抗滑樁開挖爆破振動(dòng)對(duì)民房影響研究

吳建兵 ,楊招偉 ,張文龍 ,陳步高 ,徐馳

（1 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 311121；2 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢 430010；3 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北宜昌 443002）

0 引言

鉆孔爆破目前仍是工程建設(shè)過(guò)程中巖體開挖的主要手段。巖體開挖時(shí)，炸藥爆炸釋放的能量除用于巖體破碎外，一部分能量還以地震波的形式向外傳播，不可避免地對(duì)傳播路徑上的民房等造成影響。

爆破對(duì)周邊民房等建筑物的影響評(píng)價(jià)大多采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)整個(gè)開挖過(guò)程進(jìn)行控制[1-3]。隨著我國(guó)居民法律意識(shí)及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，爆破負(fù)面效應(yīng)對(duì)鄰近民居的影響越來(lái)越受到人們的關(guān)注，極有必要開展爆破振動(dòng)作用對(duì)周邊民房的影響分析研究。

本文通過(guò)分析四川白鶴灘水電站遷建集鎮(zhèn)抗滑樁開挖爆破實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，參照薩道夫斯基公式對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律進(jìn)行回歸分析，并結(jié)合爆破相關(guān)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，確定了爆破振動(dòng)影響范圍，對(duì)其作用下的民房破壞情況進(jìn)行了評(píng)估，提出了相應(yīng)的工程控制措施。

1 項(xiàng)目概況

四川省寧南縣白鶴灘鎮(zhèn)遷建新址位于原白鶴灘鎮(zhèn)下游3.2km 的新建斜坡上。新址位于該斜坡中部，東側(cè)邊界為1 號(hào)公路，南側(cè)邊界為2# 沖溝，北側(cè)邊界為5# 沖溝，場(chǎng)地地勢(shì)西高東低，高程在830～1060m 之間，有一定的起伏，地形坡度總體較陡（約20°）。白鶴灘鎮(zhèn)規(guī)劃新址西接白跑公路，為原白鶴灘鎮(zhèn)與跑馬鄉(xiāng)通鄉(xiāng)的重要連接道路。遷建集鎮(zhèn)開挖爆破開挖區(qū)與民房分布如圖1 所示。

圖1 白鶴灘遷集鎮(zhèn)開挖施工區(qū)與民房分布

遷集鎮(zhèn)抗滑樁開挖爆破采用垂直中空直眼掏槽爆破法，選取2# 巖石乳化炸藥，非電毫秒雷管(1～20 段)，32mm×20cm 規(guī)格的藥卷。用炮泥堵塞所有裝藥炮眼，堵塞長(zhǎng)度不小于25cm。為保證炸藥起爆的可靠性和準(zhǔn)確性，采用復(fù)式起爆網(wǎng)路。

由圖1 可知，開挖區(qū)附近分布有大量民房建筑物（新建村民居），且基本都在征地紅線以外，周邊房屋及其他生活基礎(chǔ)設(shè)施不可避免地會(huì)受開挖爆破影響。

2 爆破振動(dòng)破壞機(jī)制及控制標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)作用下民房等建筑物的動(dòng)力響應(yīng)程度與振動(dòng)峰值、頻率，民房結(jié)構(gòu)特征等密切相關(guān)，用結(jié)構(gòu)對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)，可以很好解釋爆破引起的建筑或結(jié)構(gòu)的損傷。建筑物在動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生裂縫的根本原因，就是建筑物各部分在擾動(dòng)作用下產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)位移或運(yùn)動(dòng)。

建筑物在一個(gè)振動(dòng)脈沖傳播經(jīng)過(guò)時(shí)，其本身受應(yīng)力波的能量影響，在輸入脈沖的振動(dòng)頻率段內(nèi)將產(chǎn)生受迫振動(dòng)。當(dāng)該脈沖完全經(jīng)過(guò)后，建筑物將進(jìn)行自由振動(dòng)，頻率為自振頻率，采用其自振波形可得到建筑物的自振頻率。為估算結(jié)構(gòu)的自振頻率，Newmark和Hall（1982）建議了如下所示的簡(jiǎn)單公式：

式中：L 為建筑物的寬度，h 為建筑物的高度。

白鶴灘遷集鎮(zhèn)附近土坯房寬約7～10m，單層高度5m 左右，兩層磚房高約8～9m，根據(jù)式（1）可估算其自振頻率約在20～40Hz 之間。

針對(duì)不同類型民房等建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)影響評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)分區(qū)使用不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)白鶴灘遷集鎮(zhèn)爆破開挖可能影響區(qū)內(nèi)民房的調(diào)查結(jié)果，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，建議白鶴灘遷集鎮(zhèn)安全控制爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 白鶴灘遷集鎮(zhèn)安全控制爆破振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

3 影響分析

3.1 振動(dòng)速度分布

對(duì)白鶴灘遷集鎮(zhèn)抗滑樁開挖爆破共進(jìn)行了42 次監(jiān)測(cè)，獲取有效振動(dòng)數(shù)據(jù)126 個(gè)（每點(diǎn)次包含水平徑向、水平切向及垂直向三個(gè)方向，42×3=126），分析新建村房屋受爆破的影響。

監(jiān)測(cè)儀器采用TC-4850 爆破監(jiān)測(cè)儀，由成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)，測(cè)試精度為0.001cm/s，振動(dòng)幅值測(cè)試范圍為0～34.5 cm/s，采樣頻率為8000Hz，所用三向振動(dòng)傳感器頻響范圍為0～1000Hz。

按高于允許標(biāo)準(zhǔn)上限、允許標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍、低于允許標(biāo)準(zhǔn)下限這三個(gè)區(qū)間，對(duì)不同主頻的實(shí)測(cè)峰值振動(dòng)速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，測(cè)試點(diǎn)距離爆源均在不同距離范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 可以看出，實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)中88.9%的振動(dòng)峰值低于允許標(biāo)準(zhǔn)下限，不會(huì)影響該區(qū)域內(nèi)的建筑物；9.8%的峰值在允許標(biāo)準(zhǔn)上限與下限之間，依照規(guī)范處于損傷閾值范圍；1.3%的峰值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上限，磚房和土坯房等民用建筑受其危害較大。

圖2 民居爆破振動(dòng)頻率分布

3.2 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

爆源參數(shù)和場(chǎng)地條件與爆破地震波的衰減有較大關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)預(yù)測(cè)爆破地震波衰減規(guī)律，普遍采用薩道夫斯基公式，如式（2）所示：

式中：ν 為峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；Q 為單響藥量，kg；r 為爆心距，m；K、α 是與爆破方法、場(chǎng)地條件相關(guān)的系數(shù)。

選取2019 年3 月30 日抗滑樁掏槽爆破結(jié)果，評(píng)估掏槽爆破對(duì)周邊民房的影響。在試驗(yàn)區(qū)后方布置4 個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)（圖3），實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)結(jié)果如表2 所示，2# 測(cè)點(diǎn)典型振動(dòng)波形如圖4 所示。

表2 試驗(yàn)區(qū)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3 爆破振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)布置示意圖

圖4 2#測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)波形

爆破振動(dòng)的擬合結(jié)果如圖5 所示。圖中，R2為表征擬合程度高低的相關(guān)系數(shù)。可以看出，水平徑向、水平切向和豎直向三項(xiàng)PPV 擬合效果良好，擬合系數(shù)都在0.8 以上。

圖5 典型爆破誘發(fā)振動(dòng)擬合結(jié)果

3.3 民房等建筑物安全控制措施

（1）抗滑樁掏槽爆破時(shí)，要嚴(yán)格控制最大單段藥量。通過(guò)分析爆破地震波的傳播與衰減規(guī)律，得出了不同單段藥量與爆心距的關(guān)系，如表3 所示。

表3 爆心距與允許單段最大藥量關(guān)系表

采用高精度毫秒雷管，選取合適孔間、排間間隔時(shí)間，將爆破總藥量分配到各個(gè)爆破部位，可降低單段起爆藥量。

（2）裝藥前認(rèn)真檢查各個(gè)炮孔成孔情況及抵抗線大小，及時(shí)調(diào)整爆破裝藥量。

（3）抗滑樁掏槽爆破過(guò)程中，降低巖體夾制作用，且應(yīng)合理選擇掏槽方式。

（4）嚴(yán)格保證堵塞質(zhì)量，控制堵塞長(zhǎng)度，做好炮孔堵塞工作；為避免爆破飛石傷害事故，堵塞物中嚴(yán)禁夾雜碎石。

4 結(jié)論

針對(duì)白鶴灘遷集鎮(zhèn)抗滑樁的掏槽爆破開挖問(wèn)題，用半年時(shí)間對(duì)周邊建筑物進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，研究爆破振動(dòng)對(duì)民房的影響，得到如下結(jié)論：

（1）結(jié)合國(guó)家規(guī)程規(guī)范，通過(guò)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)分析，提出了適合白鶴灘遷集鎮(zhèn)抗滑樁在掏槽爆破作用下影響周邊民房的安全控制振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）較國(guó)標(biāo)中規(guī)定的土坯房安全控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，建議標(biāo)準(zhǔn)偏保守，但從控制爆破開挖對(duì)周圍的環(huán)境影響及減少民事糾紛的角度來(lái)看，在滿足施工要求的前提下，其用于該工程是合適的；

（3）當(dāng)爆破最大段藥量控制在30kg 內(nèi)，振動(dòng)不會(huì)對(duì)新建村民房造成損害。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，由爆破飛石引起的民房損害事故，可采用保證炮孔堵塞質(zhì)量和堵塞長(zhǎng)度的方法來(lái)避免。