隧道爆破作用下建筑物振动响应分析——以青岛地铁四线大断面隧道为例

丁新宇， 王海亮*， 李延民， 李维洲， 李占海

(1.山东科技大学安全与环境工程学院， 青岛 266590； 2.中咨工程有限公司， 北京 100037； 3.中国交通建设股份有限公司， 青岛 266000； 4.山东科技大学能源与矿业工程学院， 青岛 266590)

随着中国城市化进程加快，地铁等地下交通设施在城市中得到广泛修建。现阶段，钻爆法依然是隧道掘进的主要方法。钻爆法引起的爆破振动，会对附近建筑物带来不利影响[1-2]。为缓解交通压力，青岛市大力发展地铁交通，部分在建项目途经老城区、火车站等人流密集区域。因此在爆破施工中，必须掌握周边建筑物对振动的响应规律，作出合理的预防及应对措施。

通过现场监测或数值模拟等方法，不少学者对建筑物爆破振动响应规律做了许多有价值的研究。王辉等[3]以重庆轨道交通环线体育公园站浅埋轻轨隧道工程为依托，对建筑物振动规律进行了研究。王波等[4]对京张高铁怀来段某隧道进行了现场振动测试，研究结果为隧道爆破振动安全控制和房屋损伤评估提供参考。王海亮等[5]以两条立体交叉隧道为背景，通过现场监测，研究了掌子面前后方的振速差异。朱明等[6]以青岛地铁某线施工为背景，对比分析不同爆破振速预测模型效果和适用性，并在此基础上进行模型优化。邹德臣等[7]运用 HHT(Hilbert-Huang transform)分析理论结合 MATLAB 软件研究了爆破振动监测信号的时频关系。总体而言，现有研究主要集中在某一爆破条件下或爆心距一定范围内的建筑物振动响应规律。而在隧道开挖中，保护对象与爆源的位置关系大多是由远及近再及远，在整个过程中受保护建筑物的振动响应规律研究较少。

现依托青岛地铁1号线四线大断面隧道工程，对隧道下穿的一栋7层砖混结构建筑物进行长期振动监测。从而在隧道掌子面与建筑物由远及近再及远的过程中，获得大量实测数据。基于此，对比分析隧道下穿建筑物前后的振速及频率变化规律，并通过HHT方法研究爆破振动信号的频谱差异，对本工程条件下产生的隧道空洞效应进行说明和总结，从而为隧道爆破振动控制和建筑物保护测振方案提供参考依据。

1 工程概况

青岛地铁1号线贵州路站—西镇站区间全长约546.9 m。西镇站前设置双存车线，形成四线大断面隧道。单洞单线段区间隧道长约192 m。四线大断面区间隧道长约344.5 m，开挖断面宽20.9 m，高12.5 m。如图1所示，该段隧道洞身围岩等级为Ⅳ级，岩性为微风化花岗岩，局部为微风化花岗斑岩，力学性质好，承载力高。裂隙局部发育，赋水性、透水性较差。上覆岩层自上而下依次为素填土、杂填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。单洞单线隧道主要采用全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)施工。四线大断面隧道采用中隔壁(center diaphragm，CD)法施工，左线采用正台阶法分两层开挖，完成初期支护和施作中隔壁后，再以相同方法开挖右线。正台阶法施工中，充分利用TBM先行导洞进行钻爆扩挖。隧道右线上台阶掌子面现场情况如图2所示。

图1 四线大断面隧道地质地形示意图Fig.1 The geological characteristics of four-line large section tunnel

图2 隧道右线掌子面上台阶现场Fig.2 The upper bench site of the right line tunnel face

2 爆破振动监测方案

2.1 爆破方案

针对四线大断面右线上台阶爆破引起的地表振动进行监测。爆破方案中，TBM 先行导洞形成了良好的自由面，故不设计掏槽眼。采用数码电子雷管起爆炮孔，孔内延期时间50 ms，总延期时间5 000 ms。装药量为40 kg，一次性起爆100 个孔，其中辅助孔数为70个。辅助孔和周边孔均为单孔单响，单段最大起爆药量为0.4 kg，单次爆破进尺为1 m左右。

2.2 监测方案

使用成都中科测控有限公司的TC-4850爆破测振仪及配套软件(简称“测振仪”)进行监测。该仪器能同时监测隧道径向、切向、垂直向的振速和频率。其中径向为隧道开挖方向，切向为水平面上与径向垂直的方向，垂直向为垂直水平面竖直向上的方向。

四线大断面隧道周边环境复杂，下穿和侧穿大量老式居民楼，居民楼类型主要为6～8层砖混建筑物。选取一栋7层砖混结构楼房(简称“楼房”)作为监测对象，楼层高2.8 m。楼房位于隧道正上方，里程桩号为YK32+126。隧道拱顶距地面的高度为19.5 m。楼房共设置8个测点，将7台测振仪分别布置在楼房1～7层楼梯间与爆源最近的墙角处。第8台测振仪布置在楼顶，并将楼顶定义为楼房8层。测点的位置不变，随着掌子面向前推进，爆心距不断变化。仪器布置如图3所示。

图3 仪器布置图Fig.3 Arrangement of instruments

3 监测数据分析

从2020年4月5日—2020年6月10日，针对楼房爆破振动共监测54日。隧道里程范围为YK32+157.288～YK32+92.350。排除仪器故障或人为导致的数据异常情况，共记录54炮次，584组数据。

3.1 振动规律研究

为便于描述掌子面与楼房的位置关系，将二者在隧道径向上的水平距离记为L，隧道开挖方向为正向，当掌子面位于楼房正下方时，L=0。选取L=-19.6、0、19.6 m时的监测数据进行对比分析，各楼层的峰值振速如图4所示。

由图4可知，峰值合振速最大值出现在L=0时的楼房1层，达到0.595 cm/s。该数值小于《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[8]中对于一般民用建筑物规定的最小振动速度允许值1.5 cm/s，爆破作业不会影响楼房的安全使用。3组数据的峰值合振速曲线未表现出较大差异，均在1层达到最大值，5～7层衰减至最小值，衰减速率为63.7%～77.9%，随后在顶层表现出明显的相对放大效应，放大倍数为1.9～3.5倍。

vx、vy、vz分别表示径向、切向、垂直向的峰值振速；vh表示三矢量合成的峰值振速(简称“峰值合振速”)图4 不同水平距离的峰值振速与楼层关系Fig.4 The relationship between peak vibration velocity and floor at different horizontal distances

图4所示水平距离L不同的3组数据中，垂直向峰值振速普遍大于径向和切向，三向峰值振速的最大值也出现在垂直向。以垂直向峰值振速为研究对象能在一定程度上反映建筑物振动规律[9]，但随着楼层升高，该分向振速将无法反映建筑物整体的受震情况。首先，如图4(b)所示，当L=0 时，楼房8层的径向和切向峰值振速分别为0.271、0.413 cm/s，均大于垂直向峰值振速0.235 cm/s。在图4(a)中，较高楼层(7、8层)的垂直向峰值振速也不是最大。其次，一般建筑物在其垂直向的抗震强度要远大于水平向，水平向的振动荷载更易对建筑物结构造成剪切破坏[10]。对于建筑物尤其是高层建筑物来说，径向与切向的爆破振动监测不可忽视。

3.2 振动频率

理论和实践表明，爆破地震波的主频在建筑物结构响应中十分重要。当建筑物自振频率与爆破振动主频接近时，越易产生共振现象。根据已有研究成果，采用经验公式[11]来计算楼房自振周期，即

T=0.016 8(H0+1.2)

(1)

fx、fy、fz分别表示径向、切向、垂直向的主频图5 不同水平距离的主频与楼层关系Fig.5 The relationship between frequency and floor at different horizontal distances

式(1)中：T为自振周期，s ;H0为房屋的计算高度，m。楼房高19.6 m，计算得到自振周期为0.349 44 s，自振频率为2.862 Hz。L=-19.6、0、19.6 m时各楼层的主频如图5所示。

由图5可知：隧道下穿楼房前后，不同楼层的主频均分布在17.43～210.51 Hz，高于楼房自振频率，不会产生共振现象。各向主频与对应方向的峰值振速无明显同步相关性。随着楼层升高，主频呈现振荡下降趋势，并且爆心距越大，主频下降越明显。例如L=-19.6 m时楼房8层和L=19.6 m 时楼房7层的垂直向主频衰减至当次监测的最小值18.32 Hz和17.43 Hz，而L=0 m时，切向主频在楼房8层衰减至当次监测的最小值30.52 Hz，即随爆心距增大，主频能达到的值更小。因此在振动监测中要注意的是：随爆心距增大，建筑物的主频可能在较高楼层衰减为较小值，甚至接近某些建筑物的自振频率(3～8 Hz)[12]，并且由于振速的顶层放大效应，导致较高楼层的振速大，主频小，在地震波长期反复作用下，增大了振动响应程度，易对建筑物造成结构破坏。故爆心距较大时，要对受保护建筑物的较高楼层进行爆破振动监测，综合分析主频与振速，结合《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[8]的相关规定，合理调整爆破参数以避免超振，必要时应对结构薄弱处进行加固。

3.3 空洞效应

根据以往的工程经验，隧道爆破掘进过程中，已开挖区形成的空洞导致其上部地表振动速度大于未开挖区的地表振动速度，这种现象被称为空洞效应[13]。

为量化说明空洞效应在本工程中引起的振速放大规律，以楼房为对称点，将掌子面开挖至楼房前后方相同距离时，楼房第一层监测到的振速之比定义为振速影响系数fv，其数学表达式[14]为

(2)

式(2)中：VC为已开挖区上方测得的振速，cm/s；VS为未开挖区上方测得的振速，cm/s。

以楼房为对称点，掌子面开挖至楼房前后相同水平距离时，楼房第一层监测的振速差值为

ΔV=VC-VS

(3)

隧道下穿前后33 m范围内，楼房第一层的峰值合振速如图6所示。由图6可知，La=3～25 m时，隧道下穿后的楼房第一层峰值合振速普遍大于下穿前的。峰值合振速呈现振荡下降的趋势，在3 m处振速差值达到最大，出现明显的空洞效应。超出25 m后，峰值合振速降至0.35 cm/s以下，振速差值减小，曲线趋于和缓。

针对La=3～25 m范围内的监测数据，计算该范围内的振速影响系数及振速差值进行详细分析，计算结果如表1所示。由表1可知，随着La的增大，振速影响系数并不是单调降低的，而是在掌子面近区和远区数值较大，中间区域较小。当La=3～10 m时，振速差值为-0.222～0.420 cm/s，振速影响系数为0.734～2.028，最大峰值合振速(0.877 cm/s)、最大振速影响系数(2.028)及最大振速差值(0.420 cm/s)均出现在该范围内。这是由于爆破产生的应力波传播到掌子面后方时，已开挖区隧道上表面和地表提供了良好的自由面，使应力波在岩层中发生反射、叠加，使振速增大。

表1 楼房1层峰值合振速对比

当La=20～25 m时，振速影响系数均大于1，但峰值合振速普遍较小，对建筑物危害低。由此可知，当La=3～10 m时，振速最大，空洞效应最为显著，建筑物最易发生破坏，应对爆破振动进行重点防控。

La表示楼房与掌子面在隧道径向上水平距离L的绝对值图6 楼房第一层峰值合振速随La的变化曲线Fig.6 Curve of variation of peak combined vibration velocity of the first floor of a building with La

4 隧道爆破振动信号HHT分析

Hilbert-Huang变换是美国华裔科学家Huang于1998年提出的一种新型处理非线性非稳定信号的方法[15]，在变换过程中不需要预设基函数，自适应性强，非常适合分析具有随机性和不平稳性的爆破振动波。HHT理论首先运用经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)将复杂信号分解成有限个固有模态函数(intrinsic mode function，IMF)，信号经分解后得到多个IMF的组合，对IMF分量进行Hilbert变换，即可得到每个IMF分量的瞬时频率，综合所有IMF分量的瞬时频谱就可获得Hilbert谱。Hilbert谱能够精细地刻画时间、频率、能量三者的分布变化关系。

选取楼房第一层振速影响系数较大的4组监测数据作为研究对象，掌子面位置分别为L=-14、-5.4、5.4、14 m。监测数据见表2。

由表2可知，楼房第一层的垂直向振速均大于径向和切向，垂直向振动信号的信噪比相对较高，因此取垂直向爆破振动信号进行HHT分析。图7为L=-5.4 m 时的垂直向原始爆破振动信号。

图7 垂直向爆破振动信号Fig.7 Vertical blasting vibration signal

表2 爆破振动监测点数据

通过经验模态分解(EMD)和Hilbert 变换，绘制出L=-14、-5.4 、5.4、14 m时楼房第一层的垂直向振动信号三维Hilbert谱见图8。

图8 楼房第一层垂直向振速三维Hilbert谱Fig.8 3D Hilbert spectrum of vertical vibration velocity on the first floor of the building

由图8可知，爆破振动信号能量在频域上分布较广，主要分布在20～250 Hz范围内。100 Hz为一个频率中心，而楼房的自振频率低于5 Hz，不易发生共振现象。起爆过程中未设置掏槽孔，采用数码电子雷管控制单孔单响，装药量相同，故Hilbert谱在0～5 s内表现出明显的多峰值结构，能量分布较为均匀，减震效果良好。随着爆心距的增加，能量幅值不断衰减。

对比图8中L绝对值相同的Hilbert谱，已开挖区的爆破振动信号能量幅值普遍高于未开挖区。一定范围内，爆心距越小，该现象越明显，这与空洞效应体现的规律一致。从爆破振动信号频率来看，未开挖区的分布在20～250 Hz范围内，已开挖区的分布在20～150 Hz范围内，已开挖区的频带范围更低，更接近建筑物的自振频率。需警惕爆破作业附近已开挖区的建筑物共振现象，加强爆破振动监测，采用合理的减震措施，避免事故的发生。

5 结论

(1)爆破振动作用下，振速随建筑物楼层升高先减小后略微增大，在顶层表现出相对放大效应，放大倍数为1.9～3.5倍。垂直向峰值振速在各楼层不一定总是最大，无法反映出高层的受震情况。

(2)爆破振动作用下，随着楼层升高，主频呈现振荡下降趋势，并且爆心距越大，主频衰减越明显。应对爆心距较大的受保护建筑物较高楼层进行振动监测。

(3)距掌子面3～10 m范围内空洞效应明显，振速影响系数最大为2.028，应重视已开挖区地表的振速放大现象。

(4)通过HHT分析，楼房第一层垂直向爆破振动信号的Hilbert谱表现为明显的多峰值结构，频率分布在20～250 Hz，高于建筑物的自振频率。已开挖区的频带范围比未开挖区更低，需警惕爆破作业附近已开挖区的建筑物共振现象。