隧道爆破施工對(duì)地表建筑物的振動(dòng)影響與爆破控制技術(shù)分析

■張舒寧

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

隨著現(xiàn)代土木工程技術(shù)的發(fā)展以及交通需求的不斷提高，鄰近和交叉工程實(shí)例越來(lái)越多，爆破施工引起鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)損傷， 以及對(duì)周邊居民生活的影響也越來(lái)越大。城市隧道所處環(huán)境復(fù)雜，周邊建筑物密集，爆破振動(dòng)速度的控制顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鄰近爆破的研究越來(lái)越深入，陳晶鑫[1]詳細(xì)分析了采石場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置要點(diǎn)，提出相應(yīng)的控制措施。 趙凱等[2]結(jié)合南京地鐵4 號(hào)線鼓樓站爆破施工現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，對(duì)比分析了單孔爆破和多孔孔間毫秒延遲爆破對(duì)省級(jí)保護(hù)文物的影響。 繆圓冰等[3]研究了地面大面積爆破對(duì)下方營(yíng)運(yùn)隧道的影響，提出了爆破振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)。

在工程初步設(shè)計(jì)階段，數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)確定爆破方案的可行性和工程量具有重要的參考價(jià)值。 因此在已研究的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)以潭頭隧道為工程背景， 采用Midas 軟件進(jìn)行三維有限元爆破動(dòng)力分析，模擬隧道不同爆破藥量對(duì)鄰近地表歷史建筑群的影響，并進(jìn)一步確定隧道控制爆破的合理藥量。

1 工程概況

潭頭隧道設(shè)計(jì)速度100 km/h，平均長(zhǎng)度2 846.5 m，為雙向六車道隧道，單洞開(kāi)挖跨徑達(dá)16.5 m。 隧道穿越的山體左側(cè)地表有一處占地4 hm2多的蒲竺寺建筑群，距今已有800 多年的歷史，該組建（構(gòu)）筑物坐落在高地上，基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)狀良好。

潭頭隧道工程與蒲竺寺相距較近，其中隧道左線ZK7+682～ ZK7+734 區(qū)間與蒲竺寺建筑群最近水平距離約40 m。 該段落圍巖為微風(fēng)化凝灰熔巖，隧道鉆爆施工產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生一定的影響。

潭頭隧道與蒲竺寺相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。 其中左線樁號(hào)ZK7+705 距離蒲竺寺建筑物最近，豎向垂直距離約為37 m，水平距離約為41 m，隧道爆破開(kāi)挖斷面與蒲竺寺的最短斜向直線距離為55 m。

圖1 潭頭隧道與蒲竺寺相對(duì)位置示意圖

2 爆破控制標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動(dòng)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此針對(duì)不同的振動(dòng)源和保護(hù)對(duì)象應(yīng)制定不同的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。 GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定一般古建筑物與古跡的質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度不得大于0.1～0.5 cm/s。 但是由于古建筑物和保護(hù)文物具有明顯的個(gè)體差異性，建筑材料、結(jié)構(gòu)形式以及變形敏感性都各不相同，難以確定統(tǒng)一的允許振速標(biāo)準(zhǔn)。

將國(guó)內(nèi)典型的臨近文保建筑爆破工程概況及允許振速標(biāo)準(zhǔn)匯總于表1，可知對(duì)于古代佛像和磚石塔類保護(hù)建筑的允許振速要求相對(duì)較高。 尤其是磚石塔類建筑多為高聳結(jié)構(gòu)，塔尖受外力作用下易產(chǎn)生鞭鞘效應(yīng)，且磚石為脆性材料，砌體多存在裂縫，抗震能力較差，因而對(duì)爆破振動(dòng)更為敏感[4]。

表1 工程類比匯總

蒲竺寺占地4 hm2多，由大雄寶殿、仙君殿、觀音殿、浮云塔、五百羅漢山等五大部分構(gòu)成。 該組建（構(gòu)）筑物坐落在高地上，基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)狀良好。 寺中大量磚石結(jié)構(gòu)和雕塑對(duì)變形較敏感，其中浮云塔為七層石塔，塔高36 m，為閩江南岸第一高塔。 根據(jù)蒲竺寺歷史建筑群的現(xiàn)狀， 結(jié)合GB6722-2014 《爆破安全規(guī)程》 相關(guān)規(guī)定和工程類比，初步確定爆破振動(dòng)安全允許振速為0.1 cm/s。

3 三維有限元爆破動(dòng)力分析

3.1 三維有限元模型

為了減小爆破對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響， 確定控制爆破藥量及爆破范圍，本研究采用Midas 軟件進(jìn)行了三維有限元爆破動(dòng)力分析。 分析中作了以下基本假定：（1）圍巖采用理想彈塑性本構(gòu)，Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則；（2）結(jié)構(gòu)采用理想彈性模型；（3）考慮掏槽孔微差起爆，僅對(duì)掏槽爆破進(jìn)行分析，爆破荷載采用美國(guó)國(guó)家公路協(xié)會(huì)公式。

模型計(jì)算范圍為樁號(hào)YK7+652～YK7+952，隧道模型見(jiàn)圖2、3，其中圍巖采用實(shí)體單元，隧道初期支護(hù)采用板單元，建筑柱子采用梁?jiǎn)卧?，樓板采用板單元?/p>

圖2 計(jì)算模型圖

3.2 邊界條件及參數(shù)選取

模型地表為自由邊界，其余各邊界在特征值分析時(shí)定義為彈性邊界，在動(dòng)力計(jì)算分析時(shí)則采用粘彈性邊界。

巖體的動(dòng)彈性模量Ed都普遍大于靜彈性模量Eme，而巖體的裂隙發(fā)育情況對(duì)動(dòng)彈性模量的取值影響較大。 根據(jù)勘察資料，隧道圍巖主要為微風(fēng)化凝灰熔巖，巖體較完整，以塊狀構(gòu)造為主；其間存在1條1～2 m 壓扭性節(jié)理密集帶，巖體較破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)。

圖3 隧道與建筑的空間相對(duì)關(guān)系示意圖

一般情況下堅(jiān)硬完整巖體Ed/Eme為1.2～2.0，風(fēng)化、裂隙發(fā)育的巖體和軟弱巖體Ed/Eme為1.5～10.0。由于缺少動(dòng)彈模的實(shí)測(cè)資料，為分析動(dòng)彈模取值對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的影響，分別取靜彈模1、2、5、8 及10 倍進(jìn)行計(jì)算，得到同一位置的振動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2 可知，其余條件相同時(shí)時(shí)，動(dòng)彈性模量取值越大，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度越小。 本工程圍巖總體較為完整， 絕大部分圍巖的Ed/Eme在1.2～2.0，取靜彈模進(jìn)行計(jì)算的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度誤差小于18.5%。按最不利情況考慮，取動(dòng)彈模等于靜彈模進(jìn)行計(jì)算。

表2 動(dòng)彈性模量取值影響分析

計(jì)算中采用的圍巖參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 圍巖計(jì)算參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 蒲竺寺建筑群范圍內(nèi)爆破振動(dòng)變化規(guī)律

為得到滿足爆破控制標(biāo)準(zhǔn)的單段最大爆破藥量， 首先在距蒲竺寺最近的最不利位置樁號(hào)ZK7+705，按不同炸藥量進(jìn)行爆破計(jì)算分析。 圖4 為計(jì)算中在蒲竺寺建筑群布置的振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布在A、B 兩條測(cè)線上， 其中A 測(cè)線表示地藏殿靠近隧道側(cè)的邊界線，B 測(cè)線表示功德亭靠近隧道側(cè)的邊界線。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

首先選取單段最大裝藥量30 kg 進(jìn)行爆破動(dòng)力分析。 圖5 為在蒲竺寺建筑群范圍內(nèi)爆破振動(dòng)最大速度云圖，可知蒲竺寺建筑群范圍內(nèi)地表最大振動(dòng)速度為0.377 cm/s，位于功德亭邊界線附近，爆心距為60.85 m，距爆心水平距離為41 m。 此處的速度歷程曲線見(jiàn)圖6，振動(dòng)速度峰值發(fā)生在0.86 s。

圖5 藥量30 kg 時(shí)測(cè)線爆破振動(dòng)速度

圖6 藥量30 kg 時(shí)最大爆破振動(dòng)速度歷程曲線

為了分析質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的衰減規(guī)律，繪制振動(dòng)速度隨爆心距的變化曲線見(jiàn)圖7。

圖7 藥量30 kg 時(shí)爆心至蒲竺寺方向振速衰減曲線

由圖7 可知，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在距爆心較近距離時(shí)呈指數(shù)迅速衰減，但衰減幅度在遠(yuǎn)區(qū)減緩。 繪制蒲竺寺范圍內(nèi)質(zhì)點(diǎn)爆破振速隨水平距離衰減曲線見(jiàn)圖8，可知當(dāng)單次最大爆破藥量為30 kg 時(shí)，在蒲竺寺范圍內(nèi)振動(dòng)速度衰減較慢，當(dāng)距離爆源的水平距離達(dá)到91 m 以外時(shí)振動(dòng)速度值小于0.1 cm/s。

圖8 蒲竺寺范圍內(nèi)振速隨水平距離衰減曲線

為了分析質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨藥量的變化規(guī)律，分別采用藥量10、15、20 kg 進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算， 將各工況下蒲竺寺建筑群監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同爆破藥量作用下監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度曲線

4.2 振動(dòng)衰減經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)擬合

國(guó)內(nèi)外大量實(shí)測(cè)結(jié)果表明，反映爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量與炸藥量、爆心距、巖土性質(zhì)及場(chǎng)地條件等因素有密切關(guān)系，且爆破振動(dòng)強(qiáng)度與炸藥量成正比，與質(zhì)點(diǎn)距離成反比，大致符合以下形式的經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

式中，A 為反應(yīng)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量；Q 為炸藥量，R 為爆心至測(cè)點(diǎn)的距離。

GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中采用的薩道夫斯基公式即為式（1）的特殊形式：

從圖10、11 的對(duì)比結(jié)果可知，公式（4）的擬合效果較好。

圖10 蒲竺寺范圍內(nèi)V～R 曲線對(duì)比

4.3 單段最大爆破藥量建議值

圖11 R=60.85 m 處V～Q 曲線對(duì)比

將蒲竺寺建筑群最大爆破振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)的爆心距R=60.85 m 代入式（4），可以得到允許振速標(biāo)準(zhǔn)為0.1 cm/s 時(shí)ZK7+705 斷面爆破允許最大單段裝藥量為18.2 kg。

另外，根據(jù)本研究得到的振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式，還可以快速得到相同爆破藥量下蒲竺寺建筑群內(nèi)不同保護(hù)對(duì)象的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度， 以及不同允許振速標(biāo)準(zhǔn)下的近接施工段落的爆破施工最大單段藥量， 可以有效指導(dǎo)后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)和隧道施工。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于振動(dòng)和變形敏感的文保建筑應(yīng)結(jié)合工程類比、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)確定安全允許振動(dòng)限值。 （2）隧道圍巖較為堅(jiān)硬完整時(shí)，爆破振動(dòng)衰減較慢，在沒(méi)有實(shí)測(cè)動(dòng)彈性參數(shù)時(shí)，采用靜彈性參數(shù)進(jìn)行分析誤差相對(duì)較小。 （3）質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在距爆心較遠(yuǎn)時(shí)衰減幅度減緩，不宜采用薩道夫斯基公式進(jìn)行擬合，而應(yīng)選用衰減公式的一般形式。 （4）在初步設(shè)計(jì)階段，可通過(guò)三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)擬合，確定進(jìn)行爆破的可行性和爆破藥量，為工程方案的確定提供依據(jù)，并可對(duì)后續(xù)施工提供參考。