隧道施工爆破震動對地面結(jié)構(gòu)影響規(guī)律的研究

王蕊

（重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶400072）

隧道施工爆破震動對地面結(jié)構(gòu)影響規(guī)律的研究

王蕊

（重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶400072）

近年來城市隧道施工越來越多下穿居民區(qū)，開挖爆破對地表建（構(gòu)）筑物的震動危害愈來愈受人們重視。該文以山東省青島市區(qū)某公路隧道工程掘進(jìn)開挖爆破的震動安全監(jiān)測項目為依托，通過現(xiàn)場實測，對不同的隧道取得相應(yīng)實測數(shù)據(jù)并進(jìn)行回歸分析，得到了地面建筑基礎(chǔ)的震動速度衰減規(guī)律，為控制隧道礦山法開挖爆破對地面結(jié)構(gòu)的危害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

隧道工程；現(xiàn)場實測；建筑結(jié)構(gòu)；爆破震動；速度衰減

基金論文：重慶市教委科研項目“隧道下穿村莊對建筑結(jié)構(gòu)爆破振動規(guī)律的研究”（編號：KJ1604104）。

近些年，隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長和城市化水平的提高，交通堵塞等問題越來越嚴(yán)重。因為交通隧道具有占地面積少、運量大、快速、準(zhǔn)點等優(yōu)點，所以城市交通隧道的發(fā)展成為解決交通擁堵問題的首要選擇［1-3］。交通隧道越來越多地從地下穿越地面已有房屋，爆破等施工震動必然對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響［4-9］。近年來交通隧道多采用礦山法，施工過程中輕則噪聲擾民，重則對房屋結(jié)構(gòu)造成震動及破壞。

本文以山東青島某城市隧道工程為背景，研究城市隧道下穿村莊爆破施工對地面房屋結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了地面建筑基礎(chǔ)的震動速度衰減規(guī)律，從而判斷建筑物的安全性；并把研究成果應(yīng)用于實際礦山法施工，取得了良好效果。

圖1　隧道陸域段下穿村鎮(zhèn)衛(wèi)星圖

1　工程概況

山東青島市某公路隧道工程，布置于花崗巖地層中，采用礦山法施工。根據(jù)設(shè)計下穿農(nóng)村居民區(qū)（見圖1），隧道掘進(jìn)寬17m，高9m，為馬蹄形斷面，隧道底板至地面距離約29～40m。隧道由南向北施工，首先進(jìn)入房屋結(jié)構(gòu)下方時，隧道底板距離地面約29m。

該隧道施工到距離村莊500m開始，當(dāng)?shù)鼐用穹从潮普饎痈杏X明顯。爆破震動對地面房屋和居住人員產(chǎn)生了擾動，評估其爆破施工的可行性和安全性成為急需。因此，開展了本文的研究工作。

2　爆破震動下地面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的實測研究

2.1采用儀器

該研究采用IDTS3850震動測試儀（圖2）。該儀器可應(yīng)用于特殊測試場合，優(yōu)點是體積小，便于攜帶，分辨率高，多震動事件自動觸發(fā)記錄。

圖2　選用的儀器

我們將測點設(shè)置在村莊住戶的房屋基礎(chǔ)上。按照測試要求，首先將傳感器平穩(wěn)放在基礎(chǔ)表面，使得接觸良好，保證測試的準(zhǔn)確性。由于條件所限，爆破震動測試結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)行，爆區(qū)位置不斷變化，爆破震動測試時，根據(jù)不同的爆區(qū)位置選擇不同的測點，通過調(diào)整傳感器的測試方位，使其與爆心基本保持在同一直線上，這樣能較好地測得最強的建筑基礎(chǔ)反應(yīng)波頻。

2.2實測數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成后，在現(xiàn)場（或事后）用RS232數(shù)據(jù)線與計算機的COM口相連，打開電源開關(guān)，啟動軟件程序，如圖3所示。

我們通過現(xiàn)場實測得到典型的爆破測試波形圖，如圖4所示。

將大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)匯總整理為表1。

表1　現(xiàn)場震動實測數(shù)據(jù)

3　隧道工程爆破建筑基礎(chǔ)震動實測數(shù)據(jù)分析

3.1爆破震動控制要求的分析

根據(jù)爆破震動對民用建筑的破壞特征，及現(xiàn)場爆破震動特性和周圍民用建筑情況，結(jié)合《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》第1.5條建筑地震破壞等級的規(guī)定，我們把民用建筑的破壞程度分為五個等級：基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌。見表2。

在現(xiàn)場實測中未發(fā)現(xiàn)大的裂縫，僅在窗、墻角等局部應(yīng)力集中點出現(xiàn)非張開型裂紋，粉刷層出現(xiàn)細(xì)微裂紋，墻體、屋蓋沒有任何裂紋，因此，房屋的破壞屬于輕微損壞。

2014年頒布的國家安全標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》GB6722-14［10］，規(guī)定了主要建（構(gòu)）筑物的破壞判據(jù)，見表3。

現(xiàn)對位于該施工隧道上部的村莊房屋的保護級別進(jìn)行分析：

（1）關(guān)于“土窯洞、土坯房、毛石房屋”的保護類別，目前我們還沒有在現(xiàn)場，也沒有從資料上發(fā)現(xiàn)村莊存在明顯的這類保護對象。

（2）關(guān)于“一般古建筑與古跡”的保護類別，我們沒有發(fā)現(xiàn)隧道穿過范圍有一般的古建筑與古跡。

（3）關(guān)于“一般民用建筑物”的保護對象，村莊建筑屬于這一類型。

綜合考慮以上相關(guān)因素，采用為“一般民用建筑物”保護對象的安全允許震動速度范圍值2.5～3cm/s，為該研究的標(biāo)準(zhǔn)振速判據(jù)。

圖3　數(shù)據(jù)的預(yù)覽和讀取示意圖

圖4　爆破震動波形圖

表2　建筑破壞等級標(biāo)準(zhǔn)劃分

表3　爆破震動安全允許建議標(biāo)準(zhǔn)

3.2建筑結(jié)構(gòu)震動規(guī)律現(xiàn)場實測結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場爆破震動實測數(shù)據(jù)表1進(jìn)行分析表明，在三個探頭（115、117、119）的采集數(shù)據(jù)中，探頭115采集到的爆破震動速度最大，探頭117和探頭119采集到的爆破震動速度基本一致。

三類炮眼中，最大的震動速度峰值發(fā)生在掏槽過程當(dāng)中，則探頭115測得的是掏槽眼產(chǎn)生的爆破震動速度，根據(jù)表1得知，基礎(chǔ)震動速度最大能達(dá)到4.6647cm/s。

而且表1顯示出以下規(guī)律：隨著距離的增大，爆破震動速度越來越小。

3.2.1隧道01#的爆破震動分析

根據(jù)表1可知，在序號2和序號3測得的最大爆破震動速度分別是3.8607cm/s、4.6647cm/s，超過了安全爆破震動允許速度范圍值2.5～3.0cm/s。

序號1測得的爆破震動速度為2.678cm/s較安全。而且序號2測點距爆破中心的距離是30.19m，序號3測點距爆破中心的距離是29.49m，由于爆破藥量一定的情況下，距離越小爆破震動速度越大，因此在現(xiàn)場施工時應(yīng)該采取降低掏槽眼爆破藥量的方法控制爆破震動效應(yīng)。

通過在村莊內(nèi)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隧道從地下通過時出現(xiàn)了房屋頂瓦片振落等破壞情況，同時在村內(nèi)地面振感明顯。

3.2.2隧道02#的爆破震動分析

根據(jù)表1可知，隧道02#爆破時地面建筑基礎(chǔ)的最大爆破震動速度是0.5371cm/s，沒有超過安全爆破震動允許速度范圍值2.5～3.0cm/s。

根據(jù)隧道02#的施工距離得知測點距爆破中心最小處為69.51m，因此在同等藥量爆破的情況下，就確保了爆破震動的影響較小。

3.2.3隧道03#的爆破震動分析

根據(jù)表1可知，隧道03#爆破時地面建筑基礎(chǔ)的最大爆破震動速度是0.5404cm/s，沒有超過安全爆破震動允許值2.5～3.0cm/s。根據(jù)隧道03#的施工距離得知測點距爆破中心最小處為68.70m，因此在同等藥量爆破的情況下，同樣確保了爆破震動對地面建筑的影響較小。

根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)及既有建（構(gòu)）筑物的質(zhì)量情況，在保證建（構(gòu)）筑物安全運營的情況下，應(yīng)采取減少爆破震動的措施。目前國內(nèi)外采用震動速度作為控制參量對爆破震動安全進(jìn)行評價。

目前國內(nèi)外比較公認(rèn)的預(yù)測爆破地震動強度的經(jīng)驗公式是薩道夫斯基經(jīng)驗公式，我國長期以來在爆破震動安全距離與質(zhì)點震動計算也采用此公式：

式中：

V——質(zhì)點震動速度，cm/s；

K——爆破場地系數(shù)；

Q——爆破藥量，延時爆破時為最大一段藥量，kg；R——質(zhì)點距爆源中心的距離，m；

α——地震波衰減系數(shù)。

對公式（1）兩邊同時取自然對數(shù)：

Y=kX+b

根據(jù)測得的表1中的V、Q、R值，其中Q采用掏槽眼的藥量，依據(jù)最小二乘法可擬合得到K、α值。K、α的點估計值分別為：

式中：n為測點數(shù)，γ為相關(guān)系數(shù)。

進(jìn)而可以得到K、α值，γ=0.8264，得知震動速度衰減規(guī)律回歸曲線，見圖5所示。根據(jù)回歸的結(jié)果，得到某工程爆破開挖過程中，質(zhì)點震動速度的傳播規(guī)律：

圖5　震動速度衰減規(guī)律回歸曲線

4　結(jié)語

該研究采用了礦山法施工，通過針對現(xiàn)場的建筑情況分析，確定安全允許震動速度范圍值2.5～3.0cm/s為該研究的標(biāo)準(zhǔn)振速判據(jù)，確保了建筑的安全性。

通過現(xiàn)場實測分析得知：

（1）隧道01#爆破開挖過程中會對地面建筑物造成震動破壞。由于爆破藥量一定的情況下，距離越小爆破震動速度越大，因此在現(xiàn)場施工時應(yīng)該采取降低掏槽眼爆破藥量的方法控制爆破震動效應(yīng)。

（2）在隧道02#和隧道03#爆破開挖過程中，由于隧道爆破中心距底面建筑物均在60m以上，在等藥量的爆破過程中，對地面建筑的震動影響較小，不會導(dǎo)致地面建筑產(chǎn)生破壞。

（3）通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了地面建筑基礎(chǔ)的震動速度衰減規(guī)律為并將此規(guī)律運用于工程現(xiàn)場分析施工范圍內(nèi)建筑物的安全性，為確保當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ钐峁┍Ｕ先〉昧己眯Ч?/p>

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Studiesof Tunnel Blasting Vibration on Influence RuleofGround Building

In recentyears，moreandmore tunnels are increasingly constructed underurban residential areas；theharm effects of blasting vibration on the buildingsattractmoreandmore attentions.In this paper，based on a safetymonitoring projectof highway tunnelsin Qingdao，and the field investigation，the regression analysisof themeasured data is carried out，and the vibration velocity attenuation rule of the ground building foundation is obtained.It can offer some references for similar projects.

tunnelengineering；field investigation；building structure；blasting vibration；speed attenuation

U455.6

A

1671-9107（2016）08-0042-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.08.042

2016-07-06

王蕊（1984-），女，山東臨沂人，研究生，講師，主要從事建筑施工與技術(shù)工作。