.7%。既有文献[5]同样表明，降低起爆药量能显著降低测点振动，如单次起爆药量从1.2 kg 降低为1.0 kg 时，测点处振动峰值降低了59%。

2.3 起爆间隔

起爆间隔过小会导致爆炸冲击波在传递过程中产生叠加，使得振速峰值增加，导致临近建筑物的振速超出容许值。目前常用的非电雷管各段别间的延迟时间为25 ms，但雷管起爆的时间误差在5～20 ms 之间，时间误差随雷管段别的提高呈增高趋势。为此，依次设置起爆间隔为5，10，15和20 ms 等4 个工况，分析既有建筑物的振动响应受起爆间隔的影响。

本次计算中，单个炮孔装药量为1 kg，单次起爆药量为3 kg。第1 次起爆远离3 号线人民会堂站的一列炮孔，第2 次起爆靠近3 号线人民会堂站的一列炮孔。炮孔位置见图2，2 列炮孔间距1.0 m。图5为3号线人民会堂站X方向的振速时程曲线。

图5 不同起爆间隔下3号线人民会堂站的振速响应Fig.5 Vibration velocity response of Hall of the People Station of Line 3 under different detonating interval

由图可知：

1)起爆间隔由5 ms 增加为20 ms 的过程中，3号线人民会堂站因第2 次起爆产生的振速峰值由-0.98 cm/s 降低为-0.96 cm/s，降低幅度仅2%。3号线人民会堂站因第1 次起爆引起的振动在2.5 ms达到峰值，在5 ms 时已经有较大的衰减，几乎不会与第2次起爆产生振动产生叠加，表明临近建筑物的振速峰值受爆破时间间隔影响较小，常用雷管段别能满足起爆间隔控制要求。但从安全的角度考虑，工程中依然应当采用较大的起爆间隔以避免振速峰值叠加。

2) 2 次起爆药量均为3 kg，3 号线人民会堂站因2 次起爆产生的振动速度峰值分别为-0.54 cm/s和-0.98 cm/s。在爆距相差1.0 m 情况下，振动速度峰值相差约64.62%，表明爆距对临近建筑物的振动响应有较大影响，与既有研究成果[22]相吻合。该文献中，最大起爆药量32 kg 情况下，爆距由16 m 增加为48 m 时，测点振速峰值由51.19 mm/s 降低为3.74 mm/s。

2.4 减震孔

减震孔可以增大岩土体的不均匀性，改变岩土介质中的波阻抗，影响爆破地震波的传播，从而减小爆破地震波的透射，达到隔震的作用。为此，在掌子面处设置减震孔，分析其在降低既有建筑物振动方面的效果。减震孔分布在掏槽眼周围，孔深与掏槽眼一致，即100 cm，孔径依次取为32，100 和200 mm，孔位布置如图6。模型中，单个掏槽眼装药量为0.5 kg，单次起爆药量为3 kg。图7 为3 号线人民会堂站X方向的振速时程曲线。为直观看出减震孔的作用效果，100 mm 和200 mm 减震孔对应的时程曲线向后分别移动5 ms和10 ms。

图6 掌子面处减震孔布置示意图Fig.6 Damping hole layout at tunnel face

图7 不同减震孔下3号线人民会堂站的振速响应Fig.7 Vibration velocity response of hall of the people station of Line 3 under different detonation interval

从中分析可知：

1) 减震孔能降低临近建筑物的爆破应力及振动响应。随着减震孔由32 mm 增加为100 mm 和200 mm，3 号线人民会堂站的振速峰值由-0.71 cm/s 降低为-0.69 cm/s 和-0.64 cm/s，降幅分别为2.8%和9.9%。

2) 过小的减震孔不能降低临近建筑物的爆破应力响应。当减震孔为32 mm 时，3 号线人民会堂站的振速峰值与无减震孔时的相同。既有文献[23]同样印证了这一结论，如爆距66 m，装药量90 kg情况下，即使采用3排减震孔，减震孔前后测点处的实测振动峰值分别为77.0 mm/s和79.9 mm/s，考虑到可能存在的计量误差，两者振速峰值几乎相同。

3 控制爆破减震效果与验证

从施工可行性与经济性角度考虑，控制起爆药量和起爆间隔简单易行，设置大直径减震孔会导致施工成本大幅增加，爆源至既有建筑物间的距离几乎不能改变，故建议从控制起爆药量和起爆间隔2 个方面控制爆破施工对既有建筑物的影响。

拟定掏槽眼各炮孔装药量为0.5 kg，其余炮眼的装药量为0.2 kg，2 个导洞与中间洞室的掏槽眼单次起爆药量分别为3 kg和4 kg，两侧导洞上台阶周边眼单次起爆药量最大为5.8 kg。雷管跳段使用，即采用50 ms时间间隔。实际施工过程中，采用TC-6850测振仪及M600自动化采集终端(如图8)监测3号线人民会堂站的振动响应。

图8 振动测试仪Fig.8 Vibration tester

取新建工程掌子面位于Y=25 m 处为分析工况，即掌子面与水泵房和3号线人民会堂站的对称轴在同一个XZ平面，提取的3 号线人民会堂站的振速时程曲线如图9(a)，实测振动时程曲线如图9(b)。

图9 新建车站爆破施工诱发的既有车站振动速度Fig.9 Vibration velocity of existing station induced by blasting construction of new station

从中分析可知：

1) 拟定爆破施工方案能满足临近建筑物的爆破振动控制要求。掏槽眼起爆时，3 号线人民会堂站X方向的振动速度最大，峰值约-0.71 cm/s，Y和Z2 个方向的振速峰值分别为-0.33 cm/s 和-0.34 cm/s，均低于其控制值1.5 cm/s，符合爆破施工要求。

2)实测3 号线人民会堂站X方向的振动速度峰值为-0.75 cm/s，Y方向的振动速度峰值为-0.43 cm/s，Z方向的振动速度峰值为-0.62 cm/s。3 个通道的振动速度峰值均在振速容许值1.5 cm/s 范围内，未超出控制容许要求。

3)计算值和实测值均表明，3 号线人民会堂站X方向的振速峰值最大，计算值与实测值的峰值偏差为5.6%，计算模型是可靠的。

4 结论

1) 在降低爆破施工对既有建筑物影响方面，效果显著性由高至低依次为：控制爆源与建筑物间距离、控制单次起爆药量、设置大减震孔和增大起爆间隔。爆距相差1.0 m 情况下，3 号线人民会堂站的振速峰值相差约64.62%。对于不采用减震孔和采用32 mm 减震孔2种情况，该建筑物的振速峰值保持不变。

2) 从施工可行性与经济性角度考虑，建议从控制单次起爆药量和起爆间隔2个方面控制爆破施工对既有建筑物的影响，拟定2个导洞与中间洞室的掏槽眼单次起爆药量分别为3 kg和4 kg，周边眼单次起爆药量最大为5.8 kg，2 次起爆间隔为50 ms。

3)爆破施工期间的实测数据显示，3 号线人民会堂站的振速峰值约-0.75 cm/s，满足1.5 cm/s 的爆破振动控制要求，该建筑物振速峰值的计算值与实测值偏差为5.6%，分析模型是可靠的。