孤石深孔爆破對(duì)臨近豎井的振動(dòng)影響研究*

張 彪

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司，成都 610072)

孤石為花崗巖殘積土中不均勻風(fēng)化所殘留的球狀風(fēng)化核[1]，由于其具有分布隨機(jī)、形狀各異、大小不等、單軸抗壓強(qiáng)度較高等性質(zhì)，盾構(gòu)無(wú)法直接破碎，需要采取預(yù)處理措施。

城市環(huán)境下的爆破法施工經(jīng)常遇到臨近建筑物振動(dòng)影響問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段進(jìn)行了研究。夏宇磬等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究了爆破振動(dòng)下預(yù)埋混凝土管道的動(dòng)力響應(yīng)特征[2]。劉義佳等分析了爆破振動(dòng)頻率和持續(xù)時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)響應(yīng)的影響[3]。楊招偉等提出了基于地表實(shí)測(cè)振動(dòng)的巖石動(dòng)力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)方法[4]。管曉明等研究了隧道爆破振動(dòng)下既有建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)[5]。雷振等采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了臺(tái)階爆破對(duì)臨近建筑的振動(dòng)影響[6]。張黎明等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)管道地表的爆破振動(dòng)峰值振速、主振頻率及軸向微應(yīng)變進(jìn)行了研究[7]。李新平等以白鶴灘水電站為工程依托，分析了地下洞室高邊墻上質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度隨高程變化規(guī)律[8]。夏宇磬等研究了隧道開(kāi)挖爆破振動(dòng)對(duì)下埋供水管道的動(dòng)力響應(yīng)[9]。于建新等開(kāi)展了大跨度隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析了爆破參數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)規(guī)律的影響[10]。孫金山等分析了露天爆破時(shí)瑞利波在爆源遠(yuǎn)區(qū)邊坡巖土介質(zhì)中誘發(fā)的動(dòng)應(yīng)力和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特征[11]。葉海旺等研究了砌體房屋結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[12]。

以廈門(mén)軌道交通1號(hào)線(xiàn)【集美中心站～誠(chéng)毅廣場(chǎng)站】盾構(gòu)區(qū)間隧道為依托工程，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值分析的方法，針對(duì)城市環(huán)境下孤石深孔爆破下臨近建(構(gòu))筑物的振動(dòng)影響展開(kāi)研究，提出了滿(mǎn)足盾構(gòu)掘進(jìn)要求的孤石爆破減振措施。

1 工程實(shí)例

1.1 孤石尺寸及周邊環(huán)境

廈門(mén)軌道交通1號(hào)線(xiàn)集美中心站～誠(chéng)毅廣場(chǎng)站區(qū)間隧道為單洞單線(xiàn)圓形隧道，線(xiàn)路埋深15～20 m。補(bǔ)勘期間在區(qū)間右線(xiàn)YDK24+008～YDK24+026段(左線(xiàn)豎井旁)發(fā)現(xiàn)存在對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)影響較大的中、微風(fēng)化花崗巖孤石。經(jīng)詳細(xì)補(bǔ)堪，孤石沿盾構(gòu)掘進(jìn)軸線(xiàn)長(zhǎng)約17.88 m、寬10.96 m(布滿(mǎn)盾構(gòu)掘進(jìn)橫斷面)、厚度8.05 m(對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生影響的最大厚度為4.05 m)，需爆破的方量約700 m3，孤石與豎井結(jié)構(gòu)位置關(guān)系及相關(guān)尺寸如圖1所示。

圖 1 孤石與豎井位置關(guān)系(單位：m)Fig. 1 Relative position of boulder and shaft(unit：m)

孤石西側(cè)為左線(xiàn)豎井結(jié)構(gòu)，豎井壁圍護(hù)樁有兩根樁與該孤石相連，孤石東側(cè)、東南側(cè)及南側(cè)為市民公園山體，在距離孤石約130 m的山頂上有一處新建的集美塔，西北側(cè)約197 m為西亭村民房，東北側(cè)約115 m為在建鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樓房，西側(cè)約140 m為已建誠(chéng)毅書(shū)城。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)爆破方案

為滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)需求，孤石爆破后塊度應(yīng)滿(mǎn)足單邊長(zhǎng)度小于30 cm。由于孤石在地面10 m以下，沒(méi)有臨空面，很難進(jìn)行石渣的拋擲，表現(xiàn)為“無(wú)限均勻介質(zhì)中炸藥的內(nèi)部作用”現(xiàn)象，巖石破碎范圍主要為“爆腔、粉碎區(qū)、裂隙區(qū)”。為盡量擴(kuò)大“爆腔、粉碎區(qū)、裂紋區(qū)”，采用110 mm鉆孔孔徑進(jìn)行鉆孔，并用直徑90 mm PVC套管護(hù)孔，采用直徑60 mm的2#巖石乳化炸藥進(jìn)行爆破，孤石爆破炸藥單耗q取5.0 kg/m3。

為防止孤石爆破時(shí)豎井基坑圍護(hù)樁和相鄰分區(qū)孤石完整性發(fā)生破壞，在豎井基坑一側(cè)距離盾構(gòu)掘進(jìn)邊線(xiàn)1.5 m處設(shè)置兩排減振孔及孤石爆破分區(qū)之間設(shè)置兩排隔離孔。減振孔與隔離孔孔徑均為127 mm，孔距20 cm，排距20 cm，鉆孔深度大于裝藥孔50 cm以上。

為了加快孤石爆破的施工效率，同時(shí)也為避免爆破對(duì)豎井造成過(guò)大的沖擊或擠壓，孤石采用五個(gè)爆破分區(qū)進(jìn)行爆破，如圖2所示。

圖 2 孤石爆破分區(qū)Fig. 2 Boulder Blasting partition

考慮到爆區(qū)周邊的環(huán)境狀況，孤石爆破采用多段別毫秒延期、小規(guī)模爆破、單孔單響的設(shè)計(jì)方案，采用有利于爆破能量均勻分布的三角形布孔方式。爆破一區(qū)～爆破四區(qū)爆破裝藥孔的孔、排距為a×b=0.8 m×0.7 m，鉆孔深度超過(guò)盾構(gòu)開(kāi)挖邊界1.0 m。為了減小爆破振動(dòng)對(duì)豎井圍護(hù)樁的影響，靠近豎井圍護(hù)樁的爆破五區(qū)孔、排距調(diào)整為a×b=0.6 m×0.5 m，從而減小單孔裝藥量。

2 孤石爆破現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了分析孤石爆破對(duì)臨近構(gòu)(建)筑物的振動(dòng)影響，采用爆破振動(dòng)測(cè)振儀對(duì)豎井圍護(hù)樁頂部、集美塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

以孤石爆破分區(qū)1區(qū)、5區(qū)為例，對(duì)孤石爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 孤石1區(qū)、5區(qū)爆破監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 1 Blasting monitoring results of boulder 1 and 5 partitions

孤石1區(qū)、5區(qū)爆破時(shí)，集美塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)均低于2.0 cm/s，滿(mǎn)足爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)要求，而豎井監(jiān)測(cè)點(diǎn)均超過(guò)爆破安全規(guī)程，究其原因主要為爆破源離豎井結(jié)構(gòu)較近，孤石爆破對(duì)豎井結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較大所致。

對(duì)比分析1區(qū)、5區(qū)爆破時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#、2#的振速值，5區(qū)爆破振速值明顯低于1區(qū)爆破振速值，表明后期施工時(shí)應(yīng)減小炮孔間距，減少單孔裝藥量，可以有效控制豎井結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度，防止臨近結(jié)構(gòu)的破壞。

3 數(shù)值分析

3.1 孤石爆破計(jì)算模型

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)繪制的孤石所處位置的平、縱剖面圖上的形狀、尺寸以及位置相對(duì)關(guān)系，建立了數(shù)值計(jì)算模型，模型整體尺寸設(shè)定為35.74 m(長(zhǎng)度)×40.56 m(寬度)×36.17 m(高度)的無(wú)限均勻土體介質(zhì)，如圖3所示。

圖 3 計(jì)算模型(單位：m)Fig. 3 Numerical calculation model(unit:m)

孤石模型內(nèi)部分區(qū)如圖4所示。

圖 4 孤石模型Fig. 4 Boulder model

考慮到孤石分區(qū)5區(qū)離豎井結(jié)構(gòu)最近，以爆破5區(qū)為例，研究減少裝藥量對(duì)豎井結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響。

計(jì)算參數(shù)分別如表2～表5所示。

表 2 炸藥單元計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of explosive elements

表3 孤石計(jì)算參數(shù)Table 3 Boulder parameters

表4 豎井計(jì)算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of shaft

表5 空氣單元參數(shù)Table 5 Parameters of air elements

豎井結(jié)構(gòu)采用MAT_ELASTIC模型，材料參數(shù)見(jiàn)表4。

孤石為MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，材料參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2 豎井振動(dòng)效應(yīng)分析

取不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析孤石爆破時(shí)豎井的振動(dòng)影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

圖 5 豎井監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig. 5 Monitoring points of shaft

圖6給出了豎井監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)。

圖 6 豎井監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)Fig. 6 Vibration time curve of shaft monitoring point

從豎井監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速時(shí)程曲線(xiàn)可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度均小于2 cm/s，孤石爆破分區(qū)五區(qū)在爆破過(guò)程中使鄰近豎井結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)速度控制在合理范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)豎井結(jié)構(gòu)造成破壞或損上，因此增加孤石爆破分區(qū)，減少一次爆破量，可以有效減小臨近建筑物的振動(dòng)影響。

4 結(jié)論

(1)減振孔可以有效減弱孤石爆破對(duì)豎井基坑圍護(hù)樁的破壞，隔離孔可以保證相臨爆區(qū)孤石的完整性。

(2)以孤石分區(qū)5區(qū)為例，為減少單孔裝藥量，減小炮孔之間行距和排距，可以有效控制豎井振動(dòng)速度，并保證孤石爆破效果。

(3)豎井監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)表明，通過(guò)增加孤石爆破分區(qū)、減小炮孔間距等措施，減少單孔的裝藥量，可以有效控制豎井結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度，防止臨近結(jié)構(gòu)的破壞。