地下浅孔爆破对地表结构振动特征的影响分析

陈雅辉

(中铁十八局集团第四工程公司 天津 300350)

0 引言

近年来，我国城市建设迅速发展，众多城市存在交通负荷过大的问题，为了缓解过大的交通压力，已经规划和在建的地铁轨道等交通项目已经遍布全国各个大中型城市[1]。地铁轨道多存在于地下隧道内，在地铁轨道建设中，首要的工作内容即隧道的掘进。隧道施工的主要方法有明挖法、暗挖法、盾构法等。在城市区域，交通要道及地上地下构筑物复杂地区，若隧道埋深较大，隧道洞身地段岩体整体性好，在岩层中进行地铁隧道修建时，钻爆法因其成本低，工序简单以及爆破效果显著等优势而被广泛应用[2-3]。然而，采用钻爆法施工会带来一系列爆破危害，特别是爆破振动，会对地表建筑造成一定破坏，因此，对下穿建筑物的地铁隧道钻爆施工方案设计有更高的要求，必须对隧道爆破引起的爆破振动进行信息化施工监测，以此指导工程爆破参数的设计和后续施工。本文以昆明市地铁5号线隧道爆破施工区间为依托，研究地下浅孔爆破对既有结构的关键振动影响，对萨道夫斯基经验公式使用最小二乘法进行回归预测，建立基于本次爆破施工在水平径向(x向)、水平切向(y向)、铅直方向(z向)3个方向上的振动速度经验公式，可为类似工程提供理论依据和参考。

1 工程概况

1.1 爆破周边环境

昆明市地铁5号线圆通公园站—翠湖站位于昆明市五华区，矿山法隧道区间位于圆通山下。隧道入口紧临鼓楼路，鼓楼路两侧及中间地下管道、线路较复杂，圆通山上为昆明市动物园，公园地面建筑物主要以矮层框架房结构为主，区级文物滇西抗战阵亡纪念碑距离隧道最近处为 52.1 m，市级文物三石牌坊距离隧道最近处为 104.8 m。隧道南侧昆明动物园外是圆通禅寺，距离爆破点最近距离 150 m。因本工程地处昆明闹市区，周围环境复杂，500 m范围内有省级文物圆通寺，根据爆破安全规程规定，本工程应提高一个级别，将该工程列为C级爆破工程。爆区周围环境位置示意图如图1所示。

图1 爆区周围环境相对位置示意

1.2 地质情况

整个矿山段区间位于圆通山下，隧道埋设22.14～44.63 m，隧道穿越的岩土层主要为中等风化白云岩，主要由碳酸盐矿物组成，隐晶质结构，中厚层状构造，岩石饱和抗压强度42.88 MPa，为较硬岩石。围岩稳定性主要特征为隧道洞身地段的地下水位高于隧道顶板约1～5 m，隧道洞身局部地段裂隙较为发育，岩体较为破碎，围岩稳定性较差；隧道洞身部分地顶、底板均有通过全填充粘土溶洞，且洞身均位于地下水位以下。此次爆破开挖施工对周边环境影响范围较大，因此需要对周边既有结构关键振动特征进行监测分析。

2 爆破设计监测方案

隧道爆破开挖施工过程中难免会扰动围岩，产生振动，隧道周边的圆通山上昆明动物园区内建筑、文物、园内动物、圆通禅寺和鼓楼路下埋设管线为主要保护对象。根据《爆破安全规程》中对爆破振动安全允许标准中规定，一般古建筑与古迹的安全允许质点振动速度为 0.3～0.5 cm/s；一般民用建筑物的安全允许质点振动速度为 2.5～3.0 cm/s。为保证施工安全，高速度、高质量的将岩石按规定断面爆破下来，并减少周围的岩石扰动及确保周围建(构)筑物的安全，本次控爆施工设计指标为：按文物抗战纪念碑、三石牌坊、圆通禅寺处振动速度不超过 0.2 cm/s，鼓楼路地下埋设管线及动物场馆振动速度不超过 2.5 cm/s 进行控爆设计。

2.1 施工爆破方法及炮孔设计

采用数码电子雷管爆破，选用防水效果好的Φ32乳化炸药，限制一次爆破的最大用药量，设计中使每段雷管的起爆时差适当加大，防止前后段震动波的叠加，并严格控制段发炸药量，以达到降震的目的。选择合理的掏槽形式，不仅能降低各级掏槽爆破药量，同时还可以减弱岩石的夹制作用，改善掏槽爆破效果，降低爆破振动效应[4-5]。根据本工程围岩实际情况及实际开挖进尺，决定采用楔形布置，采用N=6(个)掏槽眼，槽眼间的距离取80 cm，同一平面上两炮眼眼底的距离为40 cm。炮眼具体参数如表1所示，炮眼布置详图见图2—3。

表1 炮眼参数

图2 上台阶炮眼布置

图3 下台阶炮眼布置(单位：mm)

2.2 爆破测试步骤

采用CBSD-VM-M01型网络测振仪，该测振仪包括控制分析仪和传感器两部分，将传统的传感器和测振仪进行优化整合，实现了测振数据采集、储存、传输全过程的无缝对接。 通过网络测振仪对监测保护对象的地基质点振动速度和主振频率进行监测，其中测量振动速度包括3个方向的振动速度，即铅直方向(z向)、水平径向(x向)、水平切向(y向)。爆破测试步骤如图4所示。

图4 测试步骤

3 监测结果及数据分析

根据现场测试结果，考虑测试设备安装情况以及设备自身原因，剔除无效测试数据，最后得到有效数据144组，受篇幅限制，部分数据如表2所示。

表2 x、y、z向振动监测数据

3.1 爆心距对振速的影响

为研究此次地下浅孔爆破对既有结构的振动特征以及地下爆破的在岩层中的衰减规律，通过对现场爆破监测数据进行数学分析，剔除异常以及离散较大的数据，将收集到不同爆心距x、y、z3个方向上的振动速度，为得到此次爆破施工爆心距与振速的关系，根据表2绘制出爆心距与振速的关系图，如图5所示。

图5 爆心距与振速关系

由图5可见，各测点3个方向(径向x、切向y、铅直z)的振动速度基本低于1 cm/s，只有极个别测点大于1 cm/s，远远低于安全控制值2.5 cm/s，文物抗战纪念碑、三石牌坊、圆通禅寺处等测点安全控制值为0.2 cm/s，从工程概况中可知，这3处测点距离爆破点最近距离为52.1 m，从爆心距与振速关系图中可看出，当爆心距大于50 m后，振速值基本控制在0.2 cm/s以下，这说明此次爆破施工的安全性高，可行性强。

另外通过观察振动变化趋势线，测点振速受较近爆破区域影响较大，距爆心距离越近振速越大，但在较近爆破区域，振速的衰减作用同时也表现的越明显，从图中可看出较近爆破区域振速衰减明显，随着爆心距的增大，振速衰减作用减弱，振速表现较为平缓，振速衰减变化近似呈幂函数变化。

3.2 振动速度衰减理论回归分析

目前，国内外对于涉及到爆破振速问题，一般采用前苏联学者萨道夫斯基提出的经验公式，如式(1)所示。

(1)

式中，V为爆破振速；Q为最大一段的装药量，kg；R为爆源中心距离最近需要保护对象的最小距离，m；K为与介质特性、爆破方式及其他因素有关系数；α为震动衰减系数，大小与地质条件及距离爆破中心的距离有关。

定义K,α为爆破衰减参数,可反应振动在爆破过程中的衰减规律, 采用最小二乘法回归理论对测点径向x、切向y、铅直z3个方向的振动速度公式进行研究[6]。

将式(1)两边同时取对数得：

(2)

令y=lgV,x=lg(Q1/3/R) ,b=lgk,k=α,将式(2)转换为式(3)：

y=kx+b

(3)

通过最小二乘回归分析,可建立水平径向(x向)、水平切向(y向)、铅直方向(z向)3个方向的振动速度经验公式。

3.3 建立振速衰减规律经验公式

根据现场实测数据爆心距R、振动速度V以及结合爆破使用的单孔药量Q,采用上述理论进行拟合，得到了水平径向(x向)、水平切向(y向)、铅直方向(z向)3个方向的振动速度拟合直线，其中y=lgV,x=lg(Q1/3/R) ,如图6所示。

(a)水平径向X数据

(b)水平切向Y数据

(c)铅直方向Z数据

由图6(a)可知，水平径向x的拟合关系式如式(4)所示(相关度为0.886 2)：

y=1.407 13x+1.656 3

(4)

由图6(b)可知，水平切向y的拟合关系式如式(5)所示(相关度为0.776 07)：

y=1.569 34x+1.871 97

(5)

由图6(c)可知，铅直方向z的拟合关系式如式(6)所示(相关度为0.901 1)：

y=1.795 13x+2.293 06

(6)

由式(2)联立式(4)—(6)即可得到水平径向(x向)、水平切向(y向)、铅直方向(z向)3个方向的衰减参数K、α，具体参数值见表3。

表3 x、y、z 3个方向衰减参数

由表3及式(1)可得水平径向(x向)、水平切向(y向)、铅直方向(z向)3个方向上的振动速度经验公式如式(7)—(9)所示。

水平径向(x向)振动速度经验公式：

(7)

水平切向(y向)振动速度经验公式：

(8)

铅直方向(z向)振动速度经验公式：

(9)

在同类型工程中，根据爆心距和最大段装药量，结合经验公式(7)—(9)可对既有结构水平径向(x向)、水平切向(y向)、铅直方向(z向)等3个方向的振动速度进行有效预测，为爆破施工的安全和既有结构的保护提供重要的参考价值。同时通过经验公式也可看出此次爆破振动影响最大的方向为铅直方向(z向)，而后为水平切向(y向), 水平径向(x向)次之，其中铅直方向(z向)的爆破振动影响较大于其他2个方向。

3.4 主振频率分析

为研究主振频率与爆心距之间的关系，绘制主振频率与爆心距的关系图，如图7所示。从图7可知，3个方向的主振频率与爆心距均无明显的变化规律，主振频率主要集中在10～75 Hz之间，此次质点监测对象均为低层建筑，对于低层建筑而言，其固有频率一般为1～10 Hz左右，因此可判断此次爆破施工引起既有结构共振现象的可能较低，但在小范围内存在部分测点主振频率低于10 Hz，可能会对既有结构造成危害。通过观察3个方向的主振频率与爆心距关系图可发现其主振频率波峰均出现在爆心距约50 m处，因此不会造成2个不同爆心距波峰之间的主振频率干涉现象。

(b)y向监测数据

(c)z向监测数据

4 结论

针对昆明市地铁5号线矿山法隧道区间，为防止爆破施工对临近建筑物产生危害，对质点监测数据进行理论分析，得出以下结论:

(1)地铁5号线矿山法隧道区间外围环境复杂，充分考虑周围建筑物爆破振动允许值以及爆破距离，监测数据表明最大振动速度为1.67 cm/s，低于控制标准值2.5 cm/s，爆心距50 m后振动速度均控制在约0.2 cm/s，极大的降低了古建筑受损的概率。

(2)水平径向x向，水平切向y向,铅直方向z向等3个方向的振动速度衰减在爆心距较近区域随爆心距的增大而表现明显，较远区域则体现出衰减缓慢的特点，其中铅直方向振动速度衰减最为明显。主振频率主要集中在10～75 Hz之间，存在共振现象的可能性较低。

(3)对萨道夫斯基经验公式使用最小二乘法进行回归预测，建立基于本次爆破施工在水平径向x、水平切向y、铅直方向z3个方向上的振动速度经验公式，可较好的预测3个方向上的振动速度衰减规律，研究结果可为类似工程提供重要参考价值。