張 宇 吳宗宇 林 霞

隧洞開挖爆破振動對地面建筑的影響分析

張 宇 吳宗宇 林 霞

（中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院 云南昆明 650031）

在工程建設(shè)中，爆破振動的影響不可忽視。在某些特定情況之下（例如淺埋隧洞爆破開挖，隧洞上方地表有大量建筑物），如何控制爆破振動的影響范圍和大小，優(yōu)化爆破裝藥量和爆破方法，從而使地面建筑不受或少受影響，都是值得研究和解決的問題。本文通過工程實例，探討爆破振動效應(yīng)檢測以及控制爆破振動效應(yīng)的手段和方法，與業(yè)內(nèi)同仁進行交流。

爆破振動 淺埋隧洞 檢測

前言

牛欄江滇池引水工程全長115.84km，是滇中調(diào)水的重點工程。引水工程尋甸大公山隧洞，主洞全長23.32km，部分隧洞穿越長沖村地下。長沖河隧洞線路調(diào)整段長約943.702m，隧洞開挖斷面尺寸為5.4 m×5.8m（城門洞型，寬×高）。隧洞過村莊部位埋深僅為32～43m，頂部上覆基巖在2～22m，存在較大施工風險。隧洞軸線穿越村莊，軸線60m寬度范圍內(nèi)有大量民居，因振動是爆破引起的主要危害之一，為保證工程爆破時爆區(qū)上方建筑物的安全，有必要對爆破振動效應(yīng)進行檢測和控制。

1 隧洞淺埋段地質(zhì)情況

大公山隧洞過長沖河線路調(diào)整段為第四系沖洪積含礫黏土，最厚約26.72m。軟土層之下基巖順水流方向依次為石炭系中上統(tǒng)（C2+3）白云質(zhì)灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）含煤地層和二疊系下統(tǒng)灰?guī)r（P1y），其中煤層厚度0.5～1m，分布在調(diào)整后隧洞樁號GB0+450～GB0+550m洞段。基巖頂部有5～10m厚的強溶蝕破碎帶，由軟塑狀溶蝕夾泥、塊石碎石組成，巖體屬散體結(jié)構(gòu)，長沖河段隧洞基本在強溶蝕破碎帶（局部為充填沙卵礫石）的溶槽中通過。

輸水線路06標大公山隧洞7#支洞上游段樁號21+700～22+800m段為淺埋段，其中樁號22+200～22+750m段為長沖河谷，長沖河呈寬緩的“U”字形，河寬約350m。地面高程1976～1990m，隧洞頂板高程約1947.5m，隧洞垂直埋深多在30～40m之間，最淺28.5m。部分洞段位于第四系覆蓋層中，洞頂上部巖性為含礫黏土。

2 檢測工作目的

檢測爆破振動頻率和地表質(zhì)點振動速度、地表影響區(qū)域內(nèi)建筑物質(zhì)點振動速度，在此基礎(chǔ)上研究淺埋隧洞爆破施工過程中的地表振動特性以及變化規(guī)律；探討地表質(zhì)點振動速度與裝藥量、質(zhì)點與爆心距、單段藥量、一次起爆總裝藥量關(guān)系；回歸出該場地的爆破參數(shù)，計算安全爆破的總用藥量和單段用藥量，指導施工單位炮孔布置和設(shè)計裝藥，為地表振動危害控制提供解決方案。

3 檢測與分析方法

（1）在隧洞上方地表和建筑物布置檢測點，采用測振傳感器、爆破振動記錄儀和計算機組成的質(zhì)點振動速度測量系統(tǒng)，對質(zhì)點垂直向、水平向的振動速度、主振頻率和振動持續(xù)時間實地檢測。

（2）采用測試分析軟件對爆破振動波形進行分析，獲得每個測點的垂直與水平振動的峰值振動速度、主振頻率、持續(xù)時間等參數(shù)。

（3）以GB6722—2003《爆破安全規(guī)程》、DL/T5315—2001《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》、DL/T5389—2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，進行隧洞淺埋段爆破地表振動對周圍建筑物影響的評價分析，回歸出安全范圍內(nèi)的爆破施工裝藥量。

（4）在工程爆破中，影響爆破振動的因素有爆破規(guī)模、爆破方式、與爆源相對位置、裝藥結(jié)構(gòu)、爆區(qū)地形、地質(zhì)狀況等，但最主要因素為一次同時起爆炸藥量Q（kg）和爆源距測點的距離R（m）。爆破振動安全多采用質(zhì)點峰值振速進行控制，即以實測質(zhì)點振速小于或等于允許質(zhì)點振速為依據(jù)，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式進行計算。

4 現(xiàn)場檢測

4.1振動檢測方案制定

爆破振動效應(yīng)檢測時，不可能在每一處均設(shè)置測點，只能針對性選取具有代表性的位置進行測試。從振動波的傳播規(guī)律可知，離爆源較近的地方，爆破振動普遍較大。因而進行爆破振動測試時，宜選取離爆區(qū)較近處布置振動測點。為準確評價檢測對象在爆破振動作用下的安全性，實施檢測時，不僅檢測垂直向爆破振動，還要檢測水平向振動速度。

（1）測試區(qū)域為以隧洞掌子面為爆心，半徑50m內(nèi)的地表圓形區(qū)域，涵蓋受振動影響的地表建筑。每個測點均為三向（垂向，水平徑向，水平切向）檢測。

（2）由于該隧洞經(jīng)過的區(qū)域復雜，地質(zhì)情況特殊，爆破振動引起的振動波在不同地質(zhì)情況下的物理特征差別較大。因此，不宜用某一個特定區(qū)域振動效應(yīng)來代表所有隧洞經(jīng)過區(qū)域的振動傳播特征。所以需要在隧洞經(jīng)過的區(qū)域選取數(shù)個具有明顯地質(zhì)特征點進行檢測。

據(jù)現(xiàn)場條件和爆破振動檢測的要求，每測點放置一臺測振儀和一只三軸向速度傳感器。傳感器用石膏粉（石膏粉加水攪拌，十分鐘后凝固）固定粘貼于預先筑好的平臺上（土壤 則將儀器埋入土層壓實）。為得到準確的數(shù)據(jù)和保護設(shè)備的安全，每個測點設(shè)備均用保護罩蓋住。

4.2檢測系統(tǒng)構(gòu)成

振動速度測量系統(tǒng)由傳感器、記錄儀和筆記本電腦組成。傳感器采用TT-3A系列三軸向電磁式振動傳感器和ZCC-202型速度傳感器。記錄儀使用TC-4850爆破振動記錄儀，上述儀器均通過計量鑒定。

4.3振動記錄儀的參數(shù)設(shè)置

在保證波形質(zhì)量的前提下儀器采集時間可以持續(xù)2秒，以完整記錄整個爆破過程產(chǎn)生的振動波形。傳感器X方向?qū)时浦行亩x為水平徑向，Y方向定義為水平切向，Z方向定義為垂直向。

4.4測試現(xiàn)場概況

在2011年1～7月期間，現(xiàn)場進行了8次、40個點的爆破振動檢測，取得大量數(shù)據(jù)。測試現(xiàn)場表面為麥田，土壤覆蓋。地面建筑多為磚混結(jié)構(gòu)以及簡易房，抗振性差?？紤]到現(xiàn)場民房建筑質(zhì)量不高，主要檢測爆破振動水平切向和水平徑向振動波剪切力對建筑物的破壞作用。根據(jù)GB6722—2003《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，一般磚結(jié)構(gòu)房屋，其最大安全允許振動速度為V=2.0～3.0cm/s，土坯房最大安全允許振動速度為0.7～1.0cm/s。

4.5爆破參數(shù)

隧洞開挖主爆孔裝藥采用反向連續(xù)裝藥方式，周邊孔采用反向不藕向裝藥。周邊眼采用φ 32小直徑藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu)，其余炮眼采用φ 25藥卷連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。裝藥為乳化銷銨炸藥。

4.6薩道夫斯基公式回歸分析

因爆心位于覆蓋層下隧洞掌子面，振動波向上下左右各方向傳播，所以只研究地震波對上方地表的振動效應(yīng)，其他方向不予考慮。因影響起主導作用的是水平、垂直質(zhì)點振動速度和綜合振動速度，所以只對這幾種振動速度進行回歸分析。根據(jù)測試得到：

（1）質(zhì)點振動水平方向速度薩道夫斯基經(jīng)驗公式：

（2）質(zhì)點振動垂直方向速度薩道夫斯基經(jīng)驗公式：

根據(jù)實測數(shù)據(jù)以及回歸分析，發(fā)現(xiàn)該地段爆破振動以沿隧洞軸線方向分量較大，明顯高于垂直方向振動速度。

4.7頻譜分析

質(zhì)點振動速度峰值對應(yīng)的頻率即為爆破振動波主頻。當振動波頻率等于或接近建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率時，會因共振效應(yīng)而導致能量倍增，可能使建筑物結(jié)構(gòu)局部或部分開裂破壞或失穩(wěn)。不同地基和結(jié)構(gòu)物有不同的固有頻率。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，針對地面建筑物，不同頻率的質(zhì)點振動速度有各自的規(guī)定。頻率越低，對建筑物的破壞性越大，要求的安全振動的速度越低；反之，頻率越高，規(guī)定的安全振動速度就越高。本次檢測得到隧洞淺埋段質(zhì)點振動典型頻譜，各點振動參數(shù)雖有不同，但主頻基本分布在20～50Hz區(qū)間。

該段頻譜離一般建筑物自振頻率范圍較遠，考慮到地表建筑物質(zhì)量較低，抗震性差，按照有關(guān)規(guī)定，隧洞開挖爆破振動峰值不能超過規(guī)定頻段質(zhì)點振動速度的下限。

5 結(jié)果分析

通過對牛欄江引水工程大公山隧洞淺埋段爆破振動進行檢測，得到以下結(jié)論。

（1）未優(yōu)化前，隧洞開挖爆破單段裝藥量在1.6～3.0kg之間，一次爆破總裝藥量在26～42kg之間。爆心上方地表質(zhì)點振動速度較大，超過了GB6722—2003《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，地表有明顯的震動感。

（2）在距爆心正上方地表30m半徑的圓形區(qū)域以外，質(zhì)點振動速度迅速衰減，即使在實驗過程中最大單段裝藥量為3kg，檢測到的質(zhì)點振動速度也低于有關(guān)規(guī)定。

（3）檢測區(qū)域巖石結(jié)構(gòu)較破碎，地表土壤覆蓋厚，有利于爆破振動的衰減。但在風險控制段以及線路轉(zhuǎn)彎附近有民房，位于掌子面爆心上方半徑15m以內(nèi)。在該地段實施爆破，根據(jù)計算，單段裝藥量不得高于0.3～0.5kg，總裝藥量不得高于15～20kg。

（4）隨著開挖向風險控制段接近，宜逐步減少裝藥量，特別是在接近被保護建筑物40m以內(nèi)時，應(yīng)當嚴格控制單段裝藥量以及總裝藥量。同時必須對爆破方案優(yōu)化，嚴格控制起爆藥量。

（5）頻譜分析表明，分段微差爆破能有效減小爆破振動的影響。本次測試區(qū)域爆破振動波主頻集中在20～50Hz之間，高于建筑物自振頻率。

（6）測試嚴格按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范執(zhí)行，但薩道夫斯基公式是一個經(jīng)驗公式，因此，測試結(jié)果在使用過程會有誤差，需要在使用中不斷反饋調(diào)整直至滿足要求。

（7）為方便施工單位使用和優(yōu)化爆破設(shè)計，爆破振動效應(yīng)檢測工程師應(yīng)制作一張“振動速度預測表”，將計算結(jié)果放在表中以便速查而不必再進行計算。

6 結(jié)束語

2011年4月，牛欄江引水工程大公山隧洞隧洞淺埋段進入風險控制段，施工方按照檢測給出的結(jié)果優(yōu)化爆破設(shè)計，實施開挖爆破?，F(xiàn)場檢測振動速度未超過有關(guān)規(guī)定，地表震感不明顯。2011年7月，隧洞通過風險控制段，風險控制段地面建筑物在爆破開挖過程中未受到任何破壞以及影響。當?shù)鼐用駥λ矶撮_挖影響滿意，生產(chǎn)生活未受干擾。

在工程建設(shè)中，爆破振動的影響不可忽視。如何控制爆破振動的影響范圍和大小，優(yōu)化爆破裝藥量和爆破方法，從而使地面建筑不受或少受影響，都是值得研究和解決的問題。本文通過工程實例，探討爆破振動效應(yīng)檢測以及控制爆破振動效應(yīng)的手段和方法。結(jié)果表明，檢測數(shù)據(jù)有效，方法得當，結(jié)論可靠。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.016

TB41

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1672-2469（2014）02-0062-03

張宇（1971年—），男，高級工程師。