深基坑爆破地震危害控制研究

湯世明

(中鐵十六局集團云南工程指揮部，云南昆明 650200)

0 引言

地鐵有著運量大、快速、安全、節能等優點，多數城市開始著力優先發展以地鐵為骨干的城市公共交通系統。在我國，基巖分布較廣泛，常常在地鐵基坑開挖中出現，嚴重影響著地鐵施工質量和施工進度。實際施工中一般采用爆破破除基巖，但容易誘發爆破地震，由此對周邊建筑物造成一定破壞［1］。而地鐵工程一般處在建筑密集的地區，且地鐵基坑圍護結構本身也容易遭受爆破地震的影響，因此降低爆破對周邊結構的危害成為一大難題。

本文以某地鐵工程基坑施工為例進行分析研究，從建筑物在爆破地震波作用下的振動破壞機理入手，對爆破地震效應深入研究，探討避免爆破地震對附近既有設施造成危害的措施和方法，為類似工程施工提供一定的參考。

1 爆破地震波作用下建筑物振動破壞機理

炸藥爆破時，大部分能量用于破巖，并以波動形式向周邊傳播，對構造物造成一定振動。爆破地震波的大小主要受自身爆破威力及傳播介質影響，另外，爆破引起的斷層滑移造成地面破壞、滑坡和巖崩也都會引起工程建(構)筑物的破壞。因此，爆破地震對建筑物振動破壞是多種因素的綜合性現象［3］。

1.1 深基坑夾生效應的影響

深基坑通常為狹長窄深形基坑，在基坑爆破開挖的時候，由于爆破沖擊波在遇到基坑側壁時會反射，反射后的與原沖擊波可能產生疊加，加強原沖擊波的能量，從而對地面建(構)筑物產生更大的損傷。

1.2 單響藥量及爆源相對位置的影響

根據《爆破安全規程》及行業經驗，爆破振動強度多采用薩道夫斯基公式來驗算，公式如下:

式中:V——安全允許的質點振動速度，cm/s;

K——與介質和爆破條件因素有關的系數;

Q——一次齊發最大藥量，kg;

R——爆源至保護建筑的距離，m;

α——振動衰減系數。

由式(1)可以看出，當Q減小，可以有效的降低爆破振動速度，因此一方面可以降低單孔裝藥量，另一方面可以通過毫秒微差爆破實現各孔微差爆破，以實現降低單響藥量。

同理，由式(1)可以看出，當R增大，亦可以有效的降低爆破振動速度，因此可以通過調整炮孔與受保護建筑物距離來實現降低爆破振動速度［4，5］。

1.3 炮孔尺寸的影響

由前分析可以看出，深基坑場地特殊，而炮孔孔徑和爆源深度對爆破振動衰減規律的影響也主要表現在場地系數K上。根據工程經驗，在基坑前沖向布置測點，分別測得深孔爆破和淺孔爆破時的豎直向振動速度，歸納出這兩種爆破條件下的振動衰減公式如下:

深孔爆破:

淺孔爆破:

對比公式，148≥10，同等條件下，深孔爆破遠比淺孔爆破的爆破地震能量幅度大。因此在地鐵基坑開挖時，通過調整炮孔尺寸可有效的降低爆破振動速度，以達到降低爆破振動危害的效果［2，3］。

1.4 炮孔堵塞的影響

一般情況下，炮孔堵塞后，可防止爆炸砌體直接從炮孔沖出，從而減少爆炸能量的損失。堵塞可以延長爆破沖擊波和應力波的作用時間，造成爆破威力加大。但堵塞時間過長、堵塞過密，雖造成孔內能量不損失，但更大的是增加了爆破地震能量幅度。

2 工程實例

2.1 工程簡介

某城市地鐵工程在地貌上屬于斷陷湖積盆地，沿線分布丘陵淺埋層、第四系湖積層(含粘土、圓礫土、粉土、砂礫壓粘土)、第四系洪積層(含圓礫土、粉土、壓粘土、粉砂、砂礫、泥炭土)、第四系殘積層(含殘積土、巖粘土)、寒武系泥質粉砂巖。而車站基坑內有廢棄混凝土結構及寒武系泥質粉砂巖，機械開挖困難，因此采用松動爆破的開挖方式。

該站圍護結構采用φ1 000@1 600灌注樁，支撐體系采用16 mm厚φ609鋼支撐，如果爆破振動對圍護結構造成損傷，將嚴重影響基坑安全。另外該基坑處在城市中心，周圍為居民生活區，如果控制不當，會造成生命財產損失，因此要采取措施，嚴格控制爆破振動和飛石帶來的危害。

2.2 圍護結構保護措施

1)分段淺孔爆破。

從上分析可以看出，要控制該站基坑開挖爆破振動危害，通過分區分塊開挖，并且采用淺孔爆破，可以降低單響藥量，增加爆破臨空面，以起到控制爆破振動的效果，見圖1。

圖1 基坑分區分層開挖示意圖

2)微差控制爆破。

在基坑開挖時采用非電毫秒導爆雷管起爆，各區分兩次起爆。通過孔內使用高段位的MS15，孔外低段位雷管接力，將各孔起爆時間延開，降低單響藥量，同時為后起爆孔提供臨空面，避免爆破振動波疊加，達到降低爆破振動危害的效果。

3)爆破振動速度驗算。

根據以上爆破控制措施，實現單響藥量Q=1.11 kg，爆源距圍護結構距離R=8.50 m;根據廣電大學站基坑巖石特點，取K=300;α =2.0。

代入式(1)得:

根據《爆破安全規程》可知:新澆大體積混凝土(齡期7 d～28 d)安全允許振速為 7.0 cm/s～12 cm/s。本次V=4.45 cm/s＜7 cm/s，故安全。

3 結語

地鐵工程一般處在人口密集的繁華地帶，因此將爆破技術應用于地鐵工程，是將爆破環境約束復雜到極點的典型，處理不好將造成惡劣的社會效應和嚴重的經濟損失。本文通過研究減小基坑爆破沖擊波，降低對周邊建筑及基坑結構的影響，保證了地鐵工程的順利進行，并且研究成果可以直接應用于本地區今后的地鐵、公、民用建筑以及市政工程等領域的建設，也可為其他地質條件下的深基坑工程設計施工提供借鑒。

［1］蔡路軍，馬建軍，江 兵.考慮振動頻率的爆破振動安全標準的探討［J］.巖石力學，2006，27(3):24-27.

［2］李洪濤，盧文波，舒大強，等.P波作用下的襯砌混凝土爆破安全振動速度研究［J］.爆炸與沖擊，2007，27(1):34-39.

［3］李洪濤，舒大強.爆破震動衰減規律影響因素分析［J］.武漢大學學報(工學版)，2005，38(1):79-82.

［4］Wu Chengqing，Hao Hong.Numerical study of characteristics of underground blast induced surface ground motion and their effect on above-ground structures.Part I.Ground motion characteristics［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2005，25(1):27-38.

［5］Hao Hong，Wu Chengqing.Numerical study of characteristics of underground blast induced surface ground motion and their effect on above-ground structures.Part II.Effects on structural responses［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2005，25(1):39-53.

［6］陳明輝.隧洞開挖爆破對鄰近建筑物的振動影響分析［J］.廣東土木與建筑，2004(5):42-44.

［7］鄒海清，宋光明.建筑物爆破震動危害機制及破壞判據的確定［J］.采礦技術，2005，5(2):63-64，86.

［8］張金泉，魏海霞.爆破震動測試技術及控制措施［J］.中國礦業，2006，15(6):65-67.