基坑爆破施工對鄰近建筑物動力影響研究

□文/史 鵬 段景川

隨著我國地下空間的進一步開發、利用，地下工程與地面工程近接施工越來越多，地下工程的施工過程對地面工程造成的影響日益凸顯。基坑爆破施工的動力作用會對鄰近建（構）筑物造成不良影響，嚴重時甚至引起地表沉降、建筑物傾斜、建筑物破壞等重大工程問題[1～2]。

目前，基坑爆破施工對鄰近房屋的影響問題日益受到研究者們的關注。王德寶等[3]通過優化爆破網路、布置減振孔、設置減振爆區等措研究了爆破振動對周邊被保護建筑物的危害；周航生等[4]以杭州地鐵車站開挖工程為例，考慮地鐵車站開挖對周圍土體的影響，采用經驗法公式，根據現有房屋安全評價方法和規范，評估了杭州地鐵車站開挖引起的周圍房屋變形情況；李自林[5]對天津市地鐵二號線曹莊站基坑周邊建筑物沉降進行現場監測，采用曲線擬合最小二乘法對基坑周邊建筑物的監測數據進行了研究；孫東瑞[6]以馬鞍山公園地鐵站施工為例，研究了城市地鐵開挖過程中遇硬巖爆破開挖技術，避免了工程事故的發生，確保了工程進度；劉崗[7]以深圳市廣深港客運專線福田地下車站基坑土石方開挖工程為例，介紹了深基坑在弱風化層施工過程中，采用臺階微差控制爆破+靜態控制爆破綜合技術，通過合理選擇爆破參數、嚴格控制單孔深度、裝藥量、裝藥結構、控制爆破振動強度和飛石危害，使爆破區周圍及基坑結構本身建(構)筑物得到保護。

本文以深圳地鐵7 號線華新北站工程為背景，研究基坑開挖過程中遇硬巖爆破施工對鄰近建筑物的動力影響規律。

1 工程概況

深圳地鐵7 號線華新站北段總長72.063 m，北端巖石呈山包形狀。基坑位置地面地形起伏不大，地面高程一般為14.22～16.55 m，基坑底板設計高程一般為-12 m。車站標準段基坑寬21.8 m，深約26.6 m，頂板覆土平均厚度3.55 m。

基坑豎向設置6道內支撐。第1道為密肋板支撐，密肋板兼做施工期間行車道板，肋間距3 m；第2～6 道均為φ609 mm、壁厚16 mm 的Q235 鋼管支撐，支撐水平間距一般按3 m 布置。基坑西側有圣庭苑酒店，與地下連續墻內的爆破點最近距離為57 m，圣庭苑酒店地下結構與爆破點距離為37 m。

2 工程與地質

華新北站地層由上而下依次為第四系全新統人工堆積層、殘積層，下伏燕山期花崗巖。其中燕山期花崗巖由上而下分別為全風化花崗巖、強風化花崗巖、中等風化花崗巖和微風化花崗巖。全風化花崗巖呈褐紅、灰褐色，風化劇烈，除石英礦物外，其他礦物已風化成土狀，受擾動后易軟化；強風化花崗巖呈褐黃、灰褐色，風化強烈，結構基本破壞，碎塊手折可斷，受擾動后易軟化；中等風化花崗巖呈肉紅、灰褐色，粗粒花崗結構，塊狀構造；微風化花崗巖呈肉紅、灰白色，粗粒結構，塊狀構造，巖體裂隙節理稍發育，裂隙面偶見鐵質浸染，斷面新鮮，巖芯多呈柱狀，少數呈碎塊或者短柱狀。

3 模型建立和參數選取

根據工程實際情況，主要研究基坑開挖并架設鋼支撐后，硬巖爆破時，圣庭苑酒店的動力響應情況，從而指導工程選擇合理的爆破參數，保證周邊建筑物的振動變形在安全范圍內。

3.1 數值模型的建立

有限元模型長82 m、寬200 m、高32 m，見圖1和表1。

圖1 數值模型

表1 模型主要計算參數

3.2 爆破安全基準的選取

根據大量已有的分析資料及相關標準[8]：在保證建筑物安全情況下，爆破振動速度應控制在5 cm/s以下。由打樁、爆炸產生的振動引起的峰值速度應≤2.5 cm/s，綜合考慮各安全控制基準，同時結合深圳地鐵的實際狀況，此次分析爆破振動擬取峰值速度≤2.5 cm/s為基準進行控制。

3.3 模型邊界

在自重作用下達到平衡條件后，施加爆破荷載進行動力計算與分析。模型其表達式為[9]

式中：[C]為阻尼矩陣；[M]為質量矩陣；[K]為 剛度矩陣；α為質量相關的阻尼系數；β為剛度相關的阻尼系數。

根據振型正交條件，待定系數α、β與阻尼比之間應滿足

式中：ξk為阻尼比；ωk為固有頻率。

由體系的自由振動方程可得到固有頻率ωi和ωj并根據室內試驗或現場測試得到阻尼比ξi和ξj，由式（2）可確定α和β。若ωi=ωj，則

式中：ω0為系統的基頻；ξ0為相應振型的阻尼比。

為消除反射波在人工邊界條件上的反射，更好地模擬遠場地球介質彈性恢復性能，模型邊界采用靜態阻尼器人工邊界，阻尼器分別提供法向和切向牽引黏滯力[10]，即

式中：υn為法向速度分量；υs為切向速度分量；p0為邊界材料密度；Cp為P波波速；CS為S波波速。

3.4 爆破方案

根據華新站北端硬巖實際情況，爆破單循環進尺1 m（縱向單位長度取1 m），掏槽孔眼深1 m，硬巖斷面面積約156.78 m2，炸藥單耗量0.20 kg/m3，采用雙楔形掏槽爆破，炮眼橫向間距0.6 m、豎向間距0.7 m，炮眼數量160 個，計算得到單個炮眼用藥量0.195 kg，從而得到單個炮眼的爆破荷載且將其作用在硬巖爆破孔邊緣上。考慮硬巖體積較大，總體分三層爆破，層間爆破間隔0.1 s，每層炮眼同時爆破。見圖2。

圖2 硬巖炮眼布置

根據爆破振動理論分析，爆破荷載可簡化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載，見圖3。

圖3 爆破時程荷載

荷載上升段、下降段作用時間根據相關資料選取。本次計算上升段時間取0.012 s，下降段結束時間取0.100 s，為了解爆破荷載結束后房屋的振動情況，計算總持續時間取2.0 s[11]。

爆破荷載的應力峰值Pmax采用經驗公式求解[12]

式中：Z為比例距離；R*為爆心至荷載作用面的距離，m；Q為炸藥裝藥量，kg。

3.5 監測點布置

為分析圣庭苑酒店在基坑硬巖爆破過程中的動力響應情況，沿圣庭苑酒店水平X方向、水平Y方向及豎直Z方向分別設置數值監測點，記錄各個數值監測點在硬巖爆破過程中的加速度及速度響應情況。見圖4。

圖4 數值監測點布置

4 結果分析

4.1 加速度響應時程

針對華新站北端實際場地條件，計算得到爆破炸藥單耗量為0.20 kg/m3的條件下圣庭苑酒店各個數值監測點的加速度響應情況。

不同程高監測點在硬巖爆破施工下的加速度響應情況見圖5。

圖5 豎直Z方向加速度時程曲線

由圖5可知，在爆破振動作用下，各監測點的加速度響應規律大致相同。基坑爆破釋放階段（0～0.1 s），各高程的加速度突然增大，底層Z1增大到4.2 cm/s2，頂層Z7增大到6.3 cm/s2。炸藥爆炸力釋放完成，即0.1 s時，豎向加速度達到最大值，底層Z1為14.8 cm/s2，頂層Z7為20.1 cm/s2。在1.2 s時，各高程的加速度響應趨于穩定。

分析可知，在基坑遇硬巖爆破施工條件下，圣庭苑酒店的加速度響應隨房屋高程的增加而增加，在炸藥爆炸力釋放完成時，加速度響應在爆炸施工初期達到峰值，隨后逐步減小，房屋逐漸趨于穩定。

X水平距離監測點的加速度響應情況見圖6。

圖6 水平X方向加速度時程曲線

由圖6可知，爆破振動作用下，隨著房屋與基坑爆破點X方向水平距離的增加，加速度響應逐漸越小。在爆破荷載釋放階段（0～0.1 s），各點的加速度突然增大，離爆破點最遠處X7加速度增大到2.2 cm/s2。隨著爆破荷載的逐步釋放，在0.1 s 時，各點加速度均達到最大值，最遠處X7加速度達到11.9 cm/s2。

分析可知，在基坑遇硬巖爆破施工條件下，圣庭苑酒店的加速度響應隨著距離基坑爆破處的X水平距離的增加而減小，在炸藥爆破荷載釋放完成時，加速度響應達到峰值。

Y方向監測點的加速度響應情況見圖7。

圖7 水平Y方向加速度時程曲線

由圖7可知，爆破振動作用下，隨著房屋與基坑爆破點Y方向水平距離的增加，加速度響應變小。在爆破荷載釋放階段（0～0.1 s），各點加速度突然增大，離爆破點最遠處Y7增大到2.8 cm/s2。在0.1 s 時，各點加速度均達到最大值，最遠處Y7達到9.5 cm/s2。在1.2 s時，各點加速度響應趨于穩定。

分析可知，圣庭苑酒店的加速度響應情況隨著距離基坑爆破處的Y水平距離的增加而減小。同時，對比圖6 可知，在水平距離Y方向加速度的減小速度大于水平距離X方向的加速度減小速度。

4.2 速度響應時程

計算得到在爆破炸藥單耗量為0.20 kg/m3的條件下，圣庭苑酒店各個數值監測點的速度響應情況。

不同程高監測點在硬巖爆破施工下的速度響應規律，見圖8。

圖8 豎直Z方向速度時程曲線

由圖8可知，隨著高程的增加，速度響應增大。爆破荷載釋放過程中，各高程速度突然增大，頂層Z7增大到0.43 cm/s。隨著爆破荷載的逐步釋放，在0.1 s 時，豎向速度均達到最大值，頂層Z7達到2.21 cm/s。在1.2 s時，各程高速度響應趨于穩定。

分析可知，圣庭苑酒店的速度響應情況隨著房屋高程的增加而增大，在炸藥爆破力釋放完成時的速度響應達到峰值，隨后逐步減小，逐漸穩定。此與加速度響應規律一致。

X水平距離監測點的速度響應規律見圖9。

圖9 水平X方向速度時程曲線

由圖9可知，在爆破振動作用下，隨著與基坑爆破點X方向水平距離的增加，速度響應減小。爆破荷載釋放過程中，各X水平距離的速度突然增大，離爆破點最遠處X7點速度增大到0.17 cm/s。在0.1 s時，各X水平距離處的速度均達到最大值，最遠處X7點速度達到1.54 cm/s。

Y水平距離監測點的速度響應規律見圖10。

圖10 水平Y方向速度時程曲線

由圖10 可知，在爆破振動作用下，隨著與基坑爆破點Y方向水平距離的增加，速度響應減小。在爆破荷載釋放過程中，各Y水平距離處的速度突然增大，離爆破點最遠處Y7點速度增大到0.18 cm/s。在0.1 s時，各Y距離的速度均達到最大值，最遠處Y7點速度達到1.52 cm/s。在1.2 s 時，各Y水平距離的速度響應趨于穩定。

在基坑硬巖爆破開挖施工過程中，豎直Z方向、水平X方向及水平Y方向的速度相應峰值均＜2.5 cm/s，符合工程安全規定。

4.3 不同炸藥單耗量

由上述分析可知，在爆破作用荷載下，圣庭苑酒店的頂層速度動力響應最大，取其為速度響應的代表值。為分析基坑在不同炸藥單耗量的爆破施工工況下的振動響應情況，計算在0.2、0.3、0.4 kg/m3的炸藥單耗量工況下屋頂的速度時程曲線，見圖11。

圖11 不同炸藥單耗量下速度時程曲線

由圖11 可知，在不同炸藥單耗量工況下，屋頂的速度響應規律基本一致，均表現為在炸藥爆炸荷載釋放過程中，速度響應增加較快，荷載釋放過程完成時，速度響應達到最大值，隨后響應情況逐步衰減，經小幅度振動后趨于平穩。當炸藥單耗量為0.2 kg/m3時，屋頂速度響應在0.1 s處達到最大值2.21 cm/s，在安全控制標準的范圍內；當炸藥單耗量為0.3 kg/m3時，屋頂速度響應在0.1 s處達到最大值為2.48 cm/s，雖在安全控制標準的范圍內，但已接近控制標準；當炸藥單耗量為0.4 kg/m3時，屋頂速度響應在0.1 s 處達到最大值為2.91 cm/s，超出安全控制標準的規定值2.5 cm/s。

5 結論

1）基坑開挖遇硬巖爆破施工會引起鄰近房屋的振動且在爆破荷載釋放過程中，房屋的動力響應增長較快，在爆破荷載釋放完成時，房屋的振動響應最大，隨后經小幅度振動后，逐步衰減至穩定。

2）爆破振動過程中，沿房屋各方向的振動響應增長或衰減情況有所差異。振動響應隨著高程增加而增大，隨著水平X 方向距離和水平Y 方向距離增加而減小且隨離爆破點的距離增加，沿水平Y 方向響應衰減速度大于水平X方向。

3）基坑開挖爆破施工過程中，圣庭苑酒店的振動響應隨炸藥單耗量的增加而增大且當炸藥單耗量為0.3 kg/m3時，各監測點的振動速度臨近工程安全規定限值，可作為爆破施工的炸藥單耗量控制值，從而保證基坑施工中臨近房屋的安全。