敏感環(huán)境下地下工程鉆爆法施工地震動效應及其控制方法實例研究

趙晨陽，雷明鋒,2，施成華，龔琛杰，唐錢龍

(1. 中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075；2. 重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南長沙 410075)

作為緩解城市交通擁堵難題的一種有效方式，中國各大城市均在建造地下鐵道交通系統(tǒng)[1-3]。受城市建設環(huán)境的影響，地鐵建設過程中不可避免地會出現(xiàn)穿越各類重要建(構)筑物的現(xiàn)象，給工程建設帶來了新的挑戰(zhàn)。其中，在臨近建筑物情況下地鐵車站爆破施工所產(chǎn)生的地震動效應是工程建設普遍面臨的挑戰(zhàn)之一[4-6]。為保證新建工程的順利施工以及既有建(構)筑物的安全運營，學者們就爆破施工對既有建(構)筑物的影響問題開展了系列研究[7-9]。SHI 等[10]基于柱狀裝藥爆破應力波理論，提出了石油管道容許振動速度峰值的確定方法。JIANG等[4]對北京地鐵16號線近距離下穿某燃氣管道工程(管線與隧道凈距18.7 m)開展了實測研究，給出了爆破振動峰值速度計算公式，并分析了燃氣管道因爆破施工產(chǎn)生的振動及應力響應。XIA 等[11]通過數(shù)值模擬分析了地鐵隧道爆破施工對上伏管道(距離8.9 m)的影響，分別得到管道在無水、滿水及正常水頭3種情況下的爆破動力響應規(guī)律。YU 等[12]結合上海某新建隧道，通過現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬等多種研究手段，分析了軟土地層中爆破施工對既有隧道結構(間距3.74 m)的影響。龔敏等[13]研究了不同建筑物爆破振速控制標準時的城市隧道爆破安全藥量計算方法。雖然已有新建工程爆破施工對既有建(構)筑物影響的研究，但既有的工程案例中，存在硬巖地層條件下新建工程與既有結構物距離較大，或小距離情況下新建工程周邊地層軟弱等情況，硬巖地層條件下新建工程近距離爆破施工對既有結構物影響的研究依然較少。工程實踐和理論研究均表明，建筑物受新建工程爆破施工影響是一個極為復雜的物理力學過程，爆破荷載作用下既有結構的動力響應規(guī)律及其控制標準受其自身結構特性、間隔距離、巖土介質性質等因素的影響。既有研究成果很少能全面考慮這些影響因素，計算結果的準確性及計算方法的普適性還有待于深入研究。特別是，對于動力物性差異顯著的復合地層中，爆破地震動效應的估算方法，以及場地周邊存在動力敏感性差異顯著的不同類建筑物時，其控制標準如何確定、控制爆破如何設計等問題，目前均尚無成功案例參考。本文以青島地鐵4號線人民會堂站為工程背景，針對爆破施工可能影響既有臨近水泵房和既有車站(3 號線人民會堂站)安全運營問題，采用數(shù)值模擬方法開展了新建地鐵車站(4 號線人民會堂站)暗挖爆破施工對既有結構物影響規(guī)律的研究，在進行單次起爆藥量、起爆間隔、打設減震孔等爆破參數(shù)分析的基礎上，提出了依托工程控制爆破方案，并進一步結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證其可靠性，以期為類似工程的合理爆破設計與施工提供依據(jù)。

1 依托工程介紹

1.1 工程概況

青島地鐵4 號線人民會堂站(圖1(a))為采用鉆爆法施工的大跨單拱雙層結構型式車站，最大開挖跨度約24.34 m，開挖高度約18.50 m，站廳層開挖高度約9.25 m，車站拱部主要位于中風化及微風化花崗巖，拱頂埋深在14.25～18.79 m 范圍內(nèi)，如圖1(b)。需要說明的是，受地勢起伏影響，既有的3 號線人民會堂站上方存在一定厚度的土體，因這部分土體對本研究內(nèi)容影響較小，故并未在圖中展示。

青島地鐵4 號線人民會堂站周邊存在眾多建(構)筑物及管線。其中，水泵房及3 號線人民會堂站(既有站)距依托工程最近、振速控制最為嚴格，為爆破施工期間重點保護對象，新建工程與既有工程的位置關系如圖1。水泵房為混凝土結構，結構尺寸為19.85 m×12.00 m×9.50 m(長×寬×高)，側壁厚度0.50 m，筏板基礎厚0.60 m。既有的3 號線人民會堂站為地下2層島式車站，主體結構已投入使用。

圖1 周邊建筑物與4號線人民會堂站位置Fig.1 Location of adjacent buildings and Hall of the People Station of Line 4

1.2 開挖方案設計

為確保既有建筑物的安全，施工過程中對新建工程產(chǎn)生的爆破地震動效應進行了控制設計和控制指標的擬定。其中：

1) 控制指標選用既有建筑物的爆破振動速度峰值(PPV)[14-16]，控制值根據(jù)既有結構類型不同，分別設置為1.0 cm/s(水泵站)和1.5 cm/s(3 號線人民會堂站)。

2) 爆破開挖方案考慮了工程的開挖范圍、地質條件等因素，擬定的站廳層開挖方案如圖2 所示。圖中，站廳層采用雙側壁導洞法施工，開挖順序與分區(qū)依次如圖中序號標明所示，如爆破(2-1)區(qū)代表該斷面第2 個導洞的第1 次爆破開挖區(qū)域。

圖2 站廳層炮孔布置示意圖Fig.2 Blasting hole layout of station hall floor

2 控制爆破參數(shù)優(yōu)化

爆破施工期間，控制臨近建筑物振動危害的方法主要有爆源控制和振動波傳播途徑控制。爆源控制措施有降低最大單段起爆藥量、控制起爆間隔等[17]，該方法通過降低單次起爆引起的振動峰值、避免爆破振動峰值疊加等方式降低爆破對既有建筑物的影響。傳播途徑控制有開挖減震溝、減震孔等[18]，該方法以阻斷振動波在巖體中傳播的方式達到降低既有建筑物振動的效果。

為確定合理控制爆破參數(shù)，運用ANSYS/LSDYNA 建立三維有限元模型，分別計算不同單次起爆藥量、起爆間隔和減震孔直徑情況下，新建車站爆破施工對既有3號線人民會堂站及水泵房的地震動影響。

2.1 計算模型

根據(jù)新建車站及其周邊建筑物的空間位置關系，建立如圖3所示的數(shù)值模型，模型整體尺寸取為150 m×50 m×75 m(長×寬×高)。模型中：

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

1) 忽略了既有臨近建筑物的內(nèi)部細節(jié)構造，僅考慮主體結構，按彈性材料考慮；地層結構按工程實際賦存環(huán)境劃分，采用包含應變率的塑性隨動模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)進行模擬[11]。參考地質勘測報告和相關規(guī)范[19]，確定模型中的物理力學參數(shù)取值見表1。值得說明的是，爆炸屬于動力計算，巖土體的彈性模量應采用其動彈性模量。而關于巖土體動、靜彈性模量之間的關系，胡國忠等[20]研究發(fā)現(xiàn)，對于堅硬、完整、致密的巖體，其比值在1～5 范圍內(nèi)，對于軟弱、破碎、疏松巖體，其比值可超過5～20倍。為此，模型中，巖、土體動彈性模量分別取為勘測值的3倍和10倍。對于混凝土動、靜彈性模量之間的關系，亦根據(jù)巖體的參考范圍，取為靜彈性模量的3 倍。分析過程中的動力平衡方程如式(1)所示。

表1 計算物理力學參數(shù)Table 1 Calculating physical and mechanical parameters

式中：M為有限元體系總質量矩陣：C為有限元體系總阻尼矩陣；K為有限元體系總剛度矩陣；u(t),u˙(t),u¨ (t)為體系各節(jié)點位移、速度、加速度向量；p(t)為動力荷載。

2)模型邊界除地面外均采用無反射邊界條件，以消除爆破振動反射波的影響；水泵房、3 號線人民會堂站、初期支護等結構單元與地層間的接觸關系采用綁定的面—面接觸方式(*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE)來模擬。

3)爆破荷載選用高爆炸藥模型(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模擬，對應的狀態(tài)方程(Jones-Wilkins-Lee(JWL)方程)如式(2)[21]，參考文獻[4]確定炸藥計算參數(shù)如表2。

表2 炸藥參數(shù)Table 2 Explosive parameters

式中：P為炸藥爆炸后爆轟產(chǎn)物的壓強；A，B，R1，R2，ω為常數(shù)；E0為炸藥單位體積初始內(nèi)能；V0為炸藥初始相對體積。

4)爆源為右導洞掏槽眼，具體位置見圖2爆破2-1區(qū)。

2.2 單次起爆藥量

設置單次起爆藥量依次為3，6 和9 kg，計算水泵房和3 號線人民會堂站的振速響應。模型中，單個掏槽眼裝藥量分別為0.5，1.0 和1.5 kg。計算發(fā)現(xiàn)，3 號線人民會堂站的振速響應明顯大于水泵房，且X方向振速最大，故進一步提取其X方向振速時程曲線如圖4。從中分析可知：

圖4 不同起爆藥量下3號線人民會堂站的振速響應Fig.4 Vibration velocity response of Hall of the People Station of Line 3 under different detonating charges

1) 單次起爆藥量為3，6 和9 kg 情況下，3 號線人民會堂站的振速峰值分別為-0.71，-1.33 和-1.68 cm/s。依據(jù)3號線人民會堂站1.5 cm/s的振速控制要求，掏槽眼的單次起爆藥量應不大于6 kg。

2) 控制單次起爆藥量是降低臨近建筑物振速響應的有效措施。起爆藥量由9 kg 降低為3 kg 的過程中，3 號線人民會堂站的振速峰值大幅度降低，分別降低了20.8%和57.7%。既有文獻[5]同樣表明，降低起爆藥量能顯著降低測點振動，如單次起爆藥量從1.2 kg 降低為1.0 kg 時，測點處振動峰值降低了59%。

2.3 起爆間隔

起爆間隔過小會導致爆炸沖擊波在傳遞過程中產(chǎn)生疊加，使得振速峰值增加，導致臨近建筑物的振速超出容許值。目前常用的非電雷管各段別間的延遲時間為25 ms，但雷管起爆的時間誤差在5～20 ms 之間，時間誤差隨雷管段別的提高呈增高趨勢。為此，依次設置起爆間隔為5，10，15和20 ms 等4 個工況，分析既有建筑物的振動響應受起爆間隔的影響。

本次計算中，單個炮孔裝藥量為1 kg，單次起爆藥量為3 kg。第1 次起爆遠離3 號線人民會堂站的一列炮孔，第2 次起爆靠近3 號線人民會堂站的一列炮孔。炮孔位置見圖2，2 列炮孔間距1.0 m。圖5為3號線人民會堂站X方向的振速時程曲線。

圖5 不同起爆間隔下3號線人民會堂站的振速響應Fig.5 Vibration velocity response of Hall of the People Station of Line 3 under different detonating interval

由圖可知：

1)起爆間隔由5 ms 增加為20 ms 的過程中，3號線人民會堂站因第2 次起爆產(chǎn)生的振速峰值由-0.98 cm/s 降低為-0.96 cm/s，降低幅度僅2%。3號線人民會堂站因第1 次起爆引起的振動在2.5 ms達到峰值，在5 ms 時已經(jīng)有較大的衰減，幾乎不會與第2次起爆產(chǎn)生振動產(chǎn)生疊加，表明臨近建筑物的振速峰值受爆破時間間隔影響較小，常用雷管段別能滿足起爆間隔控制要求。但從安全的角度考慮，工程中依然應當采用較大的起爆間隔以避免振速峰值疊加。

2) 2 次起爆藥量均為3 kg，3 號線人民會堂站因2 次起爆產(chǎn)生的振動速度峰值分別為-0.54 cm/s和-0.98 cm/s。在爆距相差1.0 m 情況下，振動速度峰值相差約64.62%，表明爆距對臨近建筑物的振動響應有較大影響，與既有研究成果[22]相吻合。該文獻中，最大起爆藥量32 kg 情況下，爆距由16 m 增加為48 m 時，測點振速峰值由51.19 mm/s 降低為3.74 mm/s。

2.4 減震孔

減震孔可以增大巖土體的不均勻性，改變巖土介質中的波阻抗，影響爆破地震波的傳播，從而減小爆破地震波的透射，達到隔震的作用。為此，在掌子面處設置減震孔，分析其在降低既有建筑物振動方面的效果。減震孔分布在掏槽眼周圍，孔深與掏槽眼一致，即100 cm，孔徑依次取為32，100 和200 mm，孔位布置如圖6。模型中，單個掏槽眼裝藥量為0.5 kg，單次起爆藥量為3 kg。圖7 為3 號線人民會堂站X方向的振速時程曲線。為直觀看出減震孔的作用效果，100 mm 和200 mm 減震孔對應的時程曲線向后分別移動5 ms和10 ms。

圖6 掌子面處減震孔布置示意圖Fig.6 Damping hole layout at tunnel face

圖7 不同減震孔下3號線人民會堂站的振速響應Fig.7 Vibration velocity response of hall of the people station of Line 3 under different detonation interval

從中分析可知：

1) 減震孔能降低臨近建筑物的爆破應力及振動響應。隨著減震孔由32 mm 增加為100 mm 和200 mm，3 號線人民會堂站的振速峰值由-0.71 cm/s 降低為-0.69 cm/s 和-0.64 cm/s，降幅分別為2.8%和9.9%。

2) 過小的減震孔不能降低臨近建筑物的爆破應力響應。當減震孔為32 mm 時，3 號線人民會堂站的振速峰值與無減震孔時的相同。既有文獻[23]同樣印證了這一結論，如爆距66 m，裝藥量90 kg情況下，即使采用3排減震孔，減震孔前后測點處的實測振動峰值分別為77.0 mm/s和79.9 mm/s，考慮到可能存在的計量誤差，兩者振速峰值幾乎相同。

3 控制爆破減震效果與驗證

從施工可行性與經(jīng)濟性角度考慮，控制起爆藥量和起爆間隔簡單易行，設置大直徑減震孔會導致施工成本大幅增加，爆源至既有建筑物間的距離幾乎不能改變，故建議從控制起爆藥量和起爆間隔2 個方面控制爆破施工對既有建筑物的影響。

擬定掏槽眼各炮孔裝藥量為0.5 kg，其余炮眼的裝藥量為0.2 kg，2 個導洞與中間洞室的掏槽眼單次起爆藥量分別為3 kg和4 kg，兩側導洞上臺階周邊眼單次起爆藥量最大為5.8 kg。雷管跳段使用，即采用50 ms時間間隔。實際施工過程中，采用TC-6850測振儀及M600自動化采集終端(如圖8)監(jiān)測3號線人民會堂站的振動響應。

圖8 振動測試儀Fig.8 Vibration tester

取新建工程掌子面位于Y=25 m 處為分析工況，即掌子面與水泵房和3號線人民會堂站的對稱軸在同一個XZ平面，提取的3 號線人民會堂站的振速時程曲線如圖9(a)，實測振動時程曲線如圖9(b)。

圖9 新建車站爆破施工誘發(fā)的既有車站振動速度Fig.9 Vibration velocity of existing station induced by blasting construction of new station

從中分析可知：

1) 擬定爆破施工方案能滿足臨近建筑物的爆破振動控制要求。掏槽眼起爆時，3 號線人民會堂站X方向的振動速度最大，峰值約-0.71 cm/s，Y和Z2 個方向的振速峰值分別為-0.33 cm/s 和-0.34 cm/s，均低于其控制值1.5 cm/s，符合爆破施工要求。

2)實測3 號線人民會堂站X方向的振動速度峰值為-0.75 cm/s，Y方向的振動速度峰值為-0.43 cm/s，Z方向的振動速度峰值為-0.62 cm/s。3 個通道的振動速度峰值均在振速容許值1.5 cm/s 范圍內(nèi)，未超出控制容許要求。

3)計算值和實測值均表明，3 號線人民會堂站X方向的振速峰值最大，計算值與實測值的峰值偏差為5.6%，計算模型是可靠的。

4 結論

1) 在降低爆破施工對既有建筑物影響方面，效果顯著性由高至低依次為：控制爆源與建筑物間距離、控制單次起爆藥量、設置大減震孔和增大起爆間隔。爆距相差1.0 m 情況下，3 號線人民會堂站的振速峰值相差約64.62%。對于不采用減震孔和采用32 mm 減震孔2種情況，該建筑物的振速峰值保持不變。

2) 從施工可行性與經(jīng)濟性角度考慮，建議從控制單次起爆藥量和起爆間隔2個方面控制爆破施工對既有建筑物的影響，擬定2個導洞與中間洞室的掏槽眼單次起爆藥量分別為3 kg和4 kg，周邊眼單次起爆藥量最大為5.8 kg，2 次起爆間隔為50 ms。

3)爆破施工期間的實測數(shù)據(jù)顯示，3 號線人民會堂站的振速峰值約-0.75 cm/s，滿足1.5 cm/s 的爆破振動控制要求，該建筑物振速峰值的計算值與實測值偏差為5.6%，分析模型是可靠的。