城鎮(zhèn)控制爆破減振技術試驗研究

賴廣文 楊琳 鄧志勇

（1.深圳市宏源建設工程有限公司，廣東深圳 518108；2.深圳市安托山投資發(fā)展有限公司，廣東深圳 518043；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著城市的快速發(fā)展，在已有建（構）筑物周邊進行爆破施工的項目日益多見，炸藥爆炸產生的能量以爆破振動波的形式在地層中傳播，對附近地上、地下建筑工程結構產生影響，以及多次重復、疊加的振動波不可避免地會對施工現場鄰近的建筑結構產生影響。因此，在爆破施工中采取必要的技術和措施進行減振，確保周邊建構筑物安全。

本文以深圳市西鄉(xiāng)商業(yè)中心舊城區(qū)舊村改造項目地塊石方爆破工程為依托，針對爆破區(qū)域緊鄰運營地鐵、居民區(qū)的復雜環(huán)境，爆破振動安全控制要求極其嚴格，為確保安全，施工初期從施工工藝、施工方法等方面進行了多項減振技術的現場試驗，成功地完成了項目施工。

縱觀國內外爆破振動研究現狀［1-3］，爆破施工中降低爆破振動影響主要從2方面改進，一是從技術設計方面，即減少最大段起爆藥量、調整裝藥結構、優(yōu)化起爆網路等；二是增加施工措施方面，即設置隔振孔、構造爆破臨空面、調整炮孔布置方式等。本項目針對上述幾種措施并結合工程實際，進行現場試驗和分析研究。

1 工程概況

西鄉(xiāng)商業(yè)中心項目設計4層地下室，基坑開挖深度為19.5 m，基坑安全等級為一級?；邮┕ぶ行柽M行基坑石方爆破開挖，爆破工程量約10.0萬m3。爆破區(qū)域南側臨近深圳地鐵1號線坪洲站出口，邊距線軌凈距約17 m。北側為基坑在建建（構）筑物，南側為市政路，西側為市政副路、距居民小區(qū)40 m，東側距居民小區(qū)30 m，項目環(huán)境平面圖見圖1。施工中必須確保地鐵隧道、車站結構、居民小區(qū)、市政管線、基坑圍護結構的安全。

圖1 項目環(huán)境平面圖（單位：m）

根據項目施工要求，前期進行現場試驗，優(yōu)化施工方案，確保施工安全。現場試驗主要針對電子雷管、隔振孔（面）、自由面方向、孔底氣墊層等降爆破振動影響的技術措施進行試驗分析，為優(yōu)化爆破施工方案提供試驗數據支持。

2 電子雷管微差減振試驗

李子華等［4］利用單孔和群孔試驗確定了17 ms的電子雷管孔間延時時差，可以達到最佳的干擾減振效果。本項目和文獻中的施工項目處在相同區(qū)域，地質條件接近，且同為基坑爆破施工項目，主爆孔孔徑均為?76 mm，因此本項目在17 ms延時間隔的基礎上進行爆破試驗，確定該地段的最佳延時時差。

群孔試驗（數碼電子起爆網路）設置2排孔，每排9個孔，孔深5.5 m、孔距2.3 m，排距2.0 m，單孔藥量9.0 kg，孔間延時分別為15，16，17，18，19 ms，逐孔起爆。17 ms時數碼電子雷管的起爆時差設置如圖2所示。同時為了便于比較，設置了1組電-非電混合起爆網路試驗，每組7個孔，孔深5.5 m、單孔藥量9.0 kg，起爆網路采用電-非電起爆網路，孔內裝入非電雷管10段，孔外用非電雷管5段串接，起爆網路如圖3所示，能夠實現逐孔起爆，對控制爆破振動速度有一定的效果。

圖2 17 ms時數碼電子雷管起爆時差設置示意

圖3 電-非電起爆網路示意

爆破振動測點設置在距每次試驗中第1響炮孔的位置，距離分別為15，30，50 m。1#測點典型振動波形見圖4。圖4（a）為孔間延時17 ms電子雷管起爆的振動波形，其波形分布比較連續(xù)均勻，振動速度峰值為0.76 cm/s；圖4（b）為電-非電雷管起爆的振動波形，其波形可以明顯分辨出不同的起爆時段，振動速度峰值為 1.13 cm/s。對比圖 4（a）和圖 4（b）可知，在試驗條件一致情況下，電子雷管起爆的減振效果更好，比電-非電雷管起爆的振動速度小30%以上。

圖4 1#測點典型振動波形

電子雷管起爆時不同孔間延時和爆心距測得的質點振動速度峰值見表1?？芍?，孔間延時17 ms時最大爆破振動速度均小于其他孔間延時的最大爆破振動速度，說明其干擾降振效果最佳。因此，電子雷管孔間延時17 ms時，可以達到最佳減振效果。

表1 試驗爆破振動速度統(tǒng)計

3 減振孔試驗

在爆破區(qū)域外圍設置減振孔可以降低對周邊保護物的爆破振動影響，其主要是利用減振孔在爆破產生波的傳播路徑上設置障礙，使波的傳播路徑發(fā)生變化，同時波在障礙物界面處發(fā)生反射和透射，消耗部分地震波的能量，從而降低地震波對周邊保護物的影響，達到減振的效果［5-6］。但對于爆破產生地震波的減振特性目前沒有準確結論。試驗中設置了單排減振孔和雙排減振孔2種模式，具體參數見表2。

表2 減振孔布置參數

試驗爆破炮孔采用電-非電雷管逐孔起爆，網路形式類似于圖3?？讖綖?76 mm，孔距2.3 m，排距2.0 m，孔深5.5 m。

本階段試驗中，單排減振孔總設置了20個，雙排減振孔采用梅花形布置，設置了42孔，減振孔距離爆破區(qū)域20 m。爆破振動測點布置：1#—5#測點距爆源距離分別為15，25，35，45，55 m。振動測試獲取有效數據60組，分別為無減振孔、單排減振孔以及雙排減振孔的監(jiān)測點爆破振動數據。對同一測點監(jiān)測數據進行矢量合速度，然后利用薩道夫斯基公式回歸，計算得到上述3種情況的振動速度回歸曲線，見圖5。不同工況下，振動速度的回歸式為

無減振孔，相關系數0.953：

圖5 無減振孔、單排減振孔以及雙排減振孔的振動速度回歸曲線

單排減振孔，相關系數0.886：

雙排減振孔，相關系數0.899：

式中：v為監(jiān)測點振動速度峰值，cm/s；Q為爆破單響最大炸藥量，kg；R為監(jiān)測點距爆源距離，m。

爆破振動速度計算式可表述為

式中：k，α為衰減系數。

不同工況下，k，α的變化規(guī)律為：①3種情況衰減系數α變化不大，衰減系數k則按照無減振孔、單排減振孔到雙排減振孔的順序逐漸減小。②相對于無減振孔的情況，單排減振孔情況下k值減小約13%，雙排減振孔減小約26%。

單孔裝藥量一致情況下，用減振率來估算減振孔的減振效果，減振率ρ為

3種工況下減振效率對比見表3。

表3 減振效率對比

由表3可知，設置減振孔的爆破振動速度比未設置減振孔的低，起到了減振的效果，同時雙排減振孔比單排減振孔的減振率大。隨著爆心距的增大減振率逐漸變小，減振效果在減弱，在1#測點位置單排減振孔的減振效率為18.0%、雙排減振孔的減振效率為25.0%，而在5#測點位置減振效率分別降為8.8%，11.76%，減振效果明顯減弱。按此規(guī)律隨著爆心距的繼續(xù)增大，減振效果越來越弱，對于遠離爆源區(qū)的爆破振動減振孔基本沒有減振作用。

由減振孔試驗可得：對于爆源區(qū)附近的爆破振動，減振孔可以起到減振的作用，且雙排減振孔比單排減振孔的減振效果好。保護物鄰近爆破區(qū)域時可以采用減振孔的減振措施，以降低爆破振動對保護物的影響。

4 孔底加氣墊層試驗

張志呈等［7-8］指出定向卸壓隔振爆破引起的地面振動速度低于其他爆破方法，且隔振材料越好、在合理范圍內孔底空氣間隔越大，降低振動效果越好。試驗采用孔底加氣墊層的方法分析減振效果。

試驗作業(yè)臺階高度5.0 m，設計布置2排炮孔，鉆孔直徑為76 mm，孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m。炮孔底部放置50 cm長PVC管作為炮孔底部氣墊層，藥柱長度2.5 m，填塞長度2.5 m，單孔裝藥量為7.0 kg，炮孔的裝藥結構及測點布置見圖6。起爆網路采用電-非電雷管逐孔起爆。

圖6 試驗裝藥結構、測點布置

試驗中進行爆破振動檢測，比較檢測數據分析減振效果。1#測點布置在作業(yè)臺階底部，距最左側炮孔水平距離5 m；2#測點布置在作業(yè)臺階上，距爆區(qū)后排孔10 m。在爆破前對2個測點儀器進行保護。

試驗共進行了4組，其中2組為不加氣墊層的，2組為加氣墊層的。未設置氣墊層和設置氣墊層后的典型振動波形見圖7—圖8。

圖7 未設置氣墊層爆破振動波形

圖8 設置氣墊層后爆破振動波形

由圖7—圖8可見，設置氣墊層后各段振動波形較為連續(xù)，無明顯分段起爆的特征，推斷預留的空氣墊層降低了爆轟波和爆生氣體壓力，延長了炮孔中爆生氣體的存在時間，提高了爆生氣體準靜壓力作用下巖石斷裂破碎的質量。

孔底加氣墊層試驗振動結果見表4。

表4 孔底加氣墊層試驗最大爆破振動速度 cm·s-1

試驗第1，2組為孔底未設置氣墊層，試驗第3，4組為孔底設置長度0.5 m氣墊層。由表4可見，未設置氣墊層時，1#測點最大爆破振動速度為1.16 cm/s，2#測點最大爆破振動速度為1.45 cm/s，頂部的爆破振動速度要大于底部的；第2組結果與第1組的結果基本一致，其中 1#測點為 1.23 cm/s，2#測點為 1.51 cm/s。設置氣墊層后，臺階底部的爆破振動速度明顯減小，第3組中1#測點最大爆破振動速度為0.98 cm/s，2#測點最大爆破振動速度為1.44 cm/s，第4組中1#測點為0.96 cm/s，2#測點為1.49 cm/s，試驗第3，4組結論基本一致，孔底加設氣墊層后1#測點爆破振動速度降振效果明顯，對于臺階底部的爆破振動起到了較好的減振作用，減振效率可以達到15%～20%。2#測點的最大爆破振動速度未發(fā)現明顯變化，說明孔底加設氣墊層對臺階頂部的減振作用不大。

為了驗證氣墊層長度對減振效果的影響又進行了2組試驗，試驗中氣墊層長度設計為1.0 m，其他參數不變，對于作業(yè)臺階底部的減振效果比氣墊層長0.5 m的明顯，但爆破后底部留有根底，臺階底部不平整。

由孔底加氣墊層試驗可得：對于作業(yè)臺階底部的爆破振動，炮孔底部加氣墊層可以起到減振作用，氣墊層長度大，減振效果好，但影響爆后底部平整度。因此，對保護物的位置標高低于爆破區(qū)域時，可以選擇炮孔底部加設氣墊層的減振措施，但氣墊層的長度應不影響臺階底部的平整度。

5 爆破自由面方向試驗

實踐表明，保護物與爆破自由面的相對位置不同，受爆破振動的影響也有所不同。因此，通過不同爆破自由面方向進行試驗分析爆破振動的衰減規(guī)律，以便后期施工中有意避免不利因素，降低爆破振動的影響［9-10］。

試驗設計2種作業(yè)自由面，分別垂直和平行地鐵軌行區(qū)，炮孔布置如圖9所示。作業(yè)面臺階高5.0 m，炮孔鉆孔直徑為76 mm，每次試驗布置兩排孔，每排6孔，孔距2.3 m、排距2.0 m，炮孔深5.5 m，填塞長度2.0 m，單孔裝藥量10.5 kg。起爆網路采用電-非電雷管逐孔起爆。

圖9 炮孔布置示意

為分析爆破振動衰減規(guī)律，測點布置成一條測線，分別與爆源距離為15，25，35，45，55 m，測線垂直于地鐵軌行區(qū)。

爆破自由面垂直和平行于地鐵軌行區(qū)方向分別進行了5組爆破，共取得50組有效數據。根據薩道夫斯基公式進行數據回歸，爆破振動衰減回歸曲線見圖10。

圖10 爆破自由面垂直和平行地鐵軌行區(qū)時振動速度回歸曲線

由圖10可知，圖10（a）中振動衰減系數k為36.88，圖10（b）中振動衰減系數 k為 52.75，而兩圖中衰減系數α基本一致，說明爆破作業(yè)自由面方向對振動衰減規(guī)律的影響是顯著的，但由于試驗場地地質條件一致，其衰減系數α與作業(yè)自由面方向無關。爆破作業(yè)自由面垂直于地鐵軌行區(qū)時，其爆破振動向自由面兩側的傳播衰減較快，自由面平行于地鐵軌行區(qū)時其爆破振動直接向后傳播，振動衰減相對較慢。由圖10還可以看出，圖10（a）中的衰減系數k值比圖10（b）中的降低了30%，對地鐵軌行區(qū)的安全，自由面垂直軌行區(qū)有利于降低爆破振動的影響。

由爆破自由面方向試驗可得：爆破區(qū)域有保護物時，爆破作業(yè)自由面方向盡可能調整到垂直于保護物的方向，以降低對保護物的爆破振動影響。

6 工程實踐

本次試驗以深圳西鄉(xiāng)商業(yè)中心舊城舊村改造項目地塊石方爆破工程為依托，根據爆破試驗結果，從施工效率和成本考慮，方案中將基坑距地鐵隧道的距離劃成不同的爆破區(qū)域，即50 m外區(qū)域、30～50 m區(qū)域、30 m內區(qū)域，分區(qū)域采用不同的減振措施。

方案中鉆孔直徑為76 mm，孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m，填塞長度2.5m，炸藥單耗0.3～0.4 kg/m3。項目重點保護對象為運營地鐵隧道，按照令（第278號）《深圳市城市軌道交通運營管理辦法》［11］要求爆破振動速度安全控制標準為1.2 cm/s，距地鐵隧道30 m范圍為安全控制區(qū)。設計振動速度預警值為1.0 cm/s，施工中采用不同的綜合減振措施，確保地鐵隧道等建構筑物安全。綜合減振措施有：

1）爆破作業(yè)臨空面基本上調整到垂直于地鐵軌道方向，由北向南分臺階推進，每層臺階高度5 m以內。

2）50 m外區(qū)域采用導爆管雷管微差控制爆破方法，逐孔起爆。

3）30～50 m區(qū)域采用電子雷管精細控制爆破方法，孔間延時17 ms逐孔起爆。

4）30 m內區(qū)域采用電子雷管起爆、減振孔、孔底氣墊層等綜合降振措施?？组g延時17 ms逐孔起爆；孔底加氣墊層時炮孔超深部分裝填PVC空管作為氣墊層，長度約為50 cm。

5）開始50 m范圍內施工時，沿基坑邊線鉆取2排?140 mm減振孔，減振孔深度比開挖臺階超深1 m。

施工過程在地鐵隧道迎爆側壁面、軌道基礎上布置振動監(jiān)測點，對每次爆破的爆破位置、測點位置、爆破裝藥參數都進行了詳細記錄，全過程振動速度均未超出1.0 cm/s控制指標，運營地鐵隧道安全。分析監(jiān)測數據，軌道基礎的振動速度值低，迎爆側壁面的振動大。

7 結論

通過現場爆破試驗、工程實踐，可以得到以下結論：

1）爆破試驗區(qū)域地質條件下，電子雷管孔間延時設置為17 ms時，可以實現最佳的爆破減振效果。

2）減振孔對于臨近爆破區(qū)域的爆破振動可以起到降振的作用，且雙排隔振孔比單排隔振孔的減振效果好。與無減振孔相比，單排減振孔時衰減系數k值減小約13%，雙排減振孔時k值減小約26%。雙排減振孔的減振效率明顯好于單排減振孔的減振效果，最大減振率可達25%。

3）炮孔底部加氣墊層對作業(yè)臺階底部的爆破振動的減振效果顯著，減振效率約為15%～20%。氣墊層長度大，減振效果好，但影響爆后底部平整度。炮孔底部加氣墊層對作業(yè)臺階上的爆破振動速度影響不大。

4）爆破作業(yè)自由面垂直于保護物時衰減系數k值比自由面平行于保護物時k值降低約30%，衰減系數α與作業(yè)自由面方向無關。

本試驗以工程項目為依托，試驗系統(tǒng)性、完整性有待進一步完善，以便為工程實踐提供堅實的技術依據。