地鐵車站暗挖鉆爆施工振動分析與控制研究

王劍明

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司 上海 200071)

1 引言

爆破在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但是爆破也會產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)。爆破產(chǎn)生的爆破振動、空氣沖擊波、噪聲、飛石、煙塵等有害效應(yīng)[1-3]，是爆破工作者需要密切關(guān)注的問題。其中爆破振動被公認(rèn)為爆破破壞作用“三大公害”之首，尤其需要重點(diǎn)防護(hù)[4-5]。在地鐵車站鉆爆開挖中，爆破振動有可能會引起管線破裂、地面沉降、周邊建筑開裂等一系列的破壞，給城市建設(shè)及居民的正常起居生活帶來不可預(yù)估的損失[6]。

國際上自二戰(zhàn)以后開始關(guān)注爆破振動安全問題，國內(nèi)在20世紀(jì)70年代之后，對爆破振動傳播規(guī)律、與天然地震的異同、主要影響因素、工程施工中的控制技術(shù)、觀測方法和手段、建(構(gòu))筑物受振的動力反應(yīng)計(jì)算、安全評定標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行大量的科學(xué)研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，取得了一大批有益于爆破振動安全控制的成果[7]。但是，要針對爆破振動速度多個影響因素，如最大段裝藥量、總裝藥量、距離、爆破參數(shù)、起爆方案、高差等進(jìn)行分析卻很難[8]。所以，本文試圖對地鐵車站暗挖鉆爆法開挖施工時(shí)爆破振動進(jìn)行系統(tǒng)性分析并在分析的基礎(chǔ)上制定控制方法，最終達(dá)到控爆減振效果。

2 工程概況及鉆爆方法

2.1 車站概況

重慶市軌道交通環(huán)線洪湖路站為地下單拱雙層島式車站，總長620.81 m，頂部覆土層厚約17～21 m。巖層產(chǎn)狀較平緩，未發(fā)現(xiàn)斷層通過。巖體基本質(zhì)量等級:砂質(zhì)泥巖為Ⅳ級，砂巖、強(qiáng)風(fēng)化層巖石為Ⅲ級。地下水主要為大氣降水，地面溝、塘水體滲漏以及城市地下排水管線滲漏補(bǔ)給，水文地質(zhì)條件簡單。

車站位于洪湖東路主干道下方，沿洪湖東路呈東西向布置。車站北側(cè)主要有財(cái)富大廈(5層)、財(cái)富中心國際公寓居住小區(qū)、銀行大廈(7層)等建筑物。

2.2 暗挖鉆爆法開挖

車站主體利用兩組施工通道進(jìn)入工作面，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑暗挖鉆爆法施工，分九步(左中右、上中下分九個部分)開挖，開挖總斷面積為414.2 m3，其中上導(dǎo)坑開挖斷面積約67.5 m2，如圖1所示，循環(huán)進(jìn)尺為0.8～2.7 m，爆破方量約為100～120 m3。

采用中心楔形掏槽爆破方法，導(dǎo)爆管雷管簇聯(lián)網(wǎng)路，電雷管起爆；孔內(nèi)秒延期導(dǎo)爆管雷管，即2 s、3 s、4 s、5 s、6 s、7 s 非電導(dǎo)爆管雷管順序起爆。 每次爆破孔深不一致。上、下導(dǎo)坑炮孔爆破參數(shù)見表1。

圖1 車站上部導(dǎo)坑開挖現(xiàn)場

表1 車站導(dǎo)坑暗挖爆破參數(shù)

3 監(jiān)測方案

考慮爆破施工項(xiàng)目監(jiān)測實(shí)施階段，車站開挖距離5層財(cái)富中心較遠(yuǎn)，開挖區(qū)域主要集中于財(cái)富大廈C座和銀行大廈之間的區(qū)段。因此，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測許可條件和相關(guān)規(guī)定，確定銀行大廈為爆破振動主要監(jiān)測對象，其到車站開挖邊線的水平距離約為8 m。并且，考慮車站路面交通繁忙，沿途周邊管線較多，地表周邊建(構(gòu))筑物及民房密集，對鉆爆開挖影響較大位置也布設(shè)了監(jiān)測點(diǎn)。

對7層銀行大廈，監(jiān)測部位包括大廈負(fù)1層、負(fù)2層和二層。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集儀器為中科測控研制的TC-4850型爆破測振儀，3 Axies傳感器。傳感器考慮頻率響應(yīng)、動態(tài)量程和系統(tǒng)標(biāo)定三方面，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合監(jiān)測工作要求。在進(jìn)行信號采集前，還應(yīng)注意詳細(xì)檢查儀器，包括觸發(fā)電平、觸發(fā)方式、采樣率、量程等項(xiàng)目。監(jiān)測數(shù)據(jù)(部分)如表2，包括樓房水平與垂直方向最大振動速度、主振頻率和振動持續(xù)時(shí)間。

表2 _車站建筑物振動監(jiān)測成果表(部分)

4 爆破振動響應(yīng)分析

為了保證地面建筑物不受爆破振動影響而產(chǎn)生變形甚至破壞，隧道鉆爆開挖需要將爆破振動強(qiáng)度控制在一個許可范圍內(nèi)，若建筑物爆破振動強(qiáng)度值超過了許可閾值，則不安全。表3為《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中給出的部分建筑物的安全振動速度，分析時(shí)作為重要參考依據(jù)。

表3 部分建筑物爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

4.1 爆破振動強(qiáng)度

根據(jù)爆破理論可知，以振動質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻三個相互垂直方向(x、y、z)上的矢量值表示該質(zhì)點(diǎn)空間運(yùn)動速度，為:

根據(jù)銀行大廈HDJ-1部位監(jiān)測點(diǎn)No1振動監(jiān)測值繪制的振動波形及三矢量振動合速度如圖2所示。該次爆破單段藥量不大，爆心距比較遠(yuǎn)，水平Y(jié)方向最大振動速度為0.862 71 cm/s，垂直Z方向最大振動速度為0.940 50 cm/s，最大合速度(峰值)為1.204 52 cm/s，峰值出現(xiàn)時(shí)刻在0.008 6 s。

由實(shí)測值并結(jié)合相關(guān)資料，綜合分析，歸納爆破振動速度影響理論如下:

(1)爆破振動作用下建(構(gòu))筑物在垂直方向峰值振動速度大于水平方向振動速度，水平切向振動速度大于水平徑向振動速度。

(2)建(構(gòu))筑物對峰值爆破振動速度(水平方向與垂直方向)具有放大效應(yīng)。

(3)同等爆破作業(yè)條件下，隨著爆心距的增加，爆破引起的建筑物峰值振動速度(三向)衰減特性遵守回歸規(guī)律。

(4)測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)在三個方向上振動能量比較大的峰值振動速度出現(xiàn)的時(shí)刻不同，但基本集中于某個時(shí)間段內(nèi)。

4.2 爆破振動頻率

研究時(shí)，將爆破地震波看成由一系列簡諧波組成，通過傅里葉變換將時(shí)域信號轉(zhuǎn)化成頻域信號，如圖3所示；將實(shí)測連續(xù)波形進(jìn)行離散采樣和量化，得到該信號波形的有限離散數(shù)值系列{x0，xl，…，xn}，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可對離散數(shù)列{xn}進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)處理。本項(xiàng)目上，將測點(diǎn)主振頻率與各類建筑物固有自振頻率進(jìn)行了對比，如圖4所示。

圖2 建筑物爆破振動No1波形和合速度

分析得出:暗挖爆破引起的爆破振動主頻范圍水平方向?yàn)?6.7～97.5 Hz，垂直方向?yàn)?1.5～142.9 Hz。爆破振動優(yōu)勢頻率在10～150 Hz范圍內(nèi)，因?yàn)檫h(yuǎn)大于建(構(gòu))筑物的1～6 Hz固有自振振動頻率范圍，所以爆破振動主振頻率對周邊建(構(gòu))筑物基本沒有影響，不會導(dǎo)致建(構(gòu))筑物的損害。但是，從爆破振動頻譜圖還可看出，其低頻成分與建(構(gòu))筑物的固有頻率較為接近，容易引起建筑物的共振，并且爆破地震波經(jīng)過一定距離的傳播后，其高頻成分逐漸衰減。所以對于處于較遠(yuǎn)位置的建(構(gòu))筑物，應(yīng)該特別防止爆破地震波中低頻成分對建筑物造成的破壞[9]。

圖3 爆破振動HDJ No1頻譜(X方向)

圖4 車站爆破主振頻率分布

4.3 爆破振動持續(xù)時(shí)間

實(shí)測中，車站鉆爆開挖引起的建筑物振動幅值較小，在數(shù)據(jù)分析中取爆破振動波形1/5 A起始時(shí)間段作為爆破振動持續(xù)時(shí)間，可得到各測點(diǎn)爆破振動持續(xù)時(shí)間，見表2和圖5。

圖5 車站爆破振動持續(xù)時(shí)間分布

爆破振動持續(xù)時(shí)間反映了振動衰減的快慢。由于持續(xù)時(shí)間一般在0.3～0.8 s之間，相對較短，所以，地鐵開挖爆破振動持續(xù)時(shí)間對周邊建(構(gòu))筑物的動力響應(yīng)影響比較小，一般不會造成建筑物的破壞。

5 鉆爆開挖振動控制

通過爆破振動控制原理及監(jiān)測驗(yàn)證分析，在鉆爆開挖中可以采取以下控制措施:

(1)控制單段最大起爆藥量，分散布藥

依據(jù)爆破振動強(qiáng)度大小除了與爆心距和施工條件有關(guān)外，主要取決于一次起爆裝藥的大小，并且振動速度是衡量爆破振動強(qiáng)弱的主要指標(biāo)，由爆破地震波傳播規(guī)律可計(jì)算出臨界距離條件下安全允許的最大起爆藥量(見表4)，允許單段最大起爆藥量為3.4 kg。因此，從控制藥量減少振動強(qiáng)度考慮，爆破設(shè)計(jì)時(shí)可采用分散布藥、增加爆破網(wǎng)路段數(shù)方法；同時(shí)，選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法等開挖工法，將大斷面分割成多個小斷面，化整為零[9]，循環(huán)小進(jìn)尺、小方量，進(jìn)而減少單段藥量，降低振動強(qiáng)度，削弱爆破振動效應(yīng)，減少危害。

表4 地鐵開挖爆破振動單段許可裝藥量

(2)合理選用掏槽形式，多級嵌套

從爆破振速時(shí)間判斷，產(chǎn)生大振速部位通常為掏槽爆破、底板或底角爆破等。質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度往往發(fā)生在掏槽孔爆破處。因此，掏槽孔采用“V”形多級嵌套掏槽方式，掏槽孔比輔助眼孔超深10～20 cm，布置于開挖斷面的重心位置。

(3)選用低威力、低爆速裝藥，多段微差

從性能上看，威力、低爆速炸藥意味著低振動。掏槽爆破和擴(kuò)槽爆破用爆炸威力大的乳化炸藥，周邊炮孔則用低爆速的2＃巖石炸藥。

根據(jù)爆破振動頻率在時(shí)間上和空間上存在著峰谷疊加性質(zhì)，在總裝藥量和爆破作業(yè)條件不變的情況下，選擇合理的微差延期時(shí)間，能使爆破振動強(qiáng)度較齊發(fā)爆破降低40%～60%。掏槽孔微差時(shí)間用MS0、MS1段位，其他炮孔以逐孔起爆為主，孔間微差時(shí)間為MS1～MS2段位，排間延期時(shí)間用MS2～MS3段位。總之，多段微差爆破使用合理的延期時(shí)間，可減小地震效應(yīng)、增強(qiáng)破碎效果并減低炸藥消耗量。并且，隨著新型爆破器材的不斷涌現(xiàn)，選用新型導(dǎo)爆管雷管和數(shù)碼雷管，也能達(dá)到精確延時(shí)爆破。

6 結(jié)束語

從本工程的實(shí)施效果來看，通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測及詳細(xì)的振動影響分析，采取了有針對性控制措施，達(dá)到了預(yù)期效果。

(1)通過爆破振動監(jiān)測分析得到的地鐵車站暗挖爆破振動規(guī)律，為鉆爆開挖單段裝藥量控制提供了預(yù)測手段，利于優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)；減少了爆破振動對圍巖初期支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響或破壞，保證了施工安全。

(2)鉆爆施工振動監(jiān)測和微差、掏槽爆破技術(shù)的應(yīng)用，有利于提高炸藥利用率，減少超欠挖，保證了循環(huán)進(jìn)尺，從而節(jié)約了炸藥量，縮短了施工循環(huán)時(shí)間。

(3)根據(jù)圍巖中爆破地震波的傳播規(guī)律和鉆爆施工安全控制振動速度，克服了因爆破地震效應(yīng)限制而導(dǎo)致的不能按計(jì)劃進(jìn)行施工的難題，確保了施工工期，節(jié)約了成本。