隧洞開挖爆破振動(dòng)對(duì)地面建筑的影響分析

張 宇 吳宗宇 林 霞

隧洞開挖爆破振動(dòng)對(duì)地面建筑的影響分析

張 宇 吳宗宇 林 霞

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 云南昆明 650031）

在工程建設(shè)中，爆破振動(dòng)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(dòng)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(shí)例，探討爆破振動(dòng)效應(yīng)檢測(cè)以及控制爆破振動(dòng)效應(yīng)的手段和方法，與業(yè)內(nèi)同仁進(jìn)行交流。

爆破振動(dòng) 淺埋隧洞 檢測(cè)

前言

牛欄江滇池引水工程全長(zhǎng)115.84km，是滇中調(diào)水的重點(diǎn)工程。引水工程尋甸大公山隧洞，主洞全長(zhǎng)23.32km，部分隧洞穿越長(zhǎng)沖村地下。長(zhǎng)沖河隧洞線路調(diào)整段長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)。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(dòng)是爆破引起的主要危害之一，為保證工程爆破時(shí)爆區(qū)上方建筑物的安全，有必要對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)和控制。

1 隧洞淺埋段地質(zhì)情況

大公山隧洞過長(zhǎng)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?biāo)鞣较蛞来螢槭肯抵猩辖y(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(hào)GB0+450～GB0+550m洞段?；鶐r頂部有5～10m厚的強(qiáng)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(zhǎng)沖河段隧洞基本在強(qiáng)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(biāo)大公山隧洞7#支洞上游段樁號(hào)21+700～22+800m段為淺埋段，其中樁號(hào)22+200～22+750m段為長(zhǎng)沖河谷，長(zhǎng)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(cè)工作目的

檢測(cè)爆破振動(dòng)頻率和地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、地表影響區(qū)域內(nèi)建筑物質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)特性以及變化規(guī)律；探討地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與裝藥量、質(zhì)點(diǎn)與爆心距、單段藥量、一次起爆總裝藥量關(guān)系；回歸出該場(chǎng)地的爆破參數(shù)，計(jì)算安全爆破的總用藥量和單段用藥量，指導(dǎo)施工單位炮孔布置和設(shè)計(jì)裝藥，為地表振動(dòng)危害控制提供解決方案。

3 檢測(cè)與分析方法

（1）在隧洞上方地表和建筑物布置檢測(cè)點(diǎn)，采用測(cè)振傳感器、爆破振動(dòng)記錄儀和計(jì)算機(jī)組成的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)質(zhì)點(diǎn)垂直向、水平向的振動(dòng)速度、主振頻率和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間實(shí)地檢測(cè)。

（2）采用測(cè)試分析軟件對(duì)爆破振動(dòng)波形進(jìn)行分析，獲得每個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂直與水平振動(dòng)的峰值振動(dòng)速度、主振頻率、持續(xù)時(shí)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(jìn)行隧洞淺埋段爆破地表振動(dòng)對(duì)周圍建筑物影響的評(píng)價(jià)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(dòng)的因素有爆破規(guī)模、爆破方式、與爆源相對(duì)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(shí)起爆炸藥量Q（kg）和爆源距測(cè)點(diǎn)的距離R（m）。爆破振動(dòng)安全多采用質(zhì)點(diǎn)峰值振速進(jìn)行控制，即以實(shí)測(cè)質(zhì)點(diǎn)振速小于或等于允許質(zhì)點(diǎn)振速為依據(jù)，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

4.1振動(dòng)檢測(cè)方案制定

爆破振動(dòng)效應(yīng)檢測(cè)時(shí)，不可能在每一處均設(shè)置測(cè)點(diǎn)，只能針對(duì)性選取具有代表性的位置進(jìn)行測(cè)試。從振動(dòng)波的傳播規(guī)律可知，離爆源較近的地方，爆破振動(dòng)普遍較大。因而進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試時(shí)，宜選取離爆區(qū)較近處布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)檢測(cè)對(duì)象在爆破振動(dòng)作用下的安全性，實(shí)施檢測(cè)時(shí)，不僅檢測(cè)垂直向爆破振動(dòng)，還要檢測(cè)水平向振動(dòng)速度。

（1）測(cè)試區(qū)域?yàn)橐运矶凑谱用鏋楸?，半?0m內(nèi)的地表圓形區(qū)域，涵蓋受振動(dòng)影響的地表建筑。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均為三向（垂向，水平徑向，水平切向）檢測(cè)。

（2）由于該隧洞經(jīng)過的區(qū)域復(fù)雜，地質(zhì)情況特殊，爆破振動(dòng)引起的振動(dòng)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(gè)特定區(qū)域振動(dòng)效應(yīng)來代表所有隧洞經(jīng)過區(qū)域的振動(dòng)傳播特征。所以需要在隧洞經(jīng)過的區(qū)域選取數(shù)個(gè)具有明顯地質(zhì)特征點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和爆破振動(dòng)檢測(cè)的要求，每測(cè)點(diǎn)放置一臺(tái)測(cè)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?dāng)嚢?，十分鐘后凝固）固定粘貼于預(yù)先筑好的平臺(tái)上（土壤 則將儀器埋入土層壓實(shí)）。為得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和保護(hù)設(shè)備的安全，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)備均用保護(hù)罩蓋住。

4.2檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

振動(dòng)速度測(cè)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(dòng)傳感器和ZCC-202型速度傳感器。記錄儀使用TC-4850爆破振動(dòng)記錄儀，上述儀器均通過計(jì)量鑒定。

4.3振動(dòng)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(shí)間可以持續(xù)2秒，以完整記錄整個(gè)爆破過程產(chǎn)生的振動(dòng)波形。傳感器X方向?qū)?zhǔn)爆破中心定義為水平徑向，Y方向定義為水平切向，Z方向定義為垂直向。

4.4測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)概況

在2011年1～7月期間，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了8次、40個(gè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)檢測(cè)，取得大量數(shù)據(jù)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)表面為麥田，土壤覆蓋。地面建筑多為磚混結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)易房，抗振性差?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)民房建筑質(zhì)量不高，主要檢測(cè)爆破振動(dòng)水平切向和水平徑向振動(dòng)波剪切力對(duì)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(dòng)速度為V=2.0～3.0cm/s，土坯房最大安全允許振動(dòng)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(dòng)波向上下左右各方向傳播，所以只研究地震波對(duì)上方地表的振動(dòng)效應(yīng)，其他方向不予考慮。因影響起主導(dǎo)作用的是水平、垂直質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和綜合振動(dòng)速度，所以只對(duì)這幾種振動(dòng)速度進(jìn)行回歸分析。根據(jù)測(cè)試得到：

（1）質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)水平方向速度薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式：

（2）質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)垂直方向速度薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式：

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

4.7頻譜分析

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為爆破振動(dòng)波主頻。當(dāng)振動(dòng)波頻率等于或接近建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，會(huì)因共振效應(yīng)而導(dǎo)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(duì)地面建筑物，不同頻率的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有各自的規(guī)定。頻率越低，對(duì)建筑物的破壞性越大，要求的安全振動(dòng)的速度越低；反之，頻率越高，規(guī)定的安全振動(dòng)速度就越高。本次檢測(cè)得到隧洞淺埋段質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)典型頻譜，各點(diǎn)振動(dòng)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(yuǎn)，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(dòng)峰值不能超過規(guī)定頻段質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的下限。

5 結(jié)果分析

通過對(duì)牛欄江引水工程大公山隧洞淺埋段爆破振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，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(diǎn)振動(dòng)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(dòng)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(diǎn)振動(dòng)速度迅速衰減，即使在實(shí)驗(yàn)過程中最大單段裝藥量為3kg，檢測(cè)到的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度也低于有關(guān)規(guī)定。

（3）檢測(cè)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(dòng)的衰減。但在風(fēng)險(xiǎn)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(shí)施爆破，根據(jù)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)控制段接近，宜逐步減少裝藥量，特別是在接近被保護(hù)建筑物40m以內(nèi)時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制單段裝藥量以及總裝藥量。同時(shí)必須對(duì)爆破方案優(yōu)化，嚴(yán)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(dòng)的影響。本次測(cè)試區(qū)域爆破振動(dòng)波主頻集中在20～50Hz之間，高于建筑物自振頻率。

（6）測(cè)試嚴(yán)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(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，因此，測(cè)試結(jié)果在使用過程會(huì)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(jì)，爆破振動(dòng)效應(yīng)檢測(cè)工程師應(yīng)制作一張“振動(dòng)速度預(yù)測(cè)表”，將計(jì)算結(jié)果放在表中以便速查而不必再進(jìn)行計(jì)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(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)控制段，施工方按照檢測(cè)給出的結(jié)果優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，實(shí)施開挖爆破?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)振動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)控制段，風(fēng)險(xiǎn)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(dāng)?shù)鼐用駥?duì)隧洞開挖影響滿意，生產(chǎn)生活未受干擾。

在工程建設(shè)中，爆破振動(dòng)的影響不可忽視。如何控制爆破振動(dòng)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(shí)例，探討爆破振動(dòng)效應(yīng)檢測(cè)以及控制爆破振動(dòng)效應(yīng)的手段和方法。結(jié)果表明，檢測(cè)數(shù)據(jù)有效，方法得當(dāng)，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(jí)工程師。